華北理工微波遙感課件第2章 微波遙感系統(tǒng)

第二章 微波遙感系統(tǒng)一、非成像微波傳感器二、成像微波傳感器三、天線、雷達(dá)方程和灰度方程四、空間微波遙感系統(tǒng)五、輻射測量原理在海洋，陸地和大氣微波遙感應(yīng)用中，常用的有效的傳感器包括下列五種：（1）散射計(jì)（2）高度計(jì)（3）無線電地下探測器（4）微波輻射計(jì)（5）側(cè)視雷達(dá)非成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)第一節(jié) 非成像微波傳感器一、散射計(jì)(Scatterometer)

散射計(jì)是一種有源微波遙感器，散射計(jì)的功能是測量地物表面（或體積）的散射或反射特性。 它主要用于測量目標(biāo)的散射特性隨雷達(dá)波束入射角變化的規(guī)律，也可用于研究極化和波長變化對目標(biāo)散射特性的影響。微波散射計(jì)組成轉(zhuǎn)換開關(guān)天線發(fā)射機(jī)接收機(jī)窄波束帶通濾波器平方律空間檢波器積分器數(shù)據(jù)系統(tǒng)微波散射計(jì)組成（1）帶通濾波器是指將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)。（2）平方律檢波器是指檢波輸出電流或電壓與輸入電壓成平方關(guān)系，即與輸入功率成線性關(guān)系。平方律檢波器是一種常用的檢波器，常用于功率檢測。其主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。Globalwindspeedanddirectionareshowninthisimageusingrecentlyprocesseddataacquiredin1978bySeasat.Thecolorsrepresentwindspeedandthearrowsshowwinddirection.二、高度計(jì) 高度計(jì)是一種主動式微波測量儀，它具有獨(dú)特的全天時(shí)、長時(shí)間歷程、觀測面積大、觀測精度高、時(shí)間準(zhǔn)同步、信息量大的能力和特點(diǎn)。

二、高度計(jì) 衛(wèi)星高度計(jì)以海面作為遙測靶，它的回波信號攜帶有十分豐富的海面特征信息，可以測量出瞬時(shí)海面至平臺之間的距離、電磁波海面后向散射系數(shù)及回波波形。發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)換開關(guān)定時(shí)系統(tǒng)接收機(jī)距離測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)天線簡化的高度計(jì)的方框圖工作原理太空船利用一種激光高度測量器(MarsOrbiterLaserAltimeter)繪制的火星立體圖片衛(wèi)星高度計(jì)海面高度海面有效波高海面風(fēng)速大地水準(zhǔn)面海洋動力地形海洋地球物理應(yīng)用海洋動力學(xué)應(yīng)用海洋環(huán)境監(jiān)測海洋測深無圖區(qū)測繪海洋巖石圈結(jié)構(gòu)特性地球引力場模型改善海洋潮汐大尺度海洋環(huán)流研究中等尺度渦流旋研究大洋邊界流研究全球海平面變化厄爾尼諾與南方濤動海浪與風(fēng)速場海冰及極區(qū)冰蓋時(shí)間延遲海面回波波形強(qiáng)度用于“神舟”四號飛船的多模態(tài)微波遙感器由微波輻射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、雷達(dá)散射計(jì)三種模態(tài)儀器構(gòu)成。微波輻射計(jì)主要用于探測土壤溫度、土壤成分、海面溫度、大氣水氣含量等；雷達(dá)高度計(jì)可獲得海浪的有效波高、海洋環(huán)流等海洋動力學(xué)參數(shù)；雷達(dá)散射計(jì)可以測量海面風(fēng)速與風(fēng)向，用于海洋動力研究。三、無線電地下探測器

測量地下層及其分界 工作原理包括以下幾個(gè)方面

1）對某些地物，低頻波可以穿透其表面

2）探測器接收到的反射功率可以檢測出來

3）能實(shí)現(xiàn)足夠的距離分辨力第二節(jié) 成像微波傳感器一、微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)是一種用于測量物體微波熱輻射的高靈敏度接收機(jī)。它與一般的通信接收機(jī)相比具有以下兩個(gè)不同的特點(diǎn)：（1）微波輻射計(jì)的輸入信號是來自物體的隨機(jī)寬帶微波熱輻射信號，而一般的接收機(jī)接收的是相干窄帶信號。一、微波輻射計(jì)

（2）物體的微波熱輻射十分微弱，因而微波輻射計(jì)接收到的輸入功率，大約為幾個(gè)微微瓦，因此輸入信噪比一般只有十分之幾，而一般接收機(jī)都要求信噪比遠(yuǎn)大于1。一、微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)主要由收集微波輻射的天線、高靈敏度的寬帶接收機(jī)、絕對緯度基準(zhǔn)和記錄、顯示單元（或其他終端設(shè)備）等四部分組成。放大器平方律檢波器積分器顯示和記錄天線信號噪聲通過低噪聲放大，然后經(jīng)過平方律檢波產(chǎn)生輸出信號電壓。輸出信號電壓的平均值正比于檢波器輸入端功率。輸出信號在被記錄之前，經(jīng)低通濾波器和積分器平滑，輸出較為平滑的信號電壓。所以接收機(jī)的任務(wù)就是從輸出的總噪聲中檢測出由天線輸入的物體輻射信號噪聲。放大器平方律檢波器積分器顯示和記錄天線二、側(cè)視雷達(dá)1、一般結(jié)構(gòu)發(fā)射器轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示器接收機(jī)天線SS航跡向成像帶距離向90o雷達(dá)波束二、側(cè)視雷達(dá)雷達(dá)：radiodetectionandranging，RADAR側(cè)視雷達(dá)：side-lookingradar，SLRXYZXYZ陰極射線管圖像膠片斜距航高地距SAB123脈沖測距示意圖二、側(cè)視雷達(dá)2、脈沖（1）脈沖 脈沖是指電壓或電流的波形像心電圖上的脈搏跳動的波形。 脈沖的原意被延伸出來得：隔一段相同的時(shí)間發(fā)出的波的機(jī)械形式。 學(xué)術(shù)上把脈沖定義為：在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。

2、脈沖（1）脈沖 脈沖有間隔性的特征，因此我們可以把脈沖作為一種信號。 由此產(chǎn)生脈沖信號的定義：相對于連續(xù)信號在整個(gè)信號周期內(nèi)短時(shí)間發(fā)生的信號，大部分信號周期內(nèi)沒有信號。 脈沖信號可以是周期性重復(fù)的,也可以是非周期性的或單次的。2、脈沖（1）脈沖距離分辨率與俯角關(guān)系XYS二、側(cè)視雷達(dá)2、脈沖（2）脈沖寬度：脈沖的持續(xù)時(shí)間。通常用希臘字母τ表示。 脈沖寬度可以從幾分之一微妙到幾毫秒。二、側(cè)視雷達(dá)2、脈沖（2）脈沖寬度 脈沖長度（L）：脈沖在空間傳播時(shí)從其前沿到后沿的距離。 脈沖長度＝脈沖寬度×電磁波傳播速度二、側(cè)視雷達(dá)2、脈沖（3）脈沖重復(fù)頻率 脈沖重復(fù)頻率（PRF）是指雷達(dá)發(fā)射脈沖的速率，即每秒鐘發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)。通常用fr表示。二、側(cè)視雷達(dá)2、脈沖（4）脈沖周期 脈沖周期是指從一個(gè)脈沖開始到下一個(gè)脈沖開始之間間隔的時(shí)間，也稱脈沖重復(fù)間隔(PRI)，通常用T表示。

T=1/fr3、真實(shí)孔徑雷達(dá)（1）工作方式 雷達(dá)天線長度是實(shí)際長度，雷達(dá)波的發(fā)射和接收都是以其自身有效長度的效率直接反映到顯示記錄中。運(yùn)動平臺攜帶真實(shí)孔徑天線從空中掠過，由天線向平臺的一側(cè)或兩側(cè)發(fā)射波束并掃描地面。這些波束在平臺運(yùn)動的方向上是很窄的，而在垂直于平臺運(yùn)動方向上是延展的。3、真實(shí)孔徑雷達(dá)3、真實(shí)孔徑雷達(dá)3、真實(shí)孔徑雷達(dá)

雷達(dá)圖像中平行飛行航線的方向稱為方位向或航跡向，垂直于航行的方向稱為距離向。 雷達(dá)的分辨率定義在兩個(gè)方向：平行于雷達(dá)飛行方向的分辨率稱為方位向分辨率，垂直于飛行方向的稱為距離向分辨率。3、真實(shí)孔徑雷達(dá)（1）距離向分辨率 距離向分辨率指在脈沖發(fā)射方向上（距離向）能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。由脈沖寬度（脈沖持續(xù)時(shí)間）決定。3、真實(shí)孔徑雷達(dá)（2）距離向分辨率 距離向分辨率分為斜距分辨率和地距分辨率。 地距分辨率由脈沖寬度和波束視角所決定，要提高地距分辨率，則必須減小脈沖寬度和增大視角。但脈沖寬度過窄，則能量太小，不利于目標(biāo)的探測。距離向分辨率斜距R（1）距離向分辨率距離分辨率的物理含義：脈沖時(shí)間為t,兩個(gè)不同距離的目標(biāo)產(chǎn)生兩個(gè)回波，要使兩個(gè)回波不完全重疊，才能分清是哪一個(gè)回來的信號，必須有τ<2?r/C?

距離分辨率與距離無關(guān)。?

若要提高距離分辨率，需要減小脈沖寬度。?

脈沖寬度小，則S/N降低，需加大發(fā)射功率，造成設(shè)備龐大，費(fèi)用昂貴。?

目前一般采用脈沖壓縮技術(shù)來提高距離分辨率。脈沖壓縮技術(shù)

對寬脈沖進(jìn)行線性調(diào)頻調(diào)制,隨時(shí)間的變化頻率增加。接收時(shí)采用匹配濾波器對先收到的低頻信號進(jìn)行延遲，實(shí)現(xiàn)疊加增強(qiáng)，但脈沖寬度降低。脈沖壓縮技術(shù)3、真實(shí)孔徑雷達(dá)（3）方位向分辨率

由波束寬度與目標(biāo)的距離決定。波束寬度由天線大小及波長決定。dRRω方位向分辨率方位向分辨率與波長和觀測距離成正比，與天線孔徑成反比，因此，要提高方位向分辨率，須采用波長較短的電磁波和增大天線孔徑及縮短觀測距離。三、合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線組成。 由發(fā)射器產(chǎn)生的線性調(diào)頻脈沖經(jīng)放大后，饋送至天線發(fā)射出去，平臺做等速直線飛行并保持天線的指向穩(wěn)定，天線接收的地面回波信號，經(jīng)接收系統(tǒng)混頻、中放、相位檢波等一系列的信號處理后，再送入存儲器，存儲器的信號經(jīng)成像后形成雷達(dá)圖像。三、合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)是一種高分辨率相干成像雷達(dá)。高分辨率在這里包含兩方面的含義：即高的方位向分辨率，足夠高的距離向分辨率。它采用以多普勒頻移理論和雷達(dá)相干為基礎(chǔ)的合成孔徑技術(shù)來提高雷達(dá)的方位向分辨率，而距離向分辨率的提高則通過脈沖壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

三、合成孔徑雷達(dá)1、距離分辨率與真實(shí)孔徑雷達(dá)距離向分辨率相同。但由于真實(shí)孔徑機(jī)載雷達(dá)一般用短脈沖來實(shí)現(xiàn)距離向分辨率，而合成孔徑雷達(dá)通常用帶寬（脈沖頻率的變化范圍）為B的線性調(diào)頻脈沖來實(shí)現(xiàn)作用距離向的良好分辨率。三、合成孔徑雷達(dá)2、方位向分辨率 合成孔徑雷達(dá)與真實(shí)孔徑雷達(dá)主要差異在于合成孔徑雷達(dá)是利用合成孔徑原理來改善方位向分辨率。 合成孔徑天線是由實(shí)際上的小天線合成得到的概念上的系統(tǒng)。2、方位向分辨率多普勒效應(yīng)（Dopplereffect）:當(dāng)目標(biāo)與觀測者之間有相對運(yùn)動時(shí)，觀測者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，二者之差為多普勒頻移。互相接近時(shí)，頻率增加，遠(yuǎn)離時(shí)頻率減少。三、合成孔徑雷達(dá)2、方位向分辨率 合成孔徑技術(shù)的基本思想，是用一個(gè)天線沿一直線方向移動，在移動中每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號存儲下來。存儲時(shí)必須同時(shí)保存接收信號的振幅和相位。當(dāng)天線移動一段距離Ls后，存儲的信號和長度為Ls的天線陣列諸單元所接收的信號非常相似。2、方位向分辨率合成后的天線長度雙程距離差而導(dǎo)致的波束寬度為對應(yīng)的地面方位向分辨率為三、合成孔徑雷達(dá)2、方位向分辨率（1）方位向分百率與距離、波長無關(guān)（2）方位向分辨率與平臺飛行高度無關(guān)。（3）理論上方位分辨率是雷達(dá)天線真實(shí)孔徑長度D的一半。如ERS-1SAR天線長度為10米，理論上方位向分辨率能達(dá)到5米。第三節(jié) 天線、雷達(dá)方程一、雷達(dá)天線1、分貝（1）分貝的概念 分貝是對數(shù)單位式中：P1與P2是兩個(gè)被比較的功率電平一、雷達(dá)天線1、分貝（2）分貝的應(yīng)用 功率增益，描述功率電平增加的術(shù)語。 增益＝輸出功率/輸入功率 功率損耗，描述功率電平降低的術(shù)語。損耗＝輸入功率/輸出功率一、雷達(dá)天線2、天線 天線是在自由空間傳播的電磁波與在傳輸線中傳播的導(dǎo)波之間過渡的區(qū)域。按功能，可將其分為發(fā)射天線和接收天線。 天線互易性原理指出：同一天線用作發(fā)射或接收信號時(shí)，其性能不變。2、天線1）輻射方向圖

天線輻射能量的空間分布是空間位置或方向的函數(shù)，它可用天線方向圖來描述。在較窄的范圍內(nèi)天線的輻射強(qiáng)度很強(qiáng)，對應(yīng)這個(gè)角度范圍的窄立體角內(nèi)輻射出大部分天線的輻射功率，這部分天線波束稱為天線的主波束或者主瓣。隨著角增加相繼出現(xiàn)一些峰值和谷值，并且這些峰值和谷值隨的增加而減小，這些部分被稱為旁瓣，緊鄰主瓣的第一個(gè)峰形成的旁瓣成為第一旁瓣，其他為次旁瓣。的部分稱為背瓣。在極坐標(biāo)系上繪制的天線歸一化輻射方向圖在直角坐標(biāo)上繪制的天線歸一化輻射方向圖RadiationPatternSquareAntenna三維天線方向圖RadiationPatternCircularAntenna2）半功率波束寬度歸一化輻射強(qiáng)度為最大值一半所對應(yīng)的兩個(gè)方位角之間的角度定義為半功率波束寬度以分貝表示，則=0.5相當(dāng)于-3dB，因而半功率波束寬度也稱為3dB波束寬度。在直角坐標(biāo)系上繪制的天線歸一化輻射方向圖半功率波束寬度為第一零點(diǎn)之間的波束寬度此值表示主瓣的總寬度。所謂第一零點(diǎn)并不一定是輻射強(qiáng)度下降到零值之處。而是指在主瓣最大值兩側(cè)首先下降到最小值（谷點(diǎn)）的點(diǎn)，此點(diǎn)對應(yīng)的方位角為

,如果輻射方向圖是對稱的，第一零點(diǎn)之間的波束寬度為3）方向性系數(shù) 實(shí)際上天線在各個(gè)方向上發(fā)射的輻射強(qiáng)度是不同的，在主瓣內(nèi)集中了大部分輻射能量，并在某個(gè)方向上出現(xiàn)最大的輻射強(qiáng)度，為描述天線的這種特性，引入天線方向性的概念。

在某個(gè)給定方向天線的方向性系數(shù)用表示，它是這個(gè)方向上的歸一化輻射強(qiáng)度與空間內(nèi)歸一化輻射強(qiáng)度平均值的比值：4）有效面積天線孔徑上電場振幅和相位的分布狀況影響天線的最大方向性系數(shù)。以矩形孔徑天線為例，當(dāng)電場振幅和相位均勻分布時(shí)，天線孔徑的實(shí)際面積當(dāng)電場振幅分布不均勻時(shí)，最大方向性系數(shù)D0將小于振幅分布均勻的D0值

在非均勻分布的情況下，最大方向性D0由一個(gè)天線孔徑有效面積Aeff

確定天線的孔徑效率天線孔徑面積愈大，它具有更強(qiáng)的方向性（更窄的波束寬度）；孔徑效率低導(dǎo)致方向性變壞。但，孔徑效率愈高，天線的主波束效率將隨之下降，因而天線的方向性強(qiáng)與波束效率高之間有矛盾。5）增益供給天線的總功率為Pi，其中的大部分功率P0被輻射到空間，建立起具有某種輻射強(qiáng)度分布的輻射場，其余部分功率Pl以歐姆損耗的形式耗散在開線的各個(gè)部件中，將天線當(dāng)作一個(gè)有耗元件，則天線的輻射效率定義為

為了研究一個(gè)有耗天線的方向性，引入天線增益的概念。在某一規(guī)定方向上天線增益的定義是被測天線輻射的功率密度與相同供電功率下無耗各向同性天線輻射功率密度Sri的比值，則有被測天線輻射的總功率（在半徑為r的球面上對Sr求積分得到）無耗各向同性天線將供電功率全部轉(zhuǎn)化為輻射功率可以將增益函數(shù)與方向性系數(shù)聯(lián)系起來：由此可見，增益不僅表示天線的方向性特性，還計(jì)入天線的歐姆損耗，而方向性系數(shù)不計(jì)入歐姆損耗。從這個(gè)意義上講，無耗天線的增益就是它的方向性系數(shù)。當(dāng)已知供電功率和天線增益，可求出距離天線r處（滿足遠(yuǎn)場條件）的功率密度在最大輻射方向，最大增益是二、雷達(dá)方程

當(dāng)能量在空間向各個(gè)方向（各向同性）傳播時(shí)，把功率密度（單位面積的功率）定義為發(fā)射功率（PT）除以半徑為距離向距離（RT）的球面面積ThepowerdensityatadistantpointfromaradarwithanantennagainofGt

isthepowerdensityfromanisotropicantennamultipliedbytheradarantennagain.Powerdensityfromradar,

Anothercommonlyusedtermiseffectiveradiatedpower(ERP),andisdefinedas:ERP=Pt

Gt

當(dāng)主動微波能量到達(dá)目標(biāo)物，要考慮的參數(shù)就是目標(biāo)本身。目標(biāo)所截得的全部能量與目標(biāo)的接收面積（As）成比例，在所接收的能量中，一部分能量被吸收（），其它的被各向異性地發(fā)射回去（1-）部分增益朝雷達(dá)接收機(jī)返回的總功率在接收機(jī)處的功率密度目標(biāo)物與接收機(jī)之間的距離接收到的總功率雷達(dá)方程雷達(dá)散射截面，RADARCrossSection,RCS

定義:式中:E0是照射到目標(biāo)處的入射波的電場強(qiáng)度；Es是雷達(dá)所在處的散射波的電場強(qiáng)度；R是雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離。為了估算，RCS定義為接收機(jī)處的散射功率密度與目標(biāo)處散射功率密度之比。雷達(dá)散射截面系數(shù) 地物單位面積的散射截面第四節(jié) 空間微波系統(tǒng) ENVISAT衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間2002年3月1日（歐洲中部時(shí)間）軌道太陽同步，高度800公里軌道傾角98°單圈時(shí)間101分鐘重復(fù)周期35天一、ENVISAT衛(wèi)星星載儀器ASAR（先進(jìn)的合成孔徑雷達(dá)）MERIS（中等分辨率成像頻譜儀）AASTR（先進(jìn)的跟蹤掃描輻射計(jì)）RA-2（雷達(dá)高度計(jì)）其他：Michelson干涉儀微波輻射計(jì)（MWR）等SEASATSatellite

?Launched:28June1978?FirstspaceborneSAR?Operatedfor105days,shortcircuitendedmission?Designedforremotesensingoftheearth’soceans?42hoursofdatacollectedat110Mbits/secondSEASATImageofLosAngeles,1978

SEASATImageofDeathValley,1978

Seasatradarcanalsobeco-registeredwithLandsatimagery;partofaLandsatimageofdissectedAlleghenyPlateauinWestVirginia,seenaloneintheupperright,isheresuperimposedonaSeasatimagegivinganewimpressionofapparentreliefbyvirtueofthelighttonesintheforeshortenedforeslopes.

ShuttleImagingRadarSIR-A?BuiltfromspareSEASATparts?FlewonColumbiashuttleNovember12-14,1981?Usedprimarilyforgeologicalresearch?DemonstratedabilityforL-bandtopenetrateuptoseveralmetersof

hyperaridsand?Collectedover10millionkm2oftheearth’ssurfacein2daysShuttleImagingRadarSIR-B

?RefurbishedSIR-A?FlewonChallengerinOct.1984?DemonstratedL-bandsensitivity:-soilmoisture-geologicalstructuralandlithologic

features-oceanicdirectionalwavespectra?L-band,sameasSeasat&SIR-A?Equippedwithmo