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为什么要微波遥感-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。微波波段的特征

微波穿透云层、雾和小雨的能力微波具有穿透云层、雾和小雨的能力，而且太阳辐射对辐射测量没有太大的影响。因此微波辐射测量既可在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，具有较强的全天候、全天时的工作能力，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。云的穿透微波具有穿透被测物体的能力1.

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2.微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。不同类型土壤的趋肤深度与土壤湿度的关系微波遥感分类主动微波遥感信号来源：系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波。构成：一部发射机，一部接收机，通常共用一幅天线。典型传感器：高度计、散射计和成像雷达。高度计和散射计的空间分辨率较粗。雷达（Radar–RadioDetectionandRanging）

非成像系统成像系统在海洋，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）侧视雷达微波遥感器类型微波遥感波段微波遥感波段：300MHz到300GHz（波长从1mm到1m）被无线电界划分为：甚高频(VHF)、特高频（UHF）、超高频（SHF）和极高频（EHF）。微波遥感波段波段名称频率区间（GHz)波段名称频率区间（GHz)P0.225—0.390K10.90—36.0L0.390—1.550Q36.0—46.0S1.550—4.20V46.0—56.0C4.20—5.75W56.0—100X5.75—10.90微波遥感波段地球资源应用中的常用波段：X,C，L波长增加，穿透能力增加。在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用到了机载天气探测雷达系统）微波遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。C波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。微波遥感基本概念微波的散射表面散射微波遥感基本概念微波的散射表面散射体散射微波遥感基本概念散射截面

指散射波的全功率与入射功率密度之比，可理解为雷达的全反射率，用有效散射面积表示。散射系数

指单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。特别是把表示入射方向上的散射强度的参数或目标每单位面积的平均雷达截面，称为后向散射系数。它除了与雷达系统参数有关外，主要取决与物体的复介电常数，表面粗糙度等。微波遥感基本概念雷达方程

雷达方程是描述雷达天线接收到的回波功率与雷达系统参数及目标散射特征的关系的数学表达式Wr为接收的回波功率；Wt为发射功率；G为天线增益；R为目标离雷达天线的距离；σ为目标的雷达散射截面；Ar为接收天线孔径的有效面积。微波遥感基本概念雷达方程此式第一项为地物目标单位面积上所接收的功率；乘以σ后，为地物目标散射的全部功率；再除以4πR2后，得地物目标单位面积上的后向散射功率，即接收天线单位面积上的后向回波功率。微波遥感基本概念雷达方程天线孔径的有效面积Ar可表示为：微波遥感基本概念雷达方程对于面目标σ0为后向散射系数；A为雷达波束照射面积，即地面一个可分辨单元的面积。则面目标的回波功率，用积分表示为！微波遥感基本概念多普勒效应指由观察者和辐射源（或目标与传感器）的相对运动，所引起的电磁发射频率与回波频率的变化。U为辐射源和观察者之间的相对速度；c为光速，即电磁辐射的速度；θ为辐射源－观察者间连线与运动方向的夹角场景的信息，例如目标物的高度，可以从雷达阴影中获取，阴影在雷达影像中是个重要的地形解译因子。AnexampleofanimagewithlayoveristhefollowingtakenbySEASATintheBrooksRangeinAlaska对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V”极化）U为辐射源和观察者之间的相对速度；t:pulsewidth目标离雷达天线的距离；高度计、散射计和成像雷达。当入射角达到90度的时候，透视收缩现象可以消除（但又会带来严重的阴影）。脉冲宽度t，则在一个脉冲宽度内，电磁波往返距离:微波散射与地物的介电常数的关系σ为目标的雷达散射截面；指单位截面积上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面。雷达是根据微波传播、接收的时差和多普勒变化以及回波的振幅、相位和极化方式来探测目标的距离及目标的物理性质。与地表发生作用后，极化状态可能改变。合成分辨率：DLs=bsR=D/2微波遥感极化极化：电波的振动仅在单一平面水平极化：电场振动方向平行于水平面（“H”极化）垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V”极化）RadarsystemscontrolthepolarizationofboththetransmittedandreceivedmicrowaveEMenergyFigure9.6fromJensen微波遥感极化HHorVVimageryarereferredtoas'like-polarised';HVorVHare'cross-polarised'.与地表发生作用后，极化状态可能改变。背向散射通常为两种极化的混合。传感器可以设计成只探测H或V极化的背向散射。依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种组合：HH、VV、HV、VH地物对微波的反射

散射镜面反射角反射地物对微波的反射

地物对微波的反射对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于背向散射强而显得亮。微波散射与表面粗糙程度的关系地物对微波的反射微波散射与入射角的关系地物对微波的反射微波散射与地物的介电常数的关系介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射率）。通常定义为物体电容与真空电容之比。自然界一般物体在干燥时，其介电常数在3~8之间，而水的介电常数接近80。岩石的介电常数差别很小，很难依据介电常数来区别不同的类型。介电常数增加，反射增加。土壤含水越多，反射越强。金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强。微波遥感器成像雷达（真实孔径雷达—RAR；合成孔径雷达—SAR）一般结构发射机转换开关天线接收机记录显示器脉冲发生器脉冲回波发射脉冲侧视雷达工作原理一个雷达成像系统，基本包括发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。由脉冲发生器，产生高功率调频信号；经发射器，以一定的时间间隔反复发射具有特定波长的微波脉冲；通过发射天线向飞行器的一侧沿扇状波束宽度发射雷达信号照射与飞行方向垂直的狭长地面条带，此波束在方位方向上窄，在距离方向上很宽；借助于发射、接收转换开关，再通过天线接收地面返回的能量；接收器将接收的能量处理成一种振幅/时间视频信号；这种信号再通过胶片记录仪产生图像。雷达是根据微波传播、接收的时差和多普勒变化以及回波的振幅、相位和极化方式来探测目标的距离及目标的物理性质。微波遥感器分辨率(1)

距离分辨率在垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力（所能分辨的目标间最小距离）。由脉冲宽度（脉冲持续时间）决定。微波遥感器地距分辨率Rg斜距分辨率Rsqd:Depressionangleq1:off-nadirangleRs:slant-rangeresolutionRg:ground-rangeresolutionC:speedoflightt:pulsewidthR:slant-range脉冲宽度t，则在一个脉冲宽度内，电磁波往返距离:2Rs=Ct微波遥感器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t<2Dr/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。微波遥感器（2）方位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。微波遥感器方位分辨率与天线大小、波长、距离有关，要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。微波遥感器微波遥感器合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar--SAR)特点：在距离向上，采用脉冲压缩(与真实孔径雷达相同)在方位上，采用合成孔径原理合成孔径基于多普勒效应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。q波源VV<<C微波遥感器实际波束宽度：b=l/D实际分辨率：DL=bR=Ls(合成孔径长度)合成波束宽度：bs=l/2Ls=D/2R合成分辨率：DLs=bs

R=D/2微波遥感器合成孔径雷达的方位分辨率与距离远近无关，因此可以用于高轨道卫星；分辨率的大小为小天线的一半，这将提供很高的分辨率。天线不能太小，因为合成孔径技术的基本原理是：小天线+信号处理=大天线缩小天线带来的一切技术问题都由星上的信号处理系统去解决，这对于星载的信号处理设备要求是很高的，使之技术复杂化。雷达图像的特点

目标物反射的回波强则影像呈浅色调，反射的回波弱则呈深色调。因此影像色调深浅与地物反射回波的强弱有关。但地物对微波的反射能量大小又与地物本身的导电率、表面粗糙度、入射波的角度以及极化波长等因素有关。入射角太小，距离分辨率低，入射角太大则镜面反射强，故目前大多采用10~50度入射。雷达图像的特点雷达图像的变形：因为雷达图像是根据天线对目标物的射程远近记录在图像上的，故近射程的地面部分在图像上被压缩，而远射程的地面部分则伸长。像片上呈正方形的田块，在雷达图像上往往被压缩成菱形或长方形。透视收缩(Foreshortening):有地形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在图像上被压缩，而另一侧则延长。由于透视收缩，导致前坡的能量集中，显得比后坡亮。顶底位移(Layover)：观测角度进一步减小时，斜坡顶部反射的信号比底部反射的信号提前到达雷达。在图像上显示顶部与底部颠倒。雷达阴影：有地形起伏时，背向雷达的斜坡往往照不到，产生阴影。斜距图像比例失真雷达测量的是斜距，雷达回波信号的间隔直接与相邻地面特征的斜距成正比。

导致目标点间的相对距离与目标间的地面实际距离并不保持恒定的比例关系，图像产生不均匀崎变。雷达图像的特点透视收缩（Foreshortening)雷达图像中的透视收缩使图像中面向雷达倾斜的地物特征出现压缩的现象。透视收缩导致这些斜坡显现出相对比较明亮当坡度垂直于雷达波束时透视收缩达到极点。此时，局部入射角为0，山底、斜坡和山顶同时成像，并因此在图像上处于同一位置。对于给定的坡度，可以通过增加入射角来减小透视收缩现象。当入射角达到90度的时候，透视收缩现象可以消除（但又会带来严重的阴影）。

局部入射角前坡情况后坡情况透射收缩百分比俯角坡度角9080706050403020100Fp(%)0.01.56.013.423.435.750.065.882.6100.0雷达图像的透视收缩，实际上是电磁波能量集中的表现，前坡的收缩比后坡严重，所以前坡的图像要比后坡“亮”，当整个坡度收缩成一点，图像最“亮”。透视收缩（1）透视收缩现象仅发生在距离向。（2）透视收缩是入射角的函数，入射角越小，透视收缩现象越严重雷达图像特点雷达图像上显示的透视收缩顶底位移（Layover)顶底位移是透视收缩的一种极端情况，它发生在雷达波束俯角与坡度角之和大于90度时。当斜坡上部的反射能量先于下部到达时，位置会发生颠倒。对于遥感图像，顶底位移在小的入射角更易发生，例如卫星。

当雷达波束的俯角与高出地面的目标的坡度角之和大于90度时，会出现顶底位移。俯角越大，出现layover的几率越高。雷达图像layover多是近距离现象，背坡不会产生layover.AnexampleofanimagewithlayoveristhefollowingtakenbySEASATintheBrooksRangeinAlaska阴影（shadow)影像上的雷达阴影表示地面上没有被雷达波照射到的区域。因为没有回波信号，影像上雷达阴影区显得非常黑。在影像上，雷达阴影发生在高目标背部的下部。当影像没有注明照射方向时，雷达阴影是个很好的指示器。因为入射角随着从近端到远端逐渐增大，地形照面变得更倾斜，因此，雷达阴影主要