华北理工微波遥感课件第1章 微波遥感基础

微波遥感MicrowavesRemoteSensing信息工程学院课程教学目标1.了解微波遥感技术的产生、发展及应用状况，掌握微波遥感基本理论、微波遥感图像特性、雷达影像干涉测量原理；2.掌握微波遥感图像解译的基本步骤及方法、学会识别各类微波图像类型的注记特征和应用特点，有关雷达影像成像几何的描述。3.能从主动遥感方式（成像雷达）和被动遥感方式（微波辐射计）两个方面熟悉微波遥感的成像原理和成像系统、两类微波图像的几何特点和信息特点，微波图像的校准定标、构象方程和几何矫正方法、雷达图像的测图方法、目标定位方法和干涉测量方法，微波图像目视解译和计算机分析、微波图像的应用等知识。成绩计算

平时成绩=考勤（15%）+课堂作业（15%）总成绩=平时成绩+期末成绩（70%）第一章

微波遥感基础一、微波遥感的特点二、微波遥感发展历程三、微波与物质相互作用四、无线电谱与微波谱一、微波遥感的特点

1.基本概念

微波是电磁波的一种形式，把微波与可见光、红外线、紫外线、X射线、γ射线以及无线电波按波长大小顺序排列，构成电磁波谱。一、微波遥感的特点

1.基本概念

微波遥感是利用工作在微波范围内的微波遥感器对远距离目标物进行非接触性的探测、成像，并对所获得的数据或图像进行测量、分析和判读的技术。一、微波遥感的特点

1.基本概念

以合成孔径雷达(SAR)为代表的微波遥感器取得的雷达图像，具有与摄影像片相媲美的空间分辨率和独特的物理特性，有很大的应用潜力，是20世纪90年代以来研究和应用的热点。

一、微波遥感的特点为什么要研究微波遥感

微波遥感究竟能解决哪些其他遥感手段（光学、红外）所不能解决的问题？？IK0NOS影像(Beijing)一、微波遥感的特点光学和红外遥感取得了巨大的成功！北京（30米）台北（0.6米）一、微波遥感的特点可见光所遭遇的难题地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖着，尤其是占地球面积五分之三的海洋上，气候条件变化更大，经常被云层遮蔽。一、微波遥感的特点

2.微波遥感的优越性

（1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时工作能力

冰云对微波几乎无影响一、微波遥感的特点

2.微波遥感的优越性

波长大于3cm，大雨倾盆地区对微波传输影响很小一、微波遥感的特点雨的衰减系数与频率的关系一、微波遥感的特点

2.微波遥感的优越性

（1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时工作能力

烟雾和尘埃对微波的衰减比较复杂，目前尚无定量的系统资料，但从烟雾和尘埃对红外波段的衰减特性变化可得出，波长越长，衰减越小。一、微波遥感的特点能见度(m)可见光（dB/km)红外（dB/km9.4GHz（dB/km)（X)3.7GHz（dB/km)(S)15230561012191206030102412630.880.320.130.0440.190.0620.0220.009不同能见度下，云和雾在海平面水平路径的衰减率一、微波遥感的特点

2.微波遥感的优越性

（2）微波对地物具有一定的穿透能力微波越长，穿透能力越强

干沙：几十米冰层：100米潮湿土壤：几厘米到几米

一、微波遥感的特点（2）微波对地物具有一定的穿透能力

★

微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。一、微波遥感的特点（2）微波对地物具有一定的穿透能力

★微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量、密度、波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。微波信号穿过植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号1米波长由树顶、树干、地面反射的信号由树顶、树干反射的信号一、微波遥感的特点（3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息

★例如，微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可用于测定大地水准面。★利用微波探测海面风力场，可提取海面动态信息。★根据冰的界电常数不同，可以探测海冰的结构和分类。★根据含盐度对水的界电常数的影响可以探测海水的含盐度。一、微波遥感的特点（4）同时记录振幅和相位信息，可获取高程信息

★利用干涉测量技术，可以监测地形变化，如地震、地壳运动等，精度可以达到厘米级。一、微波遥感的特点（5）微波遥感也存在缺陷

★空间分辨率低，地物判读困难。★图像噪声消除困难。二、微波遥感发展历程早期阶段（1）1922年，美国海军实验室A.H.Taylor等人开始研制雷达。1923年研制脉冲雷达。此时英国也在研究。（2）第二次世界大战的军事需要，雷达技术获得飞速发展。当时主要参战国都已拥有脉冲雷达系统，应用目的是对飞机和舰艇进行定位。（3）1940年代，成像雷达在阴极射线管成像，只能显示或暗或亮两种状态。

二、微波遥感发展历程（4）20世纪50年代初期，美国研制成功了能够产生地面图像的机载真实孔径侧视雷达。

（5）1951年6月美国的CarlWiley首先提出了合成孔径侧视雷达的概念，并于1952年研制了一种称之为“多普勒波束锐化”的系统，这就是合成孔径雷达的最初型式。

机载脉冲多普勒雷达利用多普勒效应通过信号处理提高方位分辨力的工作模式二、微波遥感发展历程（6）1953年7月，依利诺斯大学用机载X波段雷达对地面和海面的反射信号进行了研究，第一次证明了合成孔径雷达原理，并获取了第一张合成孔径雷达图像。（7）1956～1957年，美国密执安大学研制成功第一部采用光学处理的合成孔径雷达，并于1957年8月进行了飞行试验，得到的数据胶片，经地面光学透镜组处理，获得了高分辨率的聚焦型合成孔径雷达图像。二、微波遥感发展历程（8）1965年至1966年，美国利用机载侧视雷达SLAR获得了约50万km2的图像，天线固定在与机身平行方向，15米长，可以得到分辨率较高的图像。（9）1967年，第一次利用雷达测绘的是美国与巴拿马政府采用真实孔径雷达在多云山地的测绘计划。二、微波遥感发展历程2.发展阶段（1）1967年美国第一次用微波辐射计测量金星表面稳定，微波传感器开始用于空间遥感。（2）1968年，前苏联发射“宇宙－243”卫星，第一次用微波辐射计进行对地球的微波遥感。（3）1972年，美国相继发射“云雨”系列气象卫星，标志着微波遥感进入了一个新的阶段。二、微波遥感发展历程（4）1978.6.28，美国发射SEASRT-A运行105天，用于地球海洋遥感探测，搭载微波高度计、微波散射计和合成孔径雷达微波高度计测量海洋水准面精度达到7cm，超过了10cm的设计精度。二、微波遥感发展历程太阳能面板SAR天线Seasat卫星参数性能轨道高度800km波长23.5cm极化HH方位向分辨率25m距离向分辨率25m入射角23°观测带宽度100km洛杉机地区SEASAT图像,1978SEASATImageofDeathValley,1978二、微波遥感发展历程3.成熟阶段20世纪90年代，SAR的发展进入了一个崭新的时代。欧空局（ESA）于1991年7月发射了ERS-1；日本于1992年2月发射了JERS-1；前苏联于1991年3月发射了Almaz-1；1995年11月加拿大发射了RadarSat1994年和1996年美国航天飞机两次搭载的SIR-C/X-SAR。以上标志着SAR时代的到来，表明了SAR将可与可见光遥感和红外遥感并驾齐驱。二、微波遥感发展历程（1）1981年11月“哥伦比亚号”航天飞机第二次飞行时，为微波遥感的进一步发展奠定了基础。✰主要应用于地质探测。✰验证了L波段对干旱沙地具有几米的穿透能力。✰在二天内获取超过1千万平方公里的地表SAR图像。苏丹西北部撒哈拉沙漠SIR-A1981年12月影像，彩色部分为Landsat影像。由于干燥沙漠介电常数较小，SAR能穿透地表，发现沙漠地表下面有古河床。二、微波遥感发展历程（2）1984年10月“挑战者号”航天飞机又将SIR-B载入太空

✰由SIR-A改进

✰检验L波段在以下方面的探测能力：-土壤湿度-地质结构和岩石特征-海洋波浪谱

✰安装了变侧视角的可移动天线二、微波遥感发展历程（3）1988年12月2日，美国“亚特兰蒂斯号”将“长曲棍球”（Lacrosse）新型军事侦察卫星送入轨道。该卫星是世界上第一颗高分辨率雷达成像卫星，采用X、L两个频段和双极化方式，卫星重14.5吨，地面分辨率为1m，设计寿命8年。二、微波遥感发展历程（4）1982年2月，日本宇宙开发事业团NSADA发射了地球资源卫星JERS-1，搭载合成孔径雷达。

☆轨道倾角：98.5°

☆轨道高度：568km☆侧视角：35°☆幅宽：75km☆波长：23cm☆工作波段：L☆极化方式：HH☆分辨率：18m

冰川上的火山口纽约世贸中心被进攻前RADARSAT-1图像（1999.6.8）纽约世贸中心被进攻后RADARSAT-1图像（2001.9.13）华盛顿五角大楼被进攻后RADARSAT-1图像（2001.9.14）二、微波遥感发展历程（5）RADARSAT分辨率10-100m工作波段：C极化方式：HH侧视角：20°-50°工作时间：1995－－二、微波遥感发展历程（6）

AdvancedSyntheticApertureRadar(ASAR)

OneofENVISATinstrument(ESA,2002)C-band(5.33GHz)Mulli-polarization:VV+HH,VV+VH,orHH+HV7incidenceangleoptionHighresolution

OneofthefirstphotostakenbyEnvisat,ESA'sEarthobservationsatelliteinMarch2002.ThecollapseoftheLarsenBiceshelfobservedon18March2002.这张由ENVISAT卫星摄于2002年3月18日的照片显示出最近10年拉森B(LarsenB)冰架下沉的情况。南极冰架最近几年来一直在大幅下沉，这可能是自1.2万年前冰河时代结束以来南极冰架下沉幅度最大的一段时间。CCRS,CanadaSeasat(Lhh)SIR-C/XSAR(L,CQuadpol,Xvv)2000SRTM,InSARCWideSwathXNarrow,HiResNASA,USANASDA,JapanESA,EuropeanERS-1CvvERS-2Cvv1992JERS-1LhhRADARSAT-1Chh1994SIR-A(Lhh)SIR-B(Lhh)19841981197819911996199119951994合成孔径雷达发展历史与趋势二、微波遥感发展历程4.发展趋势

★提高分辨率，增大幅宽

军事目标准确侦察要求其分辨率小于1米，最近美国提出的侦察小卫星，SAR分辨率可达到0.3

米。法国计划今年发射的军用雷达卫星Horus，分辨率可达3米-5米。雷达图像的幅宽越来越受到人们的重视，如Radarsat-1最大幅宽可达500公里，欧洲环境卫星Envisat-1上的先进合成孔径雷达（ASAR）幅宽为400公里，下一代的X-SAR在低分辨率时幅宽将大于500公里。X-BandRadarPlatformHangersatKirtlandAFB,Albuquerque,NewMexico(1-mresolution)AlbuquerqueInternationalAirport(3-mresolution)M-47Tanks,KirtlandAirForceBase,Albuquerque,NM(1-ftresolution)二、微波遥感发展历程4.发展趋势

★多波段、多极化、多视角和多工作模式多波段、多极化、不同视角对地观测，可以全面地定量分析地面目标的雷达散射特性。加拿大的Radarsat-2计划采用多极化、多波段的合成孔径雷达，欧空局的ASAR和未来的X-SAR系统都将采用多极化、多工作模式。超低入射角超高入射角ScanSAR标准精细宽幅Radarsat-1卫星工作模式示意图RadSat-2超精细模式的图像3米分辨率RadSat-1标准模式的图像25米分辨率二、微波遥感发展历程4.发展趋势

★星载双天线SAR系统

为了获取高质量、稳定的干涉数据源，只有采用双天线的SAR系统才能得到保障。2000年2月11日美国宇航局（NASA）和国家影像与测绘局（NIMA）联合进行了为期11天的航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）。SRTM同时拥有C波段和X波段干涉SAR系统，能够同时提供双频干涉数据的系统。

SRTMSRTM成像示意图二、微波遥感发展历程4.发展趋势

★小型化、轻型化

星载合成孔径雷达素以体积、重量、功耗大而闻名，影响其推广应用。轻小型SAR是其未来一个重要的发展方向。美国JPL正在研制的LightSAR雷达重约250公斤，L波段多极化，分辨率6米～10米时幅宽22公里，分辨率100米时幅宽250公里。俄罗斯正在研制的L波段的小SAR重150公斤，分辨率为2米～20米。三、微波与物质相互作用3.1微波与大气3.2微波与地物3.1微波与大气一般来说，大气衰减作用的程度与大气成分及其物理性质有关，一般地电磁波频率越高，大气衰减作用越显著。大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子、氧气分子对微波的吸收；大气微粒对微波的散射。单分子吸收或发射的谱线是一些不连续的谱线；多分子吸收或发射的谱线是一条连续谱线。氧气分子的吸收谱线：氧气分子的吸收中心波长位于0.253cm和0.50cm处。水气的吸收谱线：水气吸收谱线随电磁波频率增高而增强，在23GHZ处有一个突变。大气微粒：水滴（云雾，霾和降水）冰粒尘埃瑞利散射Rayleigh

scattering(微粒直径<<波长)米氏散射Miescattering(微粒直径=波长)无选择性散射non-selectivescattering(微粒直径>>波长)散射率与波长的关系水云对微波的散射作用-瑞利准则云粒子不超过100um，比微波小一二个数量级。衰减系数：M为云的含水量g/m3在一定的温度和波长下，与云层含水量成线性雨对微波的散射作用降水云层的粒子主要有雨滴、冰普、雪花和干湿冰雹。直径均大于100um，符合米氏散射。雨的微波吸收与散射的关系1971年J.E.Paris对雨的微波吸收与散射研究：当微波频率小于10.69GHZ（2.81cm）时，水滴的散射逐渐小于吸收；当微波频率为1.805GHZ(6.3cm)，散射作用只有吸收的十分之一；微波频率大于10.69GHZ（2.81cm）时，散射作用不能忽略。如果不是暴雨和大雨，雨滴直径不会超过2.5mm，而频率不大于19.35GHZ时，则雨滴的散射作用将近是吸收作用的十分之一。3.2微波与地物反射与散射光滑表面粗糙表面极粗糙斯涅耳反射朗伯余弦前向散射后向散射透射介质衰减常数，dB/m微波角频率HZ介质磁导率HZ/m介质电导率s/m穿透深度的物理意义：当入射电磁波在有耗介质中中传播距离为d时，其电场强度将减小到它在介质表面时的1/e,37%,功率将降低到入射功率的1/e2,13.5%.极化现象具有任意极化的电磁波都可以分解为TE（Electricfield

）波和TM（Magneticfield

）波。TE波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，称水平极化波（H波）；TM波是电场矢量平行于入射平面的极化波，称垂直极化波（V波）；当这两种波入射到两种均匀介质的光滑界面上时，产生反射和折射。介质1的介电特性由μ1和ε1表示，μ为介质的磁导率H/m，ε为介质的介电常数F/m（导体外电场E=σ/ε

，σ是介质的电导率s/m）；介质2的介电特性由μ2和ε2表示.θ1为入射角，θ2为折射角。TE波和TM波的反射系数Rh和Rv,传输系数Th和Tv分别为：四、无线电谱与微波谱代码名称频率波长波长用途ELF极低频3-30Hz1011-1010mm105km海底通讯OmegaSLF超低频30-3001010-109mm海底通讯LoranCUHF特低频300-3000109-108mmVLF甚低频3-30KHZ108-107mmLF低频30-300107-106mmMF中频300-3000106-105mm0.1-1km广播MFHF高频3-30MHZ105-104mm10-100m远距离通讯和短波广播VHF甚高频30-300104-103mm1-10m电视UHF特高频300-3000103-102mm10-100cm成像雷达SHF超高频3-30GHZ102-101mm1-10cm遥感雷达，辐射计EHF极高频30-300GHZ101-100mm1-10mm辐射计四、无线电谱与微波谱

波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz)

P波段： 0.3~1GHz(30~100cm) L波段： 1~2GHz(15~30cm) S波段： 2~4GHz(7.5~15cm) C波段： 4~8GHz(3.8~7.5cm) X波段： 8~12.5GHz(2.4~3.8cm) Ku波段： 12.5~18Ghz(1.7~2.4cm) K波段： 18~26.5Ghz(1.1~1.7cm) Ka波段： 26.5~40Ghz(0.75~1.1cm)罗兰-C和奥米加Omega导航罗兰-C和奥米加分别是低频段(100kHz)和甚低频段(10～14kHz)含标准时间频率信息的双曲线导航、定位系统。它们的作用距离大，覆盖面广，导航、定位精度高，在全球范围内得到广泛应用。罗兰-C是低频、脉冲式的双曲线无线电导航与定位系统，它是在40年代由美国麻省理工学院应美国陆军的要求而研制的。当时要求是能全天候导引飞机，能远距离工作(离发射台926km)，并且在一万多米的高空也能收到信号。首批布站83个，称作罗兰-A，主要在太平洋地区，覆盖了北大西洋、北太平洋、北海和墨哥墨西哥湾。两个站发射相同频率的信号，用户据此可确定自己的位置，精度可达到2.8km/926km，12.9～3.7km/2222.4km。战后美国海岸警卫队把它的应用扩展到海上导航。罗兰-A由于其台站的过时和维持费用的增加，在1980年退出使用，在改善的基础上研制了罗兰-B，罗兰-B使用3个台发射相同的频率信号，本想为港口和海湾提供精密导航，由于技术上的原因阻碍了其发展，1958年，罗兰-C投入使用。罗兰-C是一种远距离(1850km)、低频(100kHz)的双曲线无线电导航系统，它使用两个同步发射器信号到达的时间差来定位。较低的频率允许地波沿地球表面曲面传播较远的距离，多脉冲允许接收机把天波与地波区分开来。根据不同的几何条件、接收机测时精度及传播条件，罗兰-C可以提供100～200m的精度。在60年代中期，美国空军开始研制罗兰-D，它是C型的一种短距、战术型的版本，作用距离限制在1100km。