衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing14.1微波的特性4.2大氣對(duì)微波遙感的影響4.3微波遙感的天線4.4雷達(dá)方程和散射截面4.5合成孔徑雷達(dá)(SAR)的基礎(chǔ)衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1微波的特性SatelliteOceanicRemoteSensing2微波遙感利用波長(zhǎng)范圍：。特點(diǎn)：全天候觀測(cè)。目標(biāo)觀測(cè)量：頻率、多普勒效應(yīng)、極化（偏振）、后向散射（體散射、面散射）、海面風(fēng)、波向、浪高等。缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理復(fù)雜?；靖拍睿函B加原理、相干性（相干時(shí)間、相干長(zhǎng)度）、衍射、極化。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1.1微波的衰減4.1.2微波的輻射4.1.3微波的表面散射4.1.4微波的體散射4.1微波的特性SatelliteOceanicRemoteSensing3衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1.1微波的衰減SatelliteOceanicRemoteSensing4微波的衰減是由于穿過(guò)大氣時(shí)大氣分子的吸收和散射以及與大氣層中的物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用。大氣對(duì)微波的衰減程度：大氣成分及其物理性質(zhì)相關(guān)，如H2O、O2的吸收和其它大氣粒子（如雨滴）的散射；微波波長(zhǎng)負(fù)相關(guān)；云層：吸收和散射微波，也自身發(fā)射微波，成為一種噪聲，需要去除。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1.1微波的衰減SatelliteOceanicRemoteSensing5大氣分子造成的微波吸收

雨滴粒子造成的微波的衰減

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1微波的特性SatelliteOceanicRemoteSensing64.1.2微波的輻射地球表面除輻射可見(jiàn)光、紅外線以外，也輻射微弱的微波；黑體熱紅外—Plank定律；微波輻射—瑞利-金斯定律；微波遙感中，目標(biāo)稱(chēng)為“灰體”，用與之相同的具有等輻射率的黑體的熱力學(xué)溫度作為它的亮度溫度TB；海面亮度溫度TB；與海面真實(shí)溫度之間的關(guān)系：TB=eTs發(fā)射率e(,,i,s,Ss,u,)，觀測(cè)的天頂角、輻射計(jì)頻率、輻射計(jì)極化方式i

、海面真實(shí)溫度s

、海面鹽度Ss

、海面摩擦風(fēng)速u(mài)和風(fēng)向的函數(shù)；影響海水的發(fā)射亮度溫度的主因：海面粗糙度、泡沫，這在第2章中已經(jīng)詳細(xì)討論過(guò)。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1.2微波的輻射SatelliteOceanicRemoteSensing7平靜海面的發(fā)射率與入射角的關(guān)系衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)一些相關(guān)概念表面散射鏡面反射：相干成分散射：擴(kuò)散成分或非相干成分后向散射：反向傳感器方向的散射4.1微波的特性SatelliteOceanicRemoteSensing84.1.3微波的表面散射衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.1.3微波的表面散射SatelliteOceanicRemoteSensing9散射波與表面粗糙度的關(guān)系衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)多個(gè)散射體分布時(shí)的體散射介質(zhì)不均勻時(shí)的體散射4.1微波的特性SatelliteOceanicRemoteSensing104.1.4微波的體散射大氣、樹(shù)、土壤、水體、積雪等對(duì)微波都可能產(chǎn)生體散射；穿透深度δ：功率降低到1/e時(shí)的距離，衡量體散射；體散射強(qiáng)度：介質(zhì)體內(nèi)的不連續(xù)性、密度的不均勻性成正比；體散射角度：介質(zhì)表面粗糙度、平均相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)不連續(xù)性、波長(zhǎng)等相關(guān)；雷達(dá)接收的信號(hào)：與體散射強(qiáng)度和體散射體積的積成正比。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing11氧氣對(duì)微波的吸收水汽、氧氣的吸收；微粒（水滴如云霧、降水、冰粒、塵埃等）散射；云和降水的衰減等。大氣對(duì)微波的總衰減系數(shù)為：水汽對(duì)微波的吸收大氣粒子對(duì)微波的散射云和降雨的衰減作用衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)微波為長(zhǎng)波時(shí)：波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于大氣分子尺度，滿(mǎn)足瑞利散射規(guī)律；分子和云滴的散射可以忽略；考慮大氣的對(duì)微波輻射的發(fā)射和吸收。微波為短波時(shí)：微粒直徑大于波長(zhǎng)，米散射；波長(zhǎng)，水滴直徑時(shí)主要為吸收作用，影響因素為總的液態(tài)水含量和云滴溫度；波長(zhǎng)，水滴直徑（降水情況下）時(shí)主要為散射作用，瑞利散射規(guī)律不再適用。4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing12衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.2.1大氣中氧氣分子的微波吸收4.2.2大氣中水汽和云中液態(tài)水的微波吸收4.2.3云對(duì)微波的衰減4.2.4大氣中微波輻射傳輸模式4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing13衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)VanVleckP為氣壓（毫米汞柱）v為頻率（千兆）T為溫度（K）K為玻爾茲曼常數(shù)EN為能級(jí)，N=1,3,5,7,…,45SN為分子躍遷下平均偶極矩陣元素氣體分子對(duì)微波吸收和發(fā)射主要是分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷結(jié)果，氧分子為雙原子的線性分子，根據(jù)其特點(diǎn)，其微波吸收系數(shù)的公式：

4.2.1大氣中氧氣分子的微波吸收SatelliteOceanicRemoteSensing14衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)為共振線頻率共46條有表可查半譜線寬度4.2.1大氣中氧氣分子的微波吸收SatelliteOceanicRemoteSensing15衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)

水汽分子對(duì)微波吸收和發(fā)射主要也是分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷結(jié)果，它為三原子的非對(duì)稱(chēng)極性分子；其吸收主要處于遠(yuǎn)紅外和亞毫米波區(qū)，其中兩條位于微波波段，即和處，構(gòu)成了水汽分子在微波區(qū)的主要吸收特征；水汽分子的吸收在處為共振吸收，在其它高頻吸收為剩余吸收。4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing164.2.2大氣中水汽和云中液態(tài)水的微波吸收衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)頻率（GHz）溫度（K）水汽密度（g/m3）氣壓（mbar）水汽吸收系數(shù)4.2.2大氣中水汽和云中液態(tài)水的微波吸收SatelliteOceanicRemoteSensing17衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)可以看出，水汽吸收系數(shù)與水汽密度有關(guān)，成正比：近似地：平均路徑質(zhì)量吸收系數(shù)路徑上的積分總水汽含量4.2.2大氣中水汽和云中液態(tài)水的微波吸收SatelliteOceanicRemoteSensing18衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)云滴對(duì)微波的散射與吸收相比，一般可以作為瑞利散射處理，云的吸收比散射至少大一個(gè)量級(jí)，因此云的衰減系數(shù)可用吸收系數(shù)代替。云中液態(tài)水的吸收系數(shù)為：可近似表示為：其中，W為單位體積云中水含量，T為云滴溫度（K），L為θ路徑上的積分總水汽含量，Kcloud為云中水平均路徑質(zhì)量吸收系數(shù)。4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing194.2.3云對(duì)微波的衰減衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)有了上面計(jì)算得到的吸收系數(shù)，采用數(shù)值積分方法，可以模擬計(jì)算大氣微波輻射傳輸；從地面到大氣上界，可分為n層，各層的高度Zi,溫度Ti,氣壓Pi,吸收系數(shù)i，t(,i)為天頂角方向上地面到第i層的透過(guò)率：4.2大氣對(duì)微波遙感的影響SatelliteOceanicRemoteSensing204.2.4大氣中微波輻射傳輸模式衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)對(duì)于光學(xué)上薄的大氣層，輻射傳輸方程為：方向上大氣頂量溫海面發(fā)射率大氣外部的向下輻射透過(guò)率海面處大氣的向下輻射大氣頂層向上輻射海面溫度銀河噪聲(<1K,f>3GHz)宇宙背景輻射(3K)太陽(yáng)輻射4.2.4大氣中微波輻射傳輸模式SatelliteOceanicRemoteSensing21衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)大氣溫度為：海面上方高度為z處的大氣熱力學(xué)溫度大氣總的吸收系數(shù)4.2.4大氣中微波輻射傳輸模式SatelliteOceanicRemoteSensing22衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)天線：高頻電流－無(wú)線電波轉(zhuǎn)換器；天線主要用來(lái)發(fā)射和接收無(wú)線電波，互易且相互關(guān)聯(lián)；天線的類(lèi)型：喇叭天線（角錐、圓錐）：校正用天線；反射鏡面天線（拋物面、卡塞格林及其補(bǔ)償饋電型）：輻射計(jì)、散射計(jì)、高度計(jì)等；相控陣天線（多個(gè)單元天線構(gòu)成，包括線性、平面、曲面陣列）：SAR、真實(shí)孔徑雷達(dá)等。4.3微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing23衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)拋物面天線結(jié)構(gòu)圖

4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing24衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing25衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing26衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing27卡塞格侖天線原理圖衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing28衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing29衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing30真實(shí)孔徑雷達(dá)用的x波段波導(dǎo)管隙縫陣列天線

常見(jiàn)的微波遙感天線衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.1微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing31衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)雷達(dá)的輻射效率：發(fā)射功率輻射出去的那部分4.3微波遙感的天線SatelliteOceanicRemoteSensing324.3.2天線的特性天線孔徑是在天線上靠近天線的一個(gè)假想表面，孔徑上天線能量的分布確定了天線方向圖。天線的輻射方向函數(shù)：（θ,φ）表示方向。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)增益（和有效孔徑）輻射方向圖（包括波束寬度、旁瓣）阻抗（電壓駐波比）4.3.2天線的特性SatelliteOceanicRemoteSensing33天線的三個(gè)主要性能參數(shù)衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)表示某一天線與標(biāo)準(zhǔn)天線得到同樣功率時(shí)在同一方向上的功率密度之比，用來(lái)描述一副天線將能量聚集于一個(gè)窄的角度范圍（方向性波束）的能力。方向增益(方向性系數(shù))功率增益功率增益一般小于方向增益

4.3.2天線的特性SatelliteOceanicRemoteSensing341.天線增益衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.2天線的特性SatelliteOceanicRemoteSensing35天線的孔徑是它在與主波束方向垂直平面上的投影的實(shí)際面積。有效孔徑等于幾何孔徑與孔徑效率的乘積，表示一個(gè)均勻照射孔徑，該孔徑比實(shí)際的非均勻照射孔徑小，但具有相同的增益；有效孔徑是一個(gè)面積，它與入射功率密度相乘后可以給出天線的接收功率：

2.有效孔徑衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.3.2天線的特性SatelliteOceanicRemoteSensing36天線中輻射的電場(chǎng)的大小是依方向變化的，稱(chēng)為天線的指向特性，將這個(gè)指向特性用天線方向函數(shù)圖表示時(shí)叫輻射方向圖。3.輻射方向圖天線輻射平面方向圖示意圖衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)最常用的是半功率波束寬度（HPBW），輻射電磁場(chǎng)的大小從主瓣的峰值下降3dB的2個(gè)點(diǎn)之間的角度間隔。天線的波束寬度與天線孔徑的大小、孔徑上的振幅與相位分布有關(guān)。波束寬度因子的比例常數(shù)自由空間的波長(zhǎng)孔徑的尺寸4.3.2天線的特性SatelliteOceanicRemoteSensing374.波束寬度衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.4雷達(dá)方程和散射截面SatelliteOceanicRemoteSensing38后向散射（backscattering）雷達(dá)橫截面（RadarCross-Section，RCS）－標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)后向散射截面（normalizedradarcrosssection，NRCS）或后向散射系數(shù)－0衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)星載雷達(dá)的測(cè)量過(guò)程示意圖4.4雷達(dá)方程和散射截面SatelliteOceanicRemoteSensing39衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)式中：Pt（Watt瓦特）為雷達(dá)的發(fā)射功率，λ為波長(zhǎng)，R（m）為距雷達(dá)的距離，A（m2）為散射面的面積，Ae（m2）為天線接收能量的有效面積，G為天線增益，Pr（Watt瓦特）為接收功率。4.4雷達(dá)方程和散射截面SatelliteOceanicRemoteSensing40雷達(dá)方程（RadarEquation）的基本形式衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.4雷達(dá)方程和散射截面SatelliteOceanicRemoteSensing41校準(zhǔn)系數(shù)鏡面反射的貢獻(xiàn)

Bragg散射的貢獻(xiàn)

雷達(dá)方程的一般形式雷達(dá)方程的最終形式衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5合成孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing42雷達(dá)觀測(cè)海面示意圖基本概念多普勒效應(yīng)及雷達(dá)多普勒效應(yīng)多普勒頻率及其分辨率SAR距離分辨率和方位分辨率海面SAR成像的復(fù)雜性海面雷達(dá)散射及其成像模型海浪的雷達(dá)成像原理與理論長(zhǎng)波的軌道速度的影響傾斜調(diào)制粗糙度調(diào)制波浪運(yùn)動(dòng)和時(shí)間變化的作用參量相干作用的影響軌道速度的作用衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5合成孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing43寬度長(zhǎng)度距離分辨率方位分辨率雷達(dá)脈沖間隔傾斜距離分辨率入射角方位角方位角衛(wèi)星高度t-雷達(dá)脈沖持續(xù)時(shí)間（s）-散射雷達(dá)信號(hào)的多普勒頻（Hz）c-光速（ms-1）r-從衛(wèi)星到觀測(cè)區(qū)域的距離（m）D-天線孔徑衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5合成孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing44由觀察者和輻射源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的電磁輻射的頻率改變，就叫多譜勒效應(yīng)。如果輻射源和觀察者之間的距離縮小，接收信號(hào)的頻率‘就高于傳輸信號(hào)的頻率，導(dǎo)致正的多譜勒頻移d；如果輻射源和觀察者之間的距離增加，則有相反的效應(yīng)，多譜勒頻移是負(fù)的。當(dāng)輻射源和觀察者雖然相對(duì)固定但散射體或反射體運(yùn)動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生多譜勒效應(yīng)。4.5.1基本概念1.多普勒效應(yīng)及雷達(dá)多普勒效應(yīng)衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing45多譜勒效應(yīng)在遙感中用于觀察目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。它也是合成孔徑成像雷達(dá)利用的基本物理效應(yīng)，以獲得分辨率非常高的圖像。

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing46而B(niǎo)點(diǎn)所接收的電磁波頻率為：雷達(dá)接收到的回波頻率：安裝在衛(wèi)星上的合成孔徑雷達(dá)以一條很窄的波束向前下方的地球海表面發(fā)射頻率為0的電磁波。由于在照射區(qū)域B內(nèi)，總是存在一些不規(guī)則的地物起伏，而且衛(wèi)星與地球表面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故相對(duì)速度等于地速矢量υ在波束方向上的投影，即：波束指向衛(wèi)星前下方時(shí)，接收的頻率高于發(fā)射的頻率；同樣當(dāng)波束指向衛(wèi)星后下方時(shí)，接收頻率低于發(fā)射頻率。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing47多普勒頻率為相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差額：于是有：多普勒頻率分辨率：方位角的角分辨率：衛(wèi)星在采樣時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離2.多普勒效應(yīng)頻移和多普勒頻率分辨率衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing48雷達(dá)的距離分辨率指雷達(dá)在地面能夠分辨的最小距離。一般用δy表示，由發(fā)射雷達(dá)脈沖投影到海表面的長(zhǎng)度來(lái)確定，即：3.合成孔徑雷達(dá)的距離分辨率和方位分辨率SC代表衛(wèi)星與探測(cè)點(diǎn)之間的距離，AB代表沿雷達(dá)波束在地面的投影方向上能夠分辨的最小距離，即距離分辨率。入射角衛(wèi)星衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing49得合成孔徑雷達(dá)的方位分辨率為：方位分辨率取決于可以測(cè)定發(fā)射信號(hào)的多譜勒頻移所具有的精度。真實(shí)孔徑雷達(dá)的方位角分辨率為δx，它的值與雷達(dá)波長(zhǎng)（wavelength）λ和孔徑（aperture）D的比值有關(guān)，表示為：

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.1基本概念SatelliteOceanicRemoteSensing50利用多譜勒效應(yīng)的合成孔徑雷達(dá)的處理原理圖4.合成孔徑雷達(dá)的工作原理距離向上，與真實(shí)孔徑雷達(dá)相同，采用脈沖壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)高距離分辨率；方位向上，通過(guò)合成孔徑原理來(lái)改善方位分辨率；方位壓縮；平臺(tái)的速度和姿態(tài)對(duì)多普勒頻移有影響，會(huì)抵消合成孔徑效果，因此穩(wěn)定的平臺(tái)姿態(tài)和速度對(duì)SAR是非常重要的。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)海面無(wú)時(shí)不在運(yùn)動(dòng)，且其運(yùn)動(dòng)是非慣性、非線性的SAR傳感器本身運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)是形成“合成孔徑”的條件SAR平臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)中的電磁波海面波譜兩類(lèi)波的相互作用示意圖4.5合成孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing514.5.2海面合成孔徑雷達(dá)成像的復(fù)雜性“三動(dòng)”和兩類(lèi)波作用衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)復(fù)雜性主要表現(xiàn)在，即使是同一SAR系統(tǒng)對(duì)非常相似的海面成像，哪怕飛行方向稍微改變成像結(jié)果也大相徑庭。目前對(duì)SAR的成像理論的兩類(lèi)處理方法：基于電磁波散射理論和流體力學(xué)理論建立嚴(yán)密的理論模型基于SAR圖像的統(tǒng)計(jì)模型。4.5.2海面合成孔徑雷達(dá)成像的復(fù)雜性SatelliteOceanicRemoteSensing52物理和海洋學(xué)意義明顯，推理嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)用性差。實(shí)用性較強(qiáng)，物理意義不明顯衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5合成孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)SatelliteOceanicRemoteSensing534.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型自1978年SeaSAT發(fā)射以來(lái)，雷達(dá)圖象的成像機(jī)理并未完全掌握；在雷達(dá)圖像中，解釋成像兩種主要因素：①成像雷達(dá)的高分辨率能力（從幾十米到幾米）；②產(chǎn)生圖像的相干Doppler信息的應(yīng)用。雷達(dá)圖象是海面的本地相干散射截面變化的表征，三種重要的散射截面調(diào)制源：本地傾斜角、表面粗糙度、波的軌跡速度。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing54影響雷達(dá)成像的因素海浪的雷達(dá)成像長(zhǎng)波的軌道速度的影響傾斜調(diào)制：有人認(rèn)為它可以產(chǎn)生足夠大的后向散射變化使得能對(duì)海面成像。對(duì)雷達(dá)圖象與飛行方向有無(wú)關(guān)系還存在爭(zhēng)論。粗糙度調(diào)制波浪運(yùn)動(dòng)和時(shí)間變化的作用參量相干作用的影響軌道速度的作用衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing551.海浪的雷達(dá)成像原理與理論

海面的散射特征一般用組合模型解釋?zhuān)徽J(rèn)為天底附近入射角小于15°時(shí)鏡面散射（即幾何光學(xué)）占主導(dǎo)，而在大入射角時(shí)，Bragg型散射為主導(dǎo)。但是，在成像雷達(dá)實(shí)驗(yàn)中情況并不是如此，在分析雷達(dá)圖像特征時(shí)，海浪譜可以分為三個(gè)區(qū)域。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing56K=K1=2ksinθ（k為波數(shù)）：這是共振區(qū)，產(chǎn)生后向散射的波，對(duì)目前大多數(shù)成像雷達(dá)而言，λ≤2m，當(dāng)共振波長(zhǎng)λ=2π／K≤4／sinθm-1，是短重力波區(qū)。（2π／2r）＜K＜∞：這里r為雷達(dá)圖像分辨率，此時(shí)，雷達(dá)圖像上每個(gè)分辨率單元對(duì)應(yīng)后向散射截面與譜在該區(qū)內(nèi)所有可能的對(duì)應(yīng)的波面斜率貢獻(xiàn)有關(guān)。

K＜（2π／2r）：所有在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的波浪的波長(zhǎng)都大于分辨單元，因此，每個(gè)海浪都單獨(dú)地成像。該區(qū)域覆蓋了所有的涌浪，且本地風(fēng)速很大。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing57雷達(dá)圖象是表面后向散射截面的二維表示，解釋雷達(dá)圖像的兩個(gè)理論：均勻粗糙表面的坡度調(diào)制表面粗糙度調(diào)制衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing582.長(zhǎng)波的軌道速度的影響衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing59其中R為飛行線到分辨單元的垂直距離，υ為平臺(tái)速度，t為時(shí)間。這樣，如果存在速度Vp的調(diào)制，則Φ（t）就被調(diào)制，導(dǎo)致聚速效應(yīng)，甚至在表面為均勻散射元分布的情況下能夠產(chǎn)生圖像。對(duì)應(yīng)特定的分辨單元內(nèi)的景物，相位史為平臺(tái)速度的函數(shù)：衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing60本地入射角

雷達(dá)平臺(tái)上觀測(cè)方向的垂向夾角

3.傾斜調(diào)制對(duì)于海洋的一個(gè)微粗糙小區(qū)域，其一階歸一化雷達(dá)后向散射截面為：衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing61表面的復(fù)介電常數(shù)

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing62局部海表面傾角和傾角δ為長(zhǎng)波在邊長(zhǎng)為幾米的小面上的平均斜率：其中，和為波長(zhǎng)小于2倍雷達(dá)分辨率的所有波面傾斜。對(duì)所有可能和進(jìn)行積分可得：衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing63上式中P（tanδ1，tanφ1）是波長(zhǎng)小于2倍雷達(dá)分辨率的波浪的斜率的概率密度。海面斜率可用Gaussian近似：其中mpq為表面高程能譜的第（p，q）階矩。采用Pierson-moskowitz波數(shù)譜計(jì)算上式可得：衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing64可以推得短波長(zhǎng)的表達(dá)式：衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing65式中m2=m022，同樣值的mpq也可用于非方向譜或暴濤區(qū)，概率分布函數(shù)類(lèi)似于Valenzuela等人使用的。傾斜調(diào)制可以產(chǎn)生足夠大的后向散射變化使得雷達(dá)能對(duì)海面成像，基于這種理論，可以得出當(dāng)波浪的傳播方向平行于飛行方向時(shí)，雷達(dá)就可對(duì)海面成像。

衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing664.粗糙度調(diào)制模型長(zhǎng)波浪的軌道運(yùn)動(dòng)的水平分量造成的短波的變化導(dǎo)致了長(zhǎng)波的表面粗糙度調(diào)制。海面后向散射截面的調(diào)制很可能是傾斜調(diào)制和粗糙度調(diào)制的綜合作用的結(jié)果。這兩種因素能增加或減少依賴(lài)于照射幾何的后向散射調(diào)制量。衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論第一部分海洋遙感基礎(chǔ)第四章海洋遙感的微波基礎(chǔ)圖中V為相對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)P的速度；υ為平臺(tái)速度；時(shí)間起點(diǎn)t=0對(duì)應(yīng)P在90°角觀測(cè)時(shí)刻。4.5.3海面雷達(dá)散射及其成像模型SatelliteOceanicRemoteSensing