微波與微波遙感系統(tǒng)

遙感技術及應用成都理工大學地球科學學院左手（順時針）右手（逆時針）第三章微波與微波遙感

1、電磁波的基本特征與微波

電磁波具有波長或頻率，傳播方向，振幅和極化面四個基本物理。第一節(jié)電磁波理論與微波

1、電磁波的基本特征與微波

極化

水平極化指電場矢量與入射面垂直；垂直極化指電場矢量與入射面平行。

若發(fā)射和接收的都是水平極化（或垂直極化）電磁波，則得到同極化HH(或VV）圖像；若發(fā)射與接收的電磁波是不同極化的電磁波，則所得到的是交叉極化圖像（HV或VH）。

第二節(jié)：微波及其特點

1、微波微波是20世紀90年代發(fā)展起來的遙感技術；

微波是指波長在0.1mm~1000mm，頻率在300MHz~3000GHz范圍之間的電磁波，因為它的波長與長波、中波、短波比較起來要“微小”得多，所以稱為“微波”。第二節(jié)：微波及其特點微波波段劃分

BandWavelength,cmFrequency,GHzKa0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.0-1001.0-0.3Jensen,2000ResponseofAPineForestStandtoX-,C-andL-bandMicrowaveEnergy第三節(jié)：微波遙感及其特點

1、微波遙感

微波遙感就是利用某種傳感器接收地面各種地物發(fā)射或反射的微波信號，籍以識別、分析地物，提取所需的信息。第三節(jié)：微波遙感及其特點2、微波遙感分類

微波遙感設備按工作原理的不同，可分為兩大類，一類是主動遙感器，即探測設備主動發(fā)射微波信號，然后再接收被探測目標反射或散射的信號來感知被探測的目標。微波散射計、微波高度計、合成孔徑雷達（SAR）、真實孔徑雷達。

另一類是被動遙感，其工作原理類似于光譜探測設備，即采用高靈敏度的微波接收技術，接收目標本身微弱的微波輻射信號。微波輻射計。第三節(jié)：微波遙感及其特點2、微波遙感分類雷達（Radar)，其原意是“無線電探測和測距（Radiodetectingandranging)。雷達能夠測量距離、速度和方位等，從回波的強度可以識別目標的性質。散射計和高度計都是雷達的一種，屬于非成像的雷達。遙感用的成像雷達有活動天線系統(tǒng)雷達、真實孔徑側視雷達和合成孔徑側視雷達。第三節(jié)：微波遙感及其特點2、微波遙感分類活動天線雷達系統(tǒng)最常見的是旋轉天線雷達。通過天線的旋轉對四周進行成像探測，主要用于軍事偵察目的，如預警機等。

側視雷達是裝載在飛行器（飛機或衛(wèi)星）上，雷達波射向航向測面的成像系統(tǒng)，雷達每發(fā)射脈沖所照射的區(qū)域，隨著飛行器的運行，可以形成一個與航線平行的長條帶狀雷達圖像。第三節(jié)：微波遙感及其特點2、微波遙感分類

合成孔徑雷達：本世紀五十年代以來，為了提高雷達的分辨力，研制成功了孔徑雷達。合成孔徑雷達采用新的技術，其地面分辨率不再受制于飛行器飛行高度。

對于真實孔徑雷達，要提高空間分辨力，需增大天線尺寸，而對于合成孔徑雷達卻應縮小天線尺寸。第三節(jié)：微波遙感及其特點2、微波遙感分類雷達分為地基、機載、空載、艦載雷達，也可以根據雷達的工作頻段、無線類型、所用波形（連續(xù)波CW、脈沖PR）等不同特征進行分類；雷達根據其任務或功能分為：氣象雷達、截獲搜索雷達、跟蹤雷達、邊跟邊掃雷達、火控雷達、預警雷達等等。4、微波遙感的特點

（1）微波穿透云層、霧和雨雪，具有全天侯的能力4、微波遙感的特點

（2）微波對地物具有一定的穿透能力

波長越長穿透能力越強同一種土壤，濕度越小，穿透越深。4、微波遙感的特點

（3）可提供可見光和紅外遙感所不能提供的某些信息雷達遙感可以提供復數(shù)形式的數(shù)據，不僅包括地物反射、散射的回波強度信號，而且包括了回波的相位信息，可以進行干涉測量。第四節(jié)微波與物質的相互作用

1、微波與大氣

大氣衰減作用的程度與大氣成分及其物理性質有關，與電磁波長有關，一般電磁波頻率越高，大氣衰減作用越顯著，相反，頻率越低，或波長越長，大氣衰減可忽略不計。

大氣對微波的衰減作用主要有大氣中水分子和氧分子對微波的吸收，大氣微粒對微波的散射。

第四節(jié)微波與物質的相互作用

1、微波與大氣（吸收）不同波長時，氧對微波的吸收水氣的吸收譜線

氧分子對微波的吸收中心波長位于0.25cm和0.50cm，氧分子的吸收作用較強。一般可采用2.06-2.22mm,3.0-3.75mm,7.5-11.5mm,20mm以上的波長作為微波遙感的窗口。第四節(jié)微波與物質的相互作用

1、微波與大氣（散射）大氣微?？煞譃槿箢悾此危òㄔ旗F、霾和降水）、冰粒和塵埃。它們的散射因微粒大小和電磁波長的相對關系不同而異。

瑞利散射：凡微粒直徑比波長小得多時，散射截面積與波長的四次方成反比，即電磁波越短，散射越強；

米氏散射：當微粒直徑大于波長時，其散射截面積與波長的n次方成反比（其中n=0,1,2），這種散射稱為米氏散射。第四節(jié)微波與物質的相互作用

1、微波與大氣由水粒組成的云粒子一般直徑都很小，不超過100微米，比微波波長要小一兩個量級，故對微波的散射滿足瑞利散射，但這時候的散射作用比吸收作用小的多，一般可以忽略，故微波在非降水云層中的衰減主要是水粒子的吸收，其衰減系數(shù)KC為：

第四節(jié)微波與物質的相互作用

1、微波與大氣綜上分析，在1-300GHz的頻帶內，隨著波長越來越短，微波與大氣的相互作用有兩個重要轉變：

（1）大氣對微波能量傳輸?shù)乃p作用由很弱到很強；

（2）云層微粒和雨微粒的吸收和散射作用從極輕微到十分顯著。第四節(jié)微波與物質的相互作用

2、微波與地物入射電磁波與地表面各類地物發(fā)生相互作用的過程中，在地物表面產生鏡面反射或漫反射，并由透射或繞射進入表層以下，在部分或全部被吸收后，可能部分或全部再輻射出去。第四節(jié)微波與物質的相互作用

2、微波與地物斯涅爾定律（Snell‘sLaw）:即：光入射到不同介質的界面上會發(fā)生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一個平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關系：

其中，n1和n2分別是兩個介質的折射率，θ1和θ2分別是入射光（或折射光）與界面法線的夾角，叫做入射角和折射角。第四節(jié)：微波遙感系統(tǒng)主動方式掃描(圖像方式)非掃描(非圖像方式)微波散射計微波高度計激光光譜儀激光高度計被動型相控陣雷達激光測距儀微波輻射計真實孔徑雷達合成孔徑雷達

在陸地、海洋和大氣微波遙感應用中，常用的有效的傳感器包括下列:一、非成像微波傳感器1、微波散射計

一般能精確測量目標信號強度的雷達，都可稱之為散射計，大多數(shù)雷達在校準之后，都能做為散射計使用。一般散射計的組成包括：1）微波發(fā)射器；2）天線；3)微波接收機；4）檢波器和數(shù)據積分器。

其主要功能：測量目標的散射特性隨雷達入射角變化的規(guī)律，也可用于研究極化和波長變化對目標散射特性的影響。一、非成像微波傳感器2、雷達高度計

按定時系統(tǒng)的指令，發(fā)射機發(fā)出調制射頻波束，經轉換開關導向線，由天線將波束射向目標，然后由天線收集向天線方向發(fā)射或散射回來的那部分能量，再由轉換開關引向接收機，將反回的信號進行處理后提供輸出數(shù)據，以決定往返雙程傳播延時，因為傳播速度已知，由延時測量即可計算目標的距離。二、成像微波傳感器1、側視雷達(Side-LookAirborneRadar,SLAR)側視雷達S在飛機（或衛(wèi)星）飛行時間內向垂直于航向的方向發(fā)射一個很窄波束，這個波束在航向上很窄，在距離方向上很寬，覆蓋了地面上一個很窄條帶。二、成像微波傳感器2、側視雷達在航向上，所能分辨出來的兩個目標的最小距離稱為方位向分辨力。二、成像微波傳感器3、合成孔徑雷達

最初的合成孔徑雷達是五十年代初為軍方研制的，成果處于保密狀態(tài)達到十多年，直到六十年代后期才解密，雖然五十年代后期就開始使用“合成孔徑”一詞，但當時研制的時候叫做“多普勒波速銳化器”。二、成像微波傳感器3、合成孔徑雷達基本思想：用一個小天線沿一直線方向不斷移動，在移動中每個位置發(fā)射一個信號，接收相應發(fā)射位置的回波信號存儲下來，存儲時必須同時保存接收信號的振幅和相位。當天線移動一段距離L后，存儲的信號和長度為L的天線陣列諸單元所接收的信號非常相似。三、星載遙感系統(tǒng)1、Seasat-1Seasat-1是海洋研究系列雷達遙感衛(wèi)星的第一顆，發(fā)射于1978年6月27日，進入800km的近極地軌道。衛(wèi)星被設計成每36小時提供交替的白天和黑夜覆蓋，系統(tǒng)可以覆蓋大約95%的地球海洋范圍。

Seasat-1雷達遙感系統(tǒng)第一次實現(xiàn)了HH極化方式的空間L波段（23.5cm)數(shù)據獲取，它的掃描帶寬是100KM。

主要用于檢測全球海洋表面波場和極地海洋冰清。2、SIR-ASIR-A雷達遙感系統(tǒng)于1981年11月從航天飛機上發(fā)射，與Seasat-1相比，SIR-A的天線（9.4m)可以以一個較大的視角照射地球表面。SIR-A是一個只采用HH極化方式的L波段（23.5CM)的系統(tǒng)，成圖的寬度是50km,距離向與方位向分辨率都是40m。（光學記錄方式）

3、SIR-B發(fā)射日期持續(xù)時間/d標稱高度(km)波段極化方式視角/(0)相幅寬度/km方位分辨率/m距離分辨率/m19848225LHH15-6010-602515-45方位分辨率是25m，系統(tǒng)的距離分辨率是可變的，視角是600時候距離分辨率是15m,

150時候距離分辨率是45m。

可以研究在軌道上不同視角情況下的后向散射特性；可用于制作地形圖和生成數(shù)字高程模型。4、SIR-C主要用于海洋、生態(tài)系統(tǒng)、水文學、地質學和云雨：海洋特性：海洋表面波動，海洋表面的風力運動和洋流運動以及冰的特性和分類；生態(tài)特性：土地利用、植被范圍和類型、火災影響、洪水和森林砍伐。水文學：濕地條件、土壤濕度、雪和冰川的覆蓋；地質：地質結構制圖，土壤侵蝕和沉積，火山的變化.ALOSALOS衛(wèi)星是日本的對地觀測衛(wèi)星，ALOS衛(wèi)星載有三個傳感器：全色遙感立體測繪儀（PRISM），主要用于數(shù)字高程測繪；先進可見光與近紅外輻射計－2（AVNIR－2），用于精確陸地觀測；相控陣型L波段合成孔徑雷達（PALSAR），用于全天時全天候陸地觀測。發(fā)射時間：2006-01-24停飛使用時間：2011-04-22運載火箭：H-IIA衛(wèi)星質量：約4000KG產生電量：7000W設計壽命：3-5年軌道：太陽同步，高度691.65KM，傾角98.16°重復周期：46天重訪時間：2天數(shù)據速率：240MBPS(通過中繼星)，120MBPS（直接下傳）TerraSAR-X寬掃描成像模式(ScanSAR)、條帶掃描成像模式(Stripmap)聚焦成像模式(Spotlight)（1）寬掃描成像模式寬掃描成像模式(SC)即ScanSAR模式，該模式擁有較大的幅寬、較低的空間分辨率。通過雷達波束在數(shù)個連續(xù)的子觀測帶之間的轉換來實現(xiàn)大區(qū)域的觀測成像，實際獲取的觀測帶包含4個子觀測帶，其極化方式為單極化方式(HH或VV)，成像分辨率約為16m，數(shù)據采集范圍為15°～60°,景幅大小約為100km×150km。TerraSAR-X（2）條帶掃描模式

條帶掃描模式(SM)即Stripmap模式，這是最常用的成像模式。通過沿飛行方向固定天線指向來實現(xiàn)。天線的軌跡在飛行系統(tǒng)運行時照亮的區(qū)域表面形成一個條帶。其極化方式為單極化(HH或VV)、雙極化(HH/HH、HH/HV、VV/VH)和全極化(HH/VV/HV/VH)三種。相應地，其成像分辨率在單極化方式時為3m，在雙極化方式時為6m，數(shù)據采集范圍為15°～60°,全效率范圍為20°～45°,景幅大小在單極化方式時為30km×50km，雙極化方式時為15km×50km。TerraSAR-X（3）聚束成像模式

聚束成像模式(SL)即Spotlight模式，該模式下控制雷達天線在整個成像時段內，照射所要求的區(qū)域，其持續(xù)時間要比標準的條帶觀測時間長，這樣就能增加天線合成孔徑長度并因此增加方位分辨率。這也是TerraSAR-X的最高分辨率拍攝模式。其極化方式為單極化(HH或VV)和雙極化(HH/HV)。相應地，其成像分辨率單極化方式為1m(HS)，雙極化方式為2m(SL),數(shù)據采集范圍為15°～60°,全效率范圍為20°～55°,景幅大小在單極化方式時為10km×10km,雙極化方式時為5km×10km。TerraSAR-X

加拿大雷達衛(wèi)星系列目前包括2顆衛(wèi)星：RADARSAT-1、RADARSAT-2，RADARSAT系列衛(wèi)星由加拿大空間署(CSA)研制與管理。RADARSAT-1衛(wèi)星1995年11月發(fā)射升空，載有功能強大的合成孔徑雷達（SAR），可以全天時，全天候成像，為加拿大及世界其他國家提供了大量數(shù)據。RADARSAT-1的后繼星是RADARSAT-2衛(wèi)星，它是加拿大第二代商業(yè)雷達衛(wèi)星。RADARSAT-2衛(wèi)星于2007年12月14日發(fā)射。與RADARSAT-1相比，RADARSAT-2衛(wèi)星具有更為強大的功能。RADARSAT系列衛(wèi)星的應用廣泛，包括減災防災、雷達干涉、農業(yè)、制圖、水資源、林業(yè)、海洋、海冰和海岸線監(jiān)測。RADARSAT-1RADARSAT-1衛(wèi)星RADARSAT-1衛(wèi)星與其他衛(wèi)星有所不同，它在地方時早晚6：00左右成像。它裝載的SAR傳感器使用C波段進行對地觀測，具有7種成像模式（精細模式、標準模式、寬模式、寬幅掃描、窄幅掃描、超高入射角、超低入射角），25種不同的波束，這些不同的波束模式具有不同入射角，因而具有多種分辨率、不同幅寬。Co-fundedbyCanadianSpaceAgency(CSA)andMacDonaldDettwiler(MDA)DatacontinuityfromRADARSAT-1Missionduration:7years第五章：微波圖像特點及應用第四節(jié)：典型地物的散射特性

不同的地物具有不同的電磁波反射和輻射特性，表現(xiàn)在遙感圖像上具有不同的灰度或色調，而同一地物在不同波段圖像上的色調也不盡相同，正因如此，可以利用遙感圖像進行地物分析，識別地物，提取所需要的信息，掌握地物的波譜特征是十分重要的。第四節(jié)：典型地物的散射特性第四節(jié)：典型地物的散射特性

粗糙表面:絕大多數(shù)地物都可以認為是粗糙表面，只是粗糙程度不同，一般說