华北理工微波遥感课件第2章 微波遥感系统

第二章 微波遥感系统一、非成像微波传感器二、成像微波传感器三、天线、雷达方程和灰度方程四、空间微波遥感系统五、辐射测量原理在海洋，陆地和大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器包括下列五种：（1）散射计（2）高度计（3）无线电地下探测器（4）微波辐射计（5）侧视雷达非成像系统成像系统第一节 非成像微波传感器一、散射计(Scatterometer)

散射计是一种有源微波遥感器，散射计的功能是测量地物表面（或体积）的散射或反射特性。 它主要用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长变化对目标散射特性的影响。微波散射计组成转换开关天线发射机接收机窄波束带通滤波器平方律空间检波器积分器数据系统微波散射计组成（1）带通滤波器是指将低通滤波器和高通滤波器串联。（2）平方律检波器是指检波输出电流或电压与输入电压成平方关系，即与输入功率成线性关系。平方律检波器是一种常用的检波器，常用于功率检测。其主要优点是响应速度快、结构简单。Globalwindspeedanddirectionareshowninthisimageusingrecentlyprocesseddataacquiredin1978bySeasat.Thecolorsrepresentwindspeedandthearrowsshowwinddirection.二、高度计 高度计是一种主动式微波测量仪，它具有独特的全天时、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大的能力和特点。

二、高度计 卫星高度计以海面作为遥测靶，它的回波信号携带有十分丰富的海面特征信息，可以测量出瞬时海面至平台之间的距离、电磁波海面后向散射系数及回波波形。发射机转换开关定时系统接收机距离测量系统数据天线简化的高度计的方框图工作原理太空船利用一种激光高度测量器(MarsOrbiterLaserAltimeter)绘制的火星立体图片卫星高度计海面高度海面有效波高海面风速大地水准面海洋动力地形海洋地球物理应用海洋动力学应用海洋环境监测海洋测深无图区测绘海洋岩石圈结构特性地球引力场模型改善海洋潮汐大尺度海洋环流研究中等尺度涡流旋研究大洋边界流研究全球海平面变化厄尔尼诺与南方涛动海浪与风速场海冰及极区冰盖时间延迟海面回波波形强度用于“神舟”四号飞船的多模态微波遥感器由微波辐射计、雷达高度计、雷达散射计三种模态仪器构成。微波辐射计主要用于探测土壤温度、土壤成分、海面温度、大气水气含量等；雷达高度计可获得海浪的有效波高、海洋环流等海洋动力学参数；雷达散射计可以测量海面风速与风向，用于海洋动力研究。三、无线电地下探测器

测量地下层及其分界 工作原理包括以下几个方面

1）对某些地物，低频波可以穿透其表面

2）探测器接收到的反射功率可以检测出来

3）能实现足够的距离分辨力第二节 成像微波传感器一、微波辐射计

微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。它与一般的通信接收机相比具有以下两个不同的特点：（1）微波辐射计的输入信号是来自物体的随机宽带微波热辐射信号，而一般的接收机接收的是相干窄带信号。一、微波辐射计

（2）物体的微波热辐射十分微弱，因而微波辐射计接收到的输入功率，大约为几个微微瓦，因此输入信噪比一般只有十分之几，而一般接收机都要求信噪比远大于1。一、微波辐射计

微波辐射计主要由收集微波辐射的天线、高灵敏度的宽带接收机、绝对纬度基准和记录、显示单元（或其他终端设备）等四部分组成。放大器平方律检波器积分器显示和记录天线信号噪声通过低噪声放大，然后经过平方律检波产生输出信号电压。输出信号电压的平均值正比于检波器输入端功率。输出信号在被记录之前，经低通滤波器和积分器平滑，输出较为平滑的信号电压。所以接收机的任务就是从输出的总噪声中检测出由天线输入的物体辐射信号噪声。放大器平方律检波器积分器显示和记录天线二、侧视雷达1、一般结构发射器转换开关显示器接收机天线SS航迹向成像带距离向90o雷达波束二、侧视雷达雷达：radiodetectionandranging，RADAR侧视雷达：side-lookingradar，SLRXYZXYZ阴极射线管图像胶片斜距航高地距SAB123脉冲测距示意图二、侧视雷达2、脉冲（1）脉冲 脉冲是指电压或电流的波形像心电图上的脉搏跳动的波形。 脉冲的原意被延伸出来得：隔一段相同的时间发出的波的机械形式。 学术上把脉冲定义为：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。

2、脉冲（1）脉冲 脉冲有间隔性的特征，因此我们可以把脉冲作为一种信号。 由此产生脉冲信号的定义：相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。 脉冲信号可以是周期性重复的,也可以是非周期性的或单次的。2、脉冲（1）脉冲距离分辨率与俯角关系XYS二、侧视雷达2、脉冲（2）脉冲宽度：脉冲的持续时间。通常用希腊字母τ表示。 脉冲宽度可以从几分之一微妙到几毫秒。二、侧视雷达2、脉冲（2）脉冲宽度 脉冲长度（L）：脉冲在空间传播时从其前沿到后沿的距离。 脉冲长度＝脉冲宽度×电磁波传播速度二、侧视雷达2、脉冲（3）脉冲重复频率 脉冲重复频率（PRF）是指雷达发射脉冲的速率，即每秒钟发射脉冲的个数。通常用fr表示。二、侧视雷达2、脉冲（4）脉冲周期 脉冲周期是指从一个脉冲开始到下一个脉冲开始之间间隔的时间，也称脉冲重复间隔(PRI)，通常用T表示。

T=1/fr3、真实孔径雷达（1）工作方式 雷达天线长度是实际长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示记录中。运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方向上是延展的。3、真实孔径雷达3、真实孔径雷达3、真实孔径雷达

雷达图像中平行飞行航线的方向称为方位向或航迹向，垂直于航行的方向称为距离向。 雷达的分辨率定义在两个方向：平行于雷达飞行方向的分辨率称为方位向分辨率，垂直于飞行方向的称为距离向分辨率。3、真实孔径雷达（1）距离向分辨率 距离向分辨率指在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。由脉冲宽度（脉冲持续时间）决定。3、真实孔径雷达（2）距离向分辨率 距离向分辨率分为斜距分辨率和地距分辨率。 地距分辨率由脉冲宽度和波束视角所决定，要提高地距分辨率，则必须减小脉冲宽度和增大视角。但脉冲宽度过窄，则能量太小，不利于目标的探测。距离向分辨率斜距R（1）距离向分辨率距离分辨率的物理含义：脉冲时间为t,两个不同距离的目标产生两个回波，要使两个回波不完全重叠，才能分清是哪一个回来的信号，必须有τ<2∆r/C•

距离分辨率与距离无关。•

若要提高距离分辨率，需要减小脉冲宽度。•

脉冲宽度小，则S/N降低，需加大发射功率，造成设备庞大，费用昂贵。•

目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。脉冲压缩技术

对宽脉冲进行线性调频调制,随时间的变化频率增加。接收时采用匹配滤波器对先收到的低频信号进行延迟，实现叠加增强，但脉冲宽度降低。脉冲压缩技术3、真实孔径雷达（3）方位向分辨率

由波束宽度与目标的距离决定。波束宽度由天线大小及波长决定。dRRω方位向分辨率方位向分辨率与波长和观测距离成正比，与天线孔径成反比，因此，要提高方位向分辨率，须采用波长较短的电磁波和增大天线孔径及缩短观测距离。三、合成孔径雷达

合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。 由发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，天线接收的地面回波信号，经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存储器的信号经成像后形成雷达图像。三、合成孔径雷达

合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。它采用以多普勒频移理论和雷达相干为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现。

三、合成孔径雷达1、距离分辨率与真实孔径雷达距离向分辨率相同。但由于真实孔径机载雷达一般用短脉冲来实现距离向分辨率，而合成孔径雷达通常用带宽（脉冲频率的变化范围）为B的线性调频脉冲来实现作用距离向的良好分辨率。三、合成孔径雷达2、方位向分辨率 合成孔径雷达与真实孔径雷达主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。 合成孔径天线是由实际上的小天线合成得到的概念上的系统。2、方位向分辨率多普勒效应（Dopplereffect）:当目标与观测者之间有相对运动时，观测者接收到的频率与波源发出的频率不同，二者之差为多普勒频移。互相接近时，频率增加，远离时频率减少。三、合成孔径雷达2、方位向分辨率 合成孔径技术的基本思想，是用一个天线沿一直线方向移动，在移动中每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号存储下来。存储时必须同时保存接收信号的振幅和相位。当天线移动一段距离Ls后，存储的信号和长度为Ls的天线阵列诸单元所接收的信号非常相似。2、方位向分辨率合成后的天线长度双程距离差而导致的波束宽度为对应的地面方位向分辨率为三、合成孔径雷达2、方位向分辨率（1）方位向分百率与距离、波长无关（2）方位向分辨率与平台飞行高度无关。（3）理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度D的一半。如ERS-1SAR天线长度为10米，理论上方位向分辨率能达到5米。第三节 天线、雷达方程一、雷达天线1、分贝（1）分贝的概念 分贝是对数单位式中：P1与P2是两个被比较的功率电平一、雷达天线1、分贝（2）分贝的应用 功率增益，描述功率电平增加的术语。 增益＝输出功率/输入功率 功率损耗，描述功率电平降低的术语。损耗＝输入功率/输出功率一、雷达天线2、天线 天线是在自由空间传播的电磁波与在传输线中传播的导波之间过渡的区域。按功能，可将其分为发射天线和接收天线。 天线互易性原理指出：同一天线用作发射或接收信号时，其性能不变。2、天线1）辐射方向图

天线辐射能量的空间分布是空间位置或方向的函数，它可用天线方向图来描述。在较窄的范围内天线的辐射强度很强，对应这个角度范围的窄立体角内辐射出大部分天线的辐射功率，这部分天线波束称为天线的主波束或者主瓣。随着角增加相继出现一些峰值和谷值，并且这些峰值和谷值随的增加而减小，这些部分被称为旁瓣，紧邻主瓣的第一个峰形成的旁瓣成为第一旁瓣，其他为次旁瓣。的部分称为背瓣。在极坐标系上绘制的天线归一化辐射方向图在直角坐标上绘制的天线归一化辐射方向图RadiationPatternSquareAntenna三维天线方向图RadiationPatternCircularAntenna2）半功率波束宽度归一化辐射强度为最大值一半所对应的两个方位角之间的角度定义为半功率波束宽度以分贝表示，则=0.5相当于-3dB，因而半功率波束宽度也称为3dB波束宽度。在直角坐标系上绘制的天线归一化辐射方向图半功率波束宽度为第一零点之间的波束宽度此值表示主瓣的总宽度。所谓第一零点并不一定是辐射强度下降到零值之处。而是指在主瓣最大值两侧首先下降到最小值（谷点）的点，此点对应的方位角为

,如果辐射方向图是对称的，第一零点之间的波束宽度为3）方向性系数 实际上天线在各个方向上发射的辐射强度是不同的，在主瓣内集中了大部分辐射能量，并在某个方向上出现最大的辐射强度，为描述天线的这种特性，引入天线方向性的概念。

在某个给定方向天线的方向性系数用表示，它是这个方向上的归一化辐射强度与空间内归一化辐射强度平均值的比值：4）有效面积天线孔径上电场振幅和相位的分布状况影响天线的最大方向性系数。以矩形孔径天线为例，当电场振幅和相位均匀分布时，天线孔径的实际面积当电场振幅分布不均匀时，最大方向性系数D0将小于振幅分布均匀的D0值

在非均匀分布的情况下，最大方向性D0由一个天线孔径有效面积Aeff

确定天线的孔径效率天线孔径面积愈大，它具有更强的方向性（更窄的波束宽度）；孔径效率低导致方向性变坏。但，孔径效率愈高，天线的主波束效率将随之下降，因而天线的方向性强与波束效率高之间有矛盾。5）增益供给天线的总功率为Pi，其中的大部分功率P0被辐射到空间，建立起具有某种辐射强度分布的辐射场，其余部分功率Pl以欧姆损耗的形式耗散在开线的各个部件中，将天线当作一个有耗元件，则天线的辐射效率定义为

为了研究一个有耗天线的方向性，引入天线增益的概念。在某一规定方向上天线增益的定义是被测天线辐射的功率密度与相同供电功率下无耗各向同性天线辐射功率密度Sri的比值，则有被测天线辐射的总功率（在半径为r的球面上对Sr求积分得到）无耗各向同性天线将供电功率全部转化为辐射功率可以将增益函数与方向性系数联系起来：由此可见，增益不仅表示天线的方向性特性，还计入天线的欧姆损耗，而方向性系数不计入欧姆损耗。从这个意义上讲，无耗天线的增益就是它的方向性系数。当已知供电功率和天线增益，可求出距离天线r处（满足远场条件）的功率密度在最大辐射方向，最大增益是二、雷达方程

当能量在空间向各个方向（各向同性）传播时，把功率密度（单位面积的功率）定义为发射功率（PT）除以半径为距离向距离（RT）的球面面积ThepowerdensityatadistantpointfromaradarwithanantennagainofGt

isthepowerdensityfromanisotropicantennamultipliedbytheradarantennagain.Powerdensityfromradar,

Anothercommonlyusedtermiseffectiveradiatedpower(ERP),andisdefinedas:ERP=Pt

Gt

当主动微波能量到达目标物，要考虑的参数就是目标本身。目标所截得的全部能量与目标的接收面积（As）成比例，在所接收的能量中，一部分能量被吸收（），其它的被各向异性地发射回去（1-）部分增益朝雷达接收机返回的总功率在接收机处的功率密度目标物与接收机之间的距离接收到的总功率雷达方程雷达散射截面，RADARCrossSection,RCS

定义:式中:E0是照射到目标处的入射波的电场强度；Es是雷达所在处的散射波的电场强度；R是雷达与目标之间的距离。为了估算，RCS定义为接收机处的散射功率密度与目标处散射功率密度之比。雷达散射截面系数 地物单位面积的散射截面第四节 空间微波系统 ENVISAT卫星发射时间2002年3月1日（欧洲中部时间）轨道太阳同步，高度800公里轨道倾角98°单圈时间101分钟重复周期35天一、ENVISAT卫星星载仪器ASAR（先进的合成孔径雷达）MERIS（中等分辨率成像频谱仪）AASTR（先进的跟踪扫描辐射计）RA-2（雷达高度计）其他：Michelson干涉仪微波辐射计（MWR）等SEASATSatellite

•Launched:28June1978•FirstspaceborneSAR•Operatedfor105days,shortcircuitendedmission•Designedforremotesensingoftheearth’soceans•42hoursofdatacollectedat110Mbits/secondSEASATImageofLosAngeles,1978

SEASATImageofDeathValley,1978

Seasatradarcanalsobeco-registeredwithLandsatimagery;partofaLandsatimageofdissectedAlleghenyPlateauinWestVirginia,seenaloneintheupperright,isheresuperimposedonaSeasatimagegivinganewimpressionofapparentreliefbyvirtueofthelighttonesintheforeshortenedforeslopes.

ShuttleImagingRadarSIR-A•BuiltfromspareSEASATparts•FlewonColumbiashuttleNovember12-14,1981•Usedprimarilyforgeologicalresearch•DemonstratedabilityforL-bandtopenetrateuptoseveralmetersof

hyperaridsand•Collectedover10millionkm²oftheearth’ssurfacein2daysShuttleImagingRadarSIR-B

•RefurbishedSIR-A•FlewonChallengerinOct.1984•DemonstratedL-bandsensitivity:-soilmoisture-geologicalstructuralandlithologic

features-oceanicdirectionalwavespectra•L-band,sameasSeasat&SIR-A•Equippedwithmo