遥感传感器及其原理微波遥感与成像详解演示文稿

遥感传感器及其原理微波遥感与成像详解演示文稿目前一页\总数七十八页\编于十九点优选遥感传感器及其原理微波遥感与成像目前二页\总数七十八页\编于十九点3

微波波段的划分目前三页\总数七十八页\编于十九点常用雷达波段划分及命名微波波段毫米波厘米波分米波KaK,Ku,X,C,SS,L,P4目前四页\总数七十八页\编于十九点常见雷达卫星载波5卫星发射波段波长(CM)频率(GHZ)SEASAT1978L23.51.275SIR-A1981L23.51.278SIR-B1984L23.41.282SIR-C/X-SAR1994L/C/X23.5/5.8/3.1Lacrosse1988L、X23.5/3.01.278/10ALMAZ1991L103.1ERS-1/21991/1995C5.75.25JERS-11992L23.51.275RADARSAT-11995C5.75.25XSAR/SRTM2000C5.75.25ENVISAT2002C5.75.25ALOSPALSAR2005L23.51.275RADARSAT-22005C5.75.25COSMOSky-med2007X3.110TerraSAR-X2009X3.110目前五页\总数七十八页\编于十九点微波辐射的特征--叠加6当两列波在同一空间传播时，空间上各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）目前六页\总数七十八页\编于十九点微波辐射的特征—相干7由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电磁波称为相干波。电波天线正是利用电磁波的相干性制成的。正因为微波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光像片所没有的，也是对解译很有意义的信息。目前七页\总数七十八页\编于十九点微波辐射的特征--偏振与极化8极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，分为水平极化和垂直极化。目前八页\总数七十八页\编于十九点9HH-forhorizontaltransmitandhorizontalreceive,VV-forverticaltransmitandverticalreceive,HV-forhorizontaltransmitandverticalreceive,andVH-forverticaltransmitandhorizontalreceive.极化的概念和极化类型水平极化：电磁波的电场矢量与入射面垂直(入射波与目标表面入射波处的法线所组成的平面)。垂直极化：电磁波的电场矢量与入射面平行。目前九页\总数七十八页\编于十九点10同一地区同一波段不同极化的雷达图像存在着明显的区别。不同极化的图像就象不同波段一样可彩色合成。目前十页\总数七十八页\编于十九点目前十一页\总数七十八页\编于十九点目前十二页\总数七十八页\编于十九点微波辐射的特征--多普勒效应13电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。类似声波的多普勒效应。---（合成孔径雷达的工作原理）多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家爱德文·哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。目前十三页\总数七十八页\编于十九点14微波遥感的特点1）、能全天候、全天时工作2）、对某些地物具有特殊的微波特征：在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的比辐射率为0.99；而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。3）、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。4）、对海洋遥感具有特殊意义：适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测5）、分辨率较低，但特性明显。

目前十四页\总数七十八页\编于十九点15全天候/全天时工作能力CSX对云的透过性（全球日平均云层覆盖率为40%-60%）对雨的透过性（当波长大于3cm、大雨倾盆的地区、对微波影响很小）白天晚上工作目前十五页\总数七十八页\编于十九点一定的穿透性Surfacepenetrationcapabilities穿透深度与土壤湿度、频率、土壤类型的关系对干沙可以穿透几十米，对冰层能穿透100m左右LCX16目前十六页\总数七十八页\编于十九点17LandsatandSIR-AimagesofSelimasandsheet,N.W.Sudanpenetrationofclouds穿透性目前十七页\总数七十八页\编于十九点18

成像雷达是工作于微波波段，一方面大气对电磁波的衰减与电磁波有关，波长越长，衰减越小。（a）TM影像（b）SAR影像穿透性目前十八页\总数七十八页\编于十九点19SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）

ShuttleImagingRadar目前十九页\总数七十八页\编于十九点不同于可见光和红外的独特探测能力微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风场，海浪高度测量合成孔径雷达：内波，海底地形，海洋溢油，舰只潜航尾迹，相位变化测量20目前二十页\总数七十八页\编于十九点相位测量-合成孔径雷达干涉测量SRTM全球地形三维测量Landers地震同震形变场SoufriereHillsvolcano,Montserrat，UKLandersearthquake1992，《nature》目前二十一页\总数七十八页\编于十九点SRTM全球地形三维测量

航天飞机雷达地形测绘任务

ShuttleRadarTopographyMission2000年2月11日，11天生成全球80%陆地表面DEM（30m,16m）和SAR图像（30m），完成了人类有文明以来5000年未能完成的使命。目前二十二页\总数七十八页\编于十九点234B.2、微波传感器及原理目前二十三页\总数七十八页\编于十九点24微波遥感传感器分类主动方式被动方式1、雷达（侧视雷达）：成像2、微波高度计：不成像3、微波散射计：不成像1、微波辐射计：成像2、微波散射计：不成像微波散射计：测量地物的散射或反射特性微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。目前二十四页\总数七十八页\编于十九点25微波遥感传感器分类微波散射计

测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。组成：微波发射器、天线、微波接收机、检波器和数据积分器。测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波长变化的规律。只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可称做散射计。目前二十五页\总数七十八页\编于十九点散射计-小麦散射计-玉米散射计-海风散射计-积雪地基微波散射计应用实例

目前二十六页\总数七十八页\编于十九点27微波遥感传感器分类微波辐射计

微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力,其发射强度与自身的亮度温度有关。通过扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图,对地面物体状况的探测很有意义。亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。目前二十七页\总数七十八页\编于十九点FY-3微波辐射计目前二十八页\总数七十八页\编于十九点29侧视雷达

微波遥感传感器分类雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。侧视雷达在随飞行器前进过程中，向垂直于航线方向（距离向range）发射一个很窄的波束，这个波束在航行方向（方位向azimuth）上很窄，在距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄的条带。波束从飞行器较近的距离（近距点）照射到离飞行器较远的距离（远距点）。每个波束，由以一定时间间隔（脉冲宽度）的具有特定波长的微波脉冲组成。目前二十九页\总数七十八页\编于十九点30侧视雷达（SLR）工作原理

雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。目标由近到远地记录在显示器、胶片上。由于是距离成像，目标实际地面距离（地距）大于记录在显示器、胶片上的距离（斜距）。目前三十页\总数七十八页\编于十九点31侧视雷达（SLR）工作原理平台向前飞行，天线交替发射和接收雷达脉冲；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。目前三十一页\总数七十八页\编于十九点32侧视雷达（SLR）工作原理侧视雷达工作原理——有关术语A：飞行方向；B：天底方向E：方位向；D：距离向；C：扫描宽度A：入射角;B：视角;C：斜距;D：地距;φ：俯角目前三十二页\总数七十八页\编于十九点33侧视雷达（SLR）工作原理侧视雷达工作原理——距离分辨力Pg在侧视方向的分辨率—距离分辨率

Pg=c/2cos脉冲持续期(脉冲宽度)，俯角，c光速俯角越大，Pg越大，分辨率越低即：距离越近，距离向分辨率越低。A:近射程(nearrange);B:远射程(farrange)目前三十三页\总数七十八页\编于十九点34侧视雷达（SLR）工作原理目前三十四页\总数七十八页\编于十九点35目前三十五页\总数七十八页\编于十九点36侧视雷达（SLR）工作原理沿航线方向的分辨率—方位分辨率、沿迹分辨率

Pa=*R波束波瓣角，R天线到该像元的倾斜距离=/l,波长，l天线长度Pa=(/l)*R天线越长，Pa越小，方位分辨率越高β距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离合成孔径技术。方位分辨力Pa目前三十六页\总数七十八页\编于十九点对于一部机载雷达,假设其脉宽为100纳秒,飞行高度为5千米,天线波束宽度为3毫弧(也就是说其天线孔径长约为波长的300多倍,如对X波段雷达,波长为3cm,天线长为9m),可以算出斜距分辨率Rr约为15m,Ra方位向分辨率在45°角入射时为23m。将其装在飞行高度为500千米的卫星上,则方位向分辨率在45°角入射时退化为2.3千米。如果要通过减小天线波束宽来改善方位分辨率,在技术上是非常困难的,因此真实孔径雷达只能是机载的。Rr=(100×10-9×3×108)/2=15m

Ra=(3/900)×5000/cos45=23mQ?：为什么目前真实孔径雷达只能是机载的37目前三十七页\总数七十八页\编于十九点<==波束之脉冲时间τ越小，距离向分辨率越高，但τ太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比脉冲压缩技术如何提高雷达分辨率?理论上增加孔径D就可以提高方位向分辨率，但实际上难以实现，因为孔径的大小决定了天线几何尺寸的大小合成孔径技术<==38侧视雷达方位向分辨率Pa=(/l)*R侧视雷达地距向分辨率Pg=c/2cos侧视雷达斜距向分辨率Pr=c/2目前三十八页\总数七十八页\编于十九点39合成孔径雷达

合成孔径雷达与侧视雷达类似,也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元,每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。目的：提高微波影像在飞行方向的分辨率。微波遥感传感器分类--合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）原理：用一个短的天线产生长孔径天线的效果。即用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为L的天线阵列所接收的信号非常相似。目前三十九页\总数七十八页\编于十九点40微波遥感传感器分类--合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）基本原理：利用短的天线，通过飞行平台的移动及信号数据处理，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。目前四十页\总数七十八页\编于十九点41微波遥感传感器--合成孔径雷达原理SAR在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化。处理器针对不同的相位进行相移补偿（聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号。目前四十一页\总数七十八页\编于十九点理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：ra=l/2l为小天线的真实长度。微波遥感传感器分类--合成孔径雷达（SAR）42目前四十二页\总数七十八页\编于十九点434B.3、侧视微波图像几何特性斜距显示的距离压缩侧视雷达阴影侧视雷达透视收缩侧视雷达叠掩目前四十三页\总数七十八页\编于十九点距离压缩原理示意图斜距显示的近距离压缩雷达的地距与斜距图像距离分辨率：脉冲宽度、波速一定时，距离分辨率与雷达俯角或当地入射角有关。地距A=B=C，在斜距图像上

A1=Acos

a<B1=Bcosb

<C1=Ccos

c目前四十四页\总数七十八页\编于十九点侧视雷达阴影侧视雷达成像在距离向会产生雷达阴影。原因是：起伏地形的后坡雷达波束不能到达，没有回波信号，在图像相应位置出现暗区。有三种情况：1、地形后坡坡度小于雷达俯角：不会产生阴影2、地形后坡坡度等于雷达俯角：视后坡粗糙度如何3、地形后坡坡度大于雷达俯角：产生阴影目前四十五页\总数七十八页\编于十九点雷达阴影产生原理示意图123侧视雷达阴影目前四十六页\总数七十八页\编于十九点foreshortening侧视微波图像几何特性—透视收缩是面向雷达波束的斜面投影到斜距平面时距离压缩增强现象，归根结底还是距离压缩现象。透视收缩也称“前缩”，起伏地形的雷达影像山坡长度按比例计算后总比实际长度要短。侧视雷达透视收缩规律：雷达图像上前坡总是比后坡距离压缩明显，透视收缩表明较大的回波面积集中体现在较小的图像区域；在强度图像上，前坡比后坡明亮。当地入射角为零时，山顶、山腰、山底的回波集中到一点，出现最大透视收缩。图像的透视收缩比率与局部入射角θ有关。目前四十七页\总数七十八页\编于十九点48在陡峭山脉地区的侧视雷达图像上存在严重的forshortening现象。目前四十八页\总数七十八页\编于十九点出现Layover现象的原理Layover侧视微波图像几何特性—侧视雷达为距离成像，最早返回的信号记录在近距端，后返回的记录在远距端。在起伏地形成像，当坡度与雷达俯角之和大于90度时（即当地入射角为负时），山顶部分的回波比来自山脚部分的回波更早被雷达接收记录，从而使山顶影像“叠置”在山脚影像之前。目前四十九页\总数七十八页\编于十九点Layover现象非常严重侧视雷达为距离成像，最早返回的信号记录在近距端，后返回的记录在远距端。在起伏地形成像，当坡度与雷达俯角之和大于90度时（即当地入射角为负时），山顶部分的回波比来自山脚部分的回波更早被雷达接收记录，从而使山顶影像“叠置”在山脚影像之前。Layover侧视微波图像几何特性—目前五十页\总数七十八页\编于十九点514B.4目标微波特性目前五十一页\总数七十八页\编于十九点521）、分布型目标又称面目标。同一类物质组成、具有足够表面粗糙度的目标区域。回波中没有主导地物，形成“斑点”效应。地物目标的几种类型：

分布型目标、点目标、硬目标

有的地物如水面、雪地，尽管面积很大，但表面光滑，只会形成镜面反射，几乎无后向散射回波，不会形成斑点效应。目前五十二页\总数七十八页\编于十九点532）、点目标是指比分辨单元小得多的地物目标，也就是在一个像素所对应的地块内比较小的独立地物目标。它与地块内其周围地物不是一个类型，因此它的散射回波与周围地物的不一样，有时它的回波信号相当强，在整个地块的回波信号中占据了主导地位。目前五十三页\总数七十八页\编于十九点543）、硬目标是指是那种既不占有相当面积，又不限制在分辨单元之内的地物，其回波信号在图像上往往表现为一系列亮点或一定形状的亮线，大多数人工目标如桥梁、输电线、房屋等都属于这一类目标。它们的回波信号很强，其原因主要是：有与雷达波束相垂直的平面；有角反射效应；有相应于入射波频率的谐振效应；有合适指向的线导体。目前五十四页\总数七十八页\编于十九点55光斑目前五十五页\总数七十八页\编于十九点56光斑目前五十六页\总数七十八页\编于十九点Palm目前五十七页\总数七十八页\编于十九点584B.5雷达图像特性目前五十八页\总数七十八页\编于十九点影响雷达图像色调的因素雷达图像多是单波段图像，因此图像灰度及灰度空间变化是雷达图像信息的主要依据。雷达图像的灰度，是地物目标后向散射回波强度的表现形式，而地物后向散射通常以雷达后向散射截面积σ或后向散射系数σ0来表达。一般可以认为，σ0是雷达系统的参数波长λ，入射角θ，极化方式P和地物目标的参数方位角φ，复介电常数ε，表面粗糙度Г1，次表面粗糙度Г2，及不均匀介质中的体散射系数V的函数。目前五十九页\总数七十八页\编于十九点601)、表面粗糙度的影响

表面粗糙度指的是小尺度的粗糙度，即尺度比分辨单元的尺寸要小得多的地物表面粗糙度，它是由细小的物质如叶面、砂石等所决定的粗糙度。这是决定回波振幅的主要因素，其定量表示是地物表面起伏高差的均方根值h，一般这种粗糙度分为三种情况，即光滑表面、稍粗糙表面和十分粗糙表面。完全光滑的表面产生镜面反射，几乎所有的反射的能量都集中在以反射线为中心的很小的立体角范围内。暗色调。中等粗糙表面各个方向均有反射能量，漫反射或散射，回波较弱。灰色调。非常粗糙表面近各向同性散射，回波比较强。亮色调。粗糙度不仅取决于h，它还与波长和俯角(或入射角)有关。同一地表面，在波长较长时显得光滑，在波长较短时就被认为粗糙。目前六十页\总数七十八页\编于十九点在平滑表面A处，雷达波全部被反射，没有产生后向散射，在雷达图像上呈现黑色。在比较粗糙的B处，有部分后向散射被雷达天线接收，在图像上呈现明亮。目前六十一页\总数七十八页\编于十九点目前六十二页\总数七十八页\编于十九点63波长通过两个方面影响回波信号：波长不同，有效粗糙度不同->影响回波能量波长不同，复介电常数不同->影响目标反射能力和电磁波穿透力当波长为1cm时，大多数表面是粗糙面，当波长为1m时，很少表面是粗糙面。当波长为1cm时，穿透力很弱，当波长为1m时，对湿土穿透力为0.3m,而对干燥土壤穿透力为1m。2)、波长入射角的变化可改变分辨单元的面积A。入射角变化影响平均散射系数σ0（θ）3)、入射角目前六十三页\总数七十八页\编于十九点ERS-1'ssmallerlookangleof23degreescomparedtoJERS-1'slookangleof36degrees.目前六十四页\总数七十八页\编于十九点65组成地物目标的物质性质对雷达回波的影响是很大的，这一性质主要表现为复介电常数，一般说来，复介电常数越高，反射雷达波束的作用越强，穿透作用越小。复介电常数由表示介电常数的实部和表示损耗因子的虚部组成。所谓损耗因子是指电磁波在传输过程中的损耗或衰减，它与物质的传导率有关。4)、复介电常数复介电常数相对于单位体积的液态水含量呈线性变化。水分含量低时，雷达波束穿透力大，反射小，当地物含水量很大时，穿透力就大大减小，反射能量最大。在整个微波波段内，水的复介电常数量值变化范围为20-80，而大多数天然物质(植被，土壤，岩石，雪)的介电常数变化范围只有3-8，可见水的介电常数之高。目前六十五页\总数七十八页\编于十九点66雷达成像系统一般发射水平极化波，当与地表相互作用时，形成水平和垂直两个分量，可用不同的极化天线去接收，形成HH和HV图像；同样有VV和VH图像。粗糙表面同极化HH和VV没什么区别。光滑表面HH比VV回波信号可以低15dB。对于交叉极