05第四章微波遥感

第四章微波遥感微波遥感分类被动微波遥感、主动微波遥感被动微波遥感信号来源：系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射的微波辐射（用亮温表示）。典型传感器：传感器一般为微波辐射计，辐射精度目前约1k，空间分辨率一般都在公里级(卫星遥感)或米级(航空遥感)。2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），无线电测距和定位。3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）。4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—10.905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）6微波遥感常用波段7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。8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）9微波遥感极化转变HHorVV称为通向极化，VH和HV称为垂直极化。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、VH10地物的微波辐射热扫描波段8-14

m300K黑体辐射曲线1

m10

m100

m1000

m1000mm被动微波光谱辐射波长（

）11地物的微波辐射传感器所接收的被动微波信号由很多来源的信号（发射的、反射的和透射的）所组成1目标的发射;2大气的发射;3地表的反射4从地表下的透射4132被动微波传感器12地物的微波辐射特点：辐射源多且微弱，需要很大面积的地表来提供能量，影像细节少；

来自地面的信号受大气干扰小；不同物体的微波发射率差别往往比红外波段发射率差别大（如海水的微波发射率一般为0.4，陆地的微波发射率为0.8）依据微波辐射鉴别地物波长范围：0.15~30cm频率范围：1~200GHz中心频率：1,4,6,10,18,21,37,55,90,157,183GHz13地物的微波辐射应用：植被与空地想比，植被表面的发射较低。而且当植被覆盖度增加时，微波辐射的水平极化和垂直极化的差别减小。

评估植被覆盖度。海洋水的微波辐射通常比较低，发射率随温度及盐分变化。

监测海冰，估计海温。土壤湿度液态水吸收微波辐射。因此，湿润的土壤的微波辐射主要来自表面薄层。对于干燥的土壤，微波辐射可以来自10倍波长甚至100倍波长深的地里。对于雪和冰，微波可以透过，我们可以获得被雪或冰覆盖的地物的信息。14地物的微波辐射北极地区海冰图。左图：冬季；右图：夏季利用被动微波遥感海冰15地物的微波辐射利用被动微波估计陆地及海洋温度美国南部陆地及墨西哥湾海水温度16地物对微波的反射

散射镜面反射角反射1718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，在雷达影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19地物对微波的反射微波散射与入射角的关系入射角：雷达入射波束与地表法线的夹角ERSSAR数据的入射角是

23o，适合探测海洋波浪及其他海洋表面特征。大的入射角可以增加林地及空地的对比度。同一地区不同的入射角可以形成立体影像。

20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。21植物对微波的反射冠层的背向散射与下列因素有关:散射几何

(specular---diffuse)散射体尺寸分布冠层下表面反射率叶面积

(densityofscatteringelementsperunitvolume)极化

(垂直极化的背向散射较强)行结构及方位冠层背向散射与极化的关系（

L-bandat1.5GHz,C-bandat5GHz,X-bandat10.5GHz）22土壤对微波的反射土壤的背向散射与下列因素有关:散射几何(specular---diffuse)雷达俯角（多数土壤近镜面反射）与土壤含水量正相关不同土壤湿度时背向散射的变化23水对微波的反射液体水的背向散射:

水的介电常数依赖于：温度——波长大于

10-15cm时,0摄氏度时的介电常数大于20度。波长——波长小于10-15cm时,介电常数迅速减小盐分——波长大于3-5cm时，纯的

H20比海水的介电常数更大雷达是倾斜照射，水面平静时，背向散射很小，雷达影像上通常很黑。但当波浪的尺度足够大时，影像也可以探测到。24冰对微波的反射冰的背向散射:冰的介电常数很低

(2.5-6.0)海冰的介电常数与盐分含量直接相关

(greatersalinity=greaterdielectricconstant)海冰的介电常数与温度直接相关

(highertemperaturesassociatedwithgreaterdielectricconstants)淡水冰的介电常数非常低，容易被雷达穿透可以识别冰下物质

(watervs

regolith)可以探测冰川内部结构25雪对微波的反射雪的背向散射:干雪的背向散射比湿雪更大波长较短时，雪的背向散射大，长波的背向散射小。

L波段基本看不到雪。对于干雪,雪水当量与背向散射有强的正相关。利用雷达制作雪水当量图必须选在夜晚

(sinceitiswetduringtheday)26微波背向散射的影响因素总的来说，背向散射需考虑以下因素:物体本身：物体表面的介电常数，常与湿度有很大关系；

几何因素：物体表面的粗糙度、倾斜度、

排列方向与雷达波束所成的方向；

下垫面类型（土壤、植被、人工建筑）；微波频率、极化方向和入射方向；27微波对物体的透射微波辐射透入物体的深度

，可表示为：c—真空中的光速；b—物体的导电率；

—物体的导磁率；

—电磁波的圆频率，

=2

f。金属有良好的导电性能，微波的穿透系数等于0。冰和雪是不良导体，因此微波能穿透冰和雪的覆盖，以探测冰、雪覆盖下的地面情况。28微波传感器类型

1、Microwaveradiometer（微波辐射计）测量微波区域地球的热辐射。强度与目标的温度与发射率、反射率及透射率有关。波长较短。由于能量较低，影像相对噪音大，空间分辨率低，解译复杂。可以测量视场中大气总的含水量，进行海—冰制图，估算其他海洋参数（比如表面风及降雨速率）2、Radaraltimeter（雷达测高计）非成像雷达垂直入射及接收高度可以从发射及接收脉冲的时间延迟来推断29微波传感器类型3、Microwavescatterometer（微波散射仪）非成像测量背向散射在两个或更多方向扫描地表（usuallybymultiplesensors）主要应用为测量海洋表面的风矢量（风向、风速，基本原理：海洋表面粗糙度的变化由风引起）。虽然不能成像，但也可以在很大的尺度上重建全球的风速图。30微波传感器工作原理成像雷达（真实孔径雷达—RAR；合成孔径雷达—SAR）RealApertureRadar,SyntheticalApertureRadar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雷达接收到的回波中，含有多种信息：如雷达到目标的距离、方位、雷达与目标的相对速度(作相对运动时产生的多普勒频移)，目标的反射特性等。31微波传感器工作原理过程(1)脉冲发生器产生微波脉冲(2)发射机(3)双向通讯器（转换开关）(4)方向天线把脉冲聚焦成一束(5)返回的脉冲被天线接收，发送到接收器，进行转换、放大为视频信号。(6)数字式记录或实时显示32微波传感器的分辨率(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。33微波传感器的分辨率地距分辨率Rg

斜距分辨率Rsqd:俯角（Depressionangle）q1:天底角off-nadirangleRs:斜距分辨率slant-rangeresolutionRg:地距分辨率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=Ct34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，则频率增加，需加大功率发射器，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。微波传感器的分辨率35微波传感器的分辨率

为脉冲宽度C为波速俯角大距离分辨力低36（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。微波传感器的分辨率37方位分辨力Pa

雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，称波瓣，但以一个方向为主，称为主瓣，其他方向辐射能小，形成副瓣，其中β角称波瓣角。要使雷达的方向性精确，就要尽量增大主瓣功率和减少波瓣角。波瓣角与雷达发射的微波波长λ成正比与雷达的天线孔径D成反比：β=λ/DPa=(λ/D)RR为距目标地物的距离。

发射波长越短、天线孔径越大、距离目标地物越近，则方位分辨力越高

38微波遥感方式与传感器以实际孔径天线进行工作的侧视雷达，称真实孔径侧视雷达。要提高这种雷达的方位分辨力，只有加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长。困难。例如，波长为3crn的雷达，其天线孔径4m，在200km高的卫星轨道上对地面进行探测，方位分辨力为1.5km。若要求方位分辨力达到3m，以便分辨出公路上的汽车，天线孔径就要求2000m。这样长的天线，无论对机载和星载都是不可能采用的。要解决途径：一是采用脉冲压缩技术，以缩短发射波长；二是用合成孔径天线代替真实孔径天线以缩短天线孔径。39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。提高微波传感器的分辨率的途径40微波传感器合成孔径雷达(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：41微波传感器_合成孔径原理合成孔径技术的基本思想，是用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动。在移动中选择苦干个位置，在每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号贮行记录下来。存储时同时保存接收信号的幅度和相位。当辐射单元移动一段距离Ls后，存储的信号和实际天线阵列诸单元所接收的信号非常相似。合成扎径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号，真实孔径天线则在一个位置上接受目标的回波。42合成孔径雷达在不同位置上接收反射波43微波传感器实际波束宽度：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/244对于合成孔径侧视雷达，其成像过程可分为两个阶段。首先，利用雷达相干波产生信息的雷达信号图像，如下图

(a)所示；然后通过光学(或数字)解码系统，将雷达信号变为实地图像(见下图(b))。信号图像上记录的是一系列衍射条斑，如a‘a

、b

b

等，每一条斑对应实地一个点(或一组等斜距的点)，条斑中虚线段的长度及间隔在解码后决定了像点在图像上的位置。当雷达运载工具的航速矢量

在运行中发生变化时，条斑的形状会发生改变，从而引起图像变形．所以对于合成孔径侧视雷达，应当把传感器的航行速度

=(

x

y

z)t

考虑到图像中去，并顾及它对图像变形的影响。45(a)估号图像的形成(b)实地图像的形成合成孔径侧视雷达的成像物理过程46SAR的特点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；方位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。47典型的微波遥感平台卫星：SAR，大多数卫星的常用传感器

(Seasat,ERS-1/2,JERS-1,RADARSAT)航天飞机：SIR-A,SIR-B,SIR-C/X-SAR48常见雷达卫星1_ERSEuropeanRemoteSensingSatellite,EuropeanSpaceAgency49ERS-1发射于

1991.07，

ERS-21995.04。ERS-1使用一个SAR传感器可以在各种天气状况下获取海洋、冰层和陆地的影像资料。

使用其它微波传感器探测各种海洋状态：洋面风、洋流、海洋冰、温度......近极轨太阳同步轨道。

主要面向海洋和海冰监测，由于携带有一个高分辨率微波成像仪，可以同时获取陆地和海滨影像。常见雷达卫星_ERS50ERS-2与ERS-1基本相同，附加有一个GOME传感器，由于监测全球臭氧层。

GOME（GlobalOzoneMonitoringExperimentinstrument）全球臭氧监测实验仪器ERS-1和2的轨道相同，ERS-2紧跟ERS-1轨道之后,并延迟一天。以此一前一后用SAR获取同一地区的干涉测量数据

，如此获取的数据一致性比单颗卫星35天的周期率要好.当前,只有ERS-2还在运行。

常见雷达卫星_ERS51ERS-1,2OrbitTypeSun-SynchronousAltitude782kmInclination98.5degPeriod100minRepeatCycle35days常见雷达卫星_ERS参数52ERSSARInstrumentCharacteristicsFrequency5.3GHz(109)(C波段)PolarisationLinearVVBandwidth15.55MHzPeakpower4.8kWAntennaesize10m×1mIncidenceangle23onominalSwathwidth100kmResolution30m(azimuth),26.3m(range)常见雷达卫星_ERS参数53RADARSAT,Canada常见雷达卫星_RADARSAT54RADARSAT属于加拿大空间局（CanadianSpaceAgency，CSA/CanadianCenterforRemoteSensing，CCRS），用于探测全球冰层、农作物、森林、地质状况数据。

由USANASA于1995年发射升空。

使用单一波段(C波段),该传感器的优越之处在于将其雷达波束在500km范围内自由控制。有户可以在35km—500公里的像宽和10—100m的分辨率范围内自由选择。俯角从不到20度—50度变化。常见雷达卫星_RADARSAT55RADARSATOrbitTypeSun-SynchronousAltitude798kmInclination98.6degPeriod100.7minRepeatCycle24days常见雷达卫星_RADARSAT参数56SAR(SyntheticApertureRadar):可以几种波束模式运行标准模式:七波束模式，入射角20—49deg,100km像宽，25m分辨率。宽幅模式:三波束模式（入射角随之变化）,150km像宽。最佳模式:五波束模式，50km像宽,10m分辨率。扫描模式:像宽300-500km，分辨率50—100m。自定义模式。

常见雷达卫星_RADARSAT传感器57RADARSATOperatingModesRADARSAT工作模式58MODEResolution(m)

Range×azimuth(m)LOOKSWidth

(km)INCIDENCEANGLE(◦)Standard25x28410020-49Wide-148-30x28416520-31Wide-232-25x28415031-39Fineresolution11-9x914537-48ScanSARnarrow50x502-430520-40ScanSARwide100x1004-851020-49Extended(H)22-19x2847550-60Extended(L)63-28x28417010-23RADARSATOperatingModes常见雷达卫星_RADARSAT工作模式59Frequency/wavelength5.3GHz(C波段)/5.6cmPolarisationLinearHHBandwidth11.6,17.3or30.0MHzPeakpower5kWAntennaesize15mx1.5mIncidenceangleModedependentResolutionModedependentRADARSATSARInstrumentCharacteristics常见雷达卫星_RADARSAT传感器参数60常见雷达卫星_JERS-1JERS-1(JapaneseEarthResourceSatellite),JapanJERS-1由NASDA(JapaneseSpaceAgency)发射于1992年.携带有一个L波段SAR和一个光学传感器，主要用于探测全球资源，并以此来建立全球观测系统。61JERS-1OrbitTypeSun-SynchronousAltitude568kmInclination97.7degPeriod96minRepeatCycle44days常见雷达卫星_JERS-1

62携带的传感器SAR(SyntheticApertureRadar)OPS(OpticalSensor)JERS-1SARInstrumentCharacteristicsFrequency1.275GHz(Lband)PolarisationLinearHHBandwidth15.55MHzIncidenceangle35onominalSwathwidth75kmResolution18m(azimuth,3looks),18m(range)常见雷达卫星_JERS-1

63USA

Seasat

是第一颗地球轨道卫星，设计用于地球海洋资源，随星携带有第一个

SAR。Seasat

发射于1978.06.28,轨道高度800km，倾角108deg。周期：102.8min。

SeasatSAR运行了105天，1978.10.10因电路故障结束任务。常见雷达卫星_SEASAT64SatelliteAltitude800kmRadarFrequency1.275GHz(L-band)RadarWavelength23.5cmSystemBandwidth19MHzTheoreticalResolutionontheSurface25m(azimuth)x25m(range)NumberofLooks4SwathWidth100kmAntennaDimensions10.74mx2.16mAntennaLookAngle20degreesfromverticalIncidenceangleonthesurface23degrees3degreesacrosstheswathPolarizationHorizontaltransmit,Horizontalreceive(HH)TransmittedPulseLength33.4microsecondsPulserepetitionfrequency(PRF)1463-1640HzTransmittedpeakpower1.0kWDatarecorderbitrate(ontheground)110Mbits/s(5bits/word)常见雷达卫星_SEASAT技术参数65航天飞机66SRTM组成：主雷达天线、桅杆、机外雷达天线（Outboardradarantenna）67由SRTM－C波段获取DEM再与TM图像叠加的结果68Eastern-centerTibet(Xizang,China)PerspectivewithLandsatOverlay,MountKilimanjaro,

Tanzania69雷达影像的特点

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