海洋遙感ppt05海洋遙感的微波基礎

1、衛(wèi)星海洋遙感導論衛(wèi)星海洋遙感導論an introduction to satellite oceanic remote sensing第五章第五章 海洋遙感的微波基礎海洋遙感的微波基礎武漢大學武漢大學 遙感信息工程學院遙感信息工程學院第五章第五章 海洋遙感的微波基礎海洋遙感的微波基礎satellite oceanic remote sensing 微波：微波：1-500ghz (1-500ghz (頻率頻率) ) 或或0.3m-1mm (0.3m-1mm (波長波長) )反演海洋參量的頻率：反演海洋參量的頻率：1-90ghz1-90ghz對海洋遙感觀測的重要性：對海洋遙感觀測的重要性：海洋表面

2、的發(fā)射率和對大氣透射率不僅依賴于頻率，海洋表面的發(fā)射率和對大氣透射率不僅依賴于頻率，而且依賴于如大氣水汽和液態(tài)水、降雨量、海表面溫而且依賴于如大氣水汽和液態(tài)水、降雨量、海表面溫度和鹽度、風速、海冰類型及外延性等變量。度和鹽度、風速、海冰類型及外延性等變量。第五章第五章 海洋遙感的微波基礎海洋遙感的微波基礎satellite oceanic remote sensing 微波的特點微波的特點1. 1. 比比virvir有更高的透明度，尤其在有更高的透明度，尤其在1f10ghz1f10ghz的范圍，因此除的范圍，因此除了暴雨天微波儀器幾乎能全天候透過云和聚齊物觀測海洋表面。了暴雨天微波儀器幾乎能全

3、天候透過云和聚齊物觀測海洋表面。2. 2. 除太陽外，物體表面、大氣和地球外的輻射源的亮溫都低于或除太陽外，物體表面、大氣和地球外的輻射源的亮溫都低于或等于等于300k300k。在此種溫度下應用微波，瑞利。在此種溫度下應用微波，瑞利- -瓊斯接近普朗克原理瓊斯接近普朗克原理的應用。因此輻射傳輸方程可以以亮溫的形式來代替輻射率。的應用。因此輻射傳輸方程可以以亮溫的形式來代替輻射率。3. 3. 相對相對virvir來說，微波波長太長，意味著天線尺寸或光圈必須更來說，微波波長太長，意味著天線尺寸或光圈必須更大才能獲得相同的空間分辨率。由于發(fā)射工具的尺寸使主動微波大才能獲得相同的空間分辨率。由于發(fā)射工

4、具的尺寸使主動微波天線的直徑限制為天線的直徑限制為1-4m1-4m，所以微波分辨率限制在，所以微波分辨率限制在5-100km5-100km的范的范圍內。圍內。第五章第五章 海洋遙感的微波基礎海洋遙感的微波基礎satellite oceanic remote sensing 5.1 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線5.2 5.2 雷達方程和散射截面雷達方程和散射截面5.3 5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法5.4 5.4 成像雷達成像雷達天線：從自由空間電磁輻射傳播到沿發(fā)射線路向傳播波束天線：從自由空間電磁輻射傳播到沿發(fā)射線路向傳播波束轉換的區(qū)域轉換的區(qū)域；天線主要用來發(fā)射和接收無線電波天

5、線主要用來發(fā)射和接收無線電波 ，互易且相互關聯(lián)；，互易且相互關聯(lián)；天線的類型：天線的類型： 喇叭天線（角錐、圓錐）：校正用天線；喇叭天線（角錐、圓錐）：校正用天線； 反射鏡面天線（拋物面、卡塞格林及其補償饋電型）：反射鏡面天線（拋物面、卡塞格林及其補償饋電型）：輻射計、散射計、高度計等；輻射計、散射計、高度計等； 相控陣天線（多個單元天線構成，包括線性、平面、曲相控陣天線（多個單元天線構成，包括線性、平面、曲面陣列）：面陣列）：sarsar、真實孔徑雷達等。、真實孔徑雷達等。5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 5.1 微波遙感的

6、天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 拋物面天線結構圖拋物面天線結構圖 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 卡塞格侖天線原理圖卡塞格侖天線原理圖5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線s

7、atellite oceanic remote sensing 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 真實孔徑雷達用的真實孔徑雷達用的x x波段波導管隙縫陣列天線波段波導管隙縫陣列天線 5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 5.1 天線的特性天線的特性satellite oceanic remote sensing 常用的衛(wèi)星雷達天線常用的衛(wèi)星雷達天線視場內相對于天線的位置用視場內相對于天線的位置用xyxy坐標系統(tǒng)來表示，其中坐標系統(tǒng)來表示，其中x x軸軸指向距離向；

8、指向距離向；y y軸指向航跡向。在這個坐標系統(tǒng)中，航跡向軸指向航跡向。在這個坐標系統(tǒng)中，航跡向與衛(wèi)星的飛行方向一致，距離向與衛(wèi)星的飛行方向垂直，與衛(wèi)星的飛行方向一致，距離向與衛(wèi)星的飛行方向垂直，并且坐標原點位于衛(wèi)星的星下點。并且坐標原點位于衛(wèi)星的星下點。5.1 天線的特性天線的特性satellite oceanic remote sensing 常用的衛(wèi)星雷達天線常用的衛(wèi)星雷達天線1.1. 高度計是天底指向、拋物天線及圓形視場。其天線的半高度計是天底指向、拋物天線及圓形視場。其天線的半功率波束寬度為功率波束寬度為hpbw / d2.2. 側視的拋物天線其視場為橢圓形。側視的拋物天線其視場為橢圓

9、形。3.3. 矩形的側視雷達天線其長軸與飛行方向平行。這種天線矩形的側視雷達天線其長軸與飛行方向平行。這種天線結構主要應用于合成孔徑雷達結構主要應用于合成孔徑雷達sarsar。矩形天線在垂直軌。矩形天線在垂直軌道方向產(chǎn)生寬波束，而在沿軌道方向產(chǎn)生窄波束。道方向產(chǎn)生寬波束，而在沿軌道方向產(chǎn)生窄波束。4.4. 以散射計為代表的高縱橫比棒裝天線，這種類型的天線以散射計為代表的高縱橫比棒裝天線，這種類型的天線能夠產(chǎn)生長而窄的視場，并且視場的長軸與天線的長度能夠產(chǎn)生長而窄的視場，并且視場的長軸與天線的長度方向垂直，而短軸與天線的寬度方向垂直。方向垂直，而短軸與天線的寬度方向垂直。雷達的輻射效率：雷達的輻

10、射效率：發(fā)射功率發(fā)射功率輻射出去的那部分輻射出去的那部分5.1 微波遙感的天線微波遙感的天線satellite oceanic remote sensing 天線的特性天線的特性天線孔徑是在天線上靠近天線的一個假想表面，孔徑上天線能量天線孔徑是在天線上靠近天線的一個假想表面，孔徑上天線能量的分布確定了天線方向圖。的分布確定了天線方向圖。tradpp天線的輻射方向函數(shù)：天線的輻射方向函數(shù)： （ ,）表示方向。）表示方向。1,4,dddpddpppdsradsrad表示某一天線與標準天線得到同樣功率時在同一方向上的功率密度表示某一天線與標準天線得到同樣功率時在同一方向上的功率密度之比，用來描述一副

11、天線將能量聚集于一個窄的角度范圍（方向性之比，用來描述一副天線將能量聚集于一個窄的角度范圍（方向性波束）的能力。波束）的能力。 方向增益方向增益(方向性系數(shù)方向性系數(shù))功率增益功率增益功率增益一般小于方向增益功率增益一般小于方向增益 5.1 天線的特性天線的特性satellite oceanic remote sensing 1. 1. 天線增益天線增益dggrprg,4p42rmax2收到的總功率最大輻射功率密度2max24/4/4rpprgtd輻射的總功率最大輻射功率密度輻射的總功率率每立體弧度內的最大功5.1 天線的特性天線的特性satellite oceanic remote sens

12、ing 天線的孔徑是它在與主波束方向垂直平面上的投影的實際面積。天線的孔徑是它在與主波束方向垂直平面上的投影的實際面積。有效孔徑等于幾何孔徑與孔徑效率的乘積，表示一個均勻照射孔有效孔徑等于幾何孔徑與孔徑效率的乘積，表示一個均勻照射孔徑，該孔徑比實際的非均勻照射孔徑小，但具有相同的增益；徑，該孔徑比實際的非均勻照射孔徑小，但具有相同的增益；有效孔徑是一個面積，它與入射功率密度相乘后可以給出天線的有效孔徑是一個面積，它與入射功率密度相乘后可以給出天線的接收功率：接收功率： 2. 2. 有效孔徑有效孔徑24agdaaagmeed,42eirapp5.1 天線的特性天線的特性satellite oce

13、anic remote sensing 天線中輻射的電場的大小是依方向變化的，稱為天線的指向特性，將這天線中輻射的電場的大小是依方向變化的，稱為天線的指向特性，將這個指向特性用天線方向函數(shù)圖表示時叫輻射方向圖。個指向特性用天線方向函數(shù)圖表示時叫輻射方向圖。3. 3. 輻射方向圖輻射方向圖天線輻射平面方向圖示意圖天線輻射平面方向圖示意圖最常用的是半功率波束寬度（最常用的是半功率波束寬度（hpbw），輻射電磁場的大小從主瓣的），輻射電磁場的大小從主瓣的峰值下降峰值下降3db 的的2 個點之間的角度間隔。個點之間的角度間隔。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。天線的波束寬度與

14、天線孔徑的大小、孔徑上的振幅與相位分布有關。波束寬度因子的比例常數(shù)波束寬度因子的比例常數(shù)自由空間的波長自由空間的波長孔徑的尺寸孔徑的尺寸5.1 天線的特性天線的特性satellite oceanic remote sensing 4. 4. 波束寬度波束寬度dkhpbw/5.2 雷達方程和散射截面雷達方程和散射截面satellite oceanic remote sensing 對于單個目標的電磁脈沖散射，下圖顯示了天線結構、對于單個目標的電磁脈沖散射，下圖顯示了天線結構、目標物以及發(fā)射脈沖和回波信號的示意圖。目標物以及發(fā)射脈沖和回波信號的示意圖。雷達天線的視角假定指向目標物，天線的孔徑為雷達

15、天線的視角假定指向目標物，天線的孔徑為a，增益為，增益為g( , ,)，最，最大視角增益為大視角增益為g0；在；在t0時刻，雷達發(fā)射持續(xù)為時刻，雷達發(fā)射持續(xù)為 的電磁脈沖；脈沖信號與的電磁脈沖；脈沖信號與目標物相互作用后，經(jīng)過反射作用，返回一部分入射電磁波的能量。目標物相互作用后，經(jīng)過反射作用，返回一部分入射電磁波的能量。5.2 雷達方程和散射截面雷達方程和散射截面satellite oceanic remote sensing 假設雷達天線發(fā)射脈沖的輻射通量為假設雷達天線發(fā)射脈沖的輻射通量為t。在視角方向，在視角方向，發(fā)射功率的輻射強度發(fā)射功率的輻射強度i0為為i0 = g0t/4當沒有任何

16、電磁脈沖的能力穿透目標物時，目標物面積當沒有任何電磁脈沖的能力穿透目標物時，目標物面積at定義為目標物在于雷達視角方向垂直方向上的橫截面定義為目標物在于雷達視角方向垂直方向上的橫截面積，目標物向雷達方向的立體角積，目標物向雷達方向的立體角 定義為定義為 = at/r2假定假定 d，那么兩個目標物就可，那么兩個目標物就可以產(chǎn)生可區(qū)分的回波信號。這說明距離向最優(yōu)的分辨率以產(chǎn)生可區(qū)分的回波信號。這說明距離向最優(yōu)的分辨率x為為22sindcx 5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satellite oceanic remote sensing 脈沖重復頻率脈沖重復頻率雷達脈沖通常具有規(guī)則的重復周期雷達

17、脈沖通常具有規(guī)則的重復周期 p p。脈沖重復頻率。脈沖重復頻率(prf)(prf)定義為定義為prf = 1/prf = 1/ p p圖中，圖中，d dp p=c=c p p表示連續(xù)脈沖的間距，表示連續(xù)脈沖的間距，r r1 1為最小斜距，為最小斜距，r r2 2為最為最大斜距。為滿足第一個脈沖從距離雷達較遠區(qū)域的回波信號大斜距。為滿足第一個脈沖從距離雷達較遠區(qū)域的回波信號超前第二個脈沖從距離雷達較近區(qū)域的回波信號，需滿足：超前第二個脈沖從距離雷達較近區(qū)域的回波信號，需滿足：212(r)ppdcr用用prfprf表示，為表示，為212(rr )cprf 5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法sat

18、ellite oceanic remote sensing 多普勒效應多普勒效應當發(fā)射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的當發(fā)射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為多普勒效應多普勒效應，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為為多普勒頻移多普勒頻移。雷達發(fā)出的波的頻率為雷達發(fā)出的波的頻率為f f0 0 ，波長為，波長為 0 0，c c是介質中波的是介質中波的傳播速度傳播速度 ，則有，則有t0 = 0/c = 1/f05.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法

19、satellite oceanic remote sensing 1. 當雷達以速度當雷達以速度vs向目標運動，而目標靜止，那么目標向目標運動，而目標靜止，那么目標接收的頻率是多少？接收的頻率是多少？f = 1 / (/c) = f0*c / (c-vs)5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satellite oceanic remote sensing 2. 雷達靜止，而目標朝著雷達以速度雷達靜止，而目標朝著雷達以速度vr運動運動f = 1 / t = (c+vr) / c*t0= f0* (c+vr) / c雷達方面雷達方面目標方面目標方面5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satelli

20、te oceanic remote sensing 3. 雷達靜止不動，而目標朝著雷達以速度雷達靜止不動，而目標朝著雷達以速度v運動，同時，運動，同時，目標還會把雷達發(fā)射過來的波反射回去。目標還會把雷達發(fā)射過來的波反射回去。此種情況此種情況相當于：相當于：雷達靜止，雷達作為發(fā)射機發(fā)射電磁波，此雷達靜止，雷達作為發(fā)射機發(fā)射電磁波，此刻目標朝著雷達運動，使得波的頻率改變。接著，目標把電磁刻目標朝著雷達運動，使得波的頻率改變。接著，目標把電磁波反射回去，此時目標變成了運動的發(fā)射體，而雷達作為靜止波反射回去，此時目標變成了運動的發(fā)射體，而雷達作為靜止的物體接收這個電磁波。的物體接收這個電磁波。因此，雷

21、達接收的波的頻率為因此，雷達接收的波的頻率為f = f0* (c+v) / c *c / (c-v) = f0* (c+v) / (c-v)當波束指向衛(wèi)星前下方時，由于當波束指向衛(wèi)星前下方時，由于(c+v) / (c-v)1,則則f f0;當波束指向衛(wèi)星后下方時，當波束指向衛(wèi)星后下方時， f v，所以上式可以化簡為，所以上式可以化簡為02vfc 002vfffcv 5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satellite oceanic remote sensing 0002cos2vvfc 假定散射計以與衛(wèi)星航跡向成固定的傾斜角假定散射計以與衛(wèi)星航跡向成固定的傾斜角 觀測觀測地球表面，則地球表

22、面，則5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satellite oceanic remote sensing 由于地球表面一點相對于衛(wèi)星軌道的位置一般由觀測角由于地球表面一點相對于衛(wèi)星軌道的位置一般由觀測角 和和方位角方位角 來確定。來確定。cos/by r0sin/brr0cos = y/r由上式可得由上式可得coscos sin則多普勒頻率可表示為則多普勒頻率可表示為002cos sin /v 5.3 雷達的分辨方法雷達的分辨方法satellite oceanic remote sensing 多普勒頻率分辨率多普勒頻率分辨率方位角的角分辨率方位角的角分辨率2 sin 2 sin衛(wèi)星在采樣時

23、間衛(wèi)星在采樣時間內移動的距離內移動的距離st12sindxsdtx2sinst5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing 兩種星載成像雷達：兩種星載成像雷達：真實孔徑側視雷達（真實孔徑側視雷達（slrslr）合成孔徑雷達（合成孔徑雷達（sarsar）sar或或slr衛(wèi)星天線的尺寸一般是方位向衛(wèi)星天線的尺寸一般是方位向10m，距離向，距離向2m，側視入射角為側視入射角為20 50。星載星載sar的脈沖重復頻率為的脈沖重復頻率為1000-2000hz，頻率為，頻率為1-10ghz，相應的波長為相應的波長為3-25cm。當頻率小于。當頻率小于1ghz時，

24、雷達會受到電時，雷達會受到電離層的反射和吸收、地球輻射以及銀河系輻射的影響。當頻離層的反射和吸收、地球輻射以及銀河系輻射的影響。當頻率大于率大于10ghz時，雷達主要受到大氣吸收的影響。時，雷達主要受到大氣吸收的影響。5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing 下圖是側視雷達的矩形天線幾何關系圖和半功率視場下圖是側視雷達的矩形天線幾何關系圖和半功率視場fovfov。在距離向和方位向的半功率波束寬度分為在距離向和方位向的半功率波束寬度分為 、 。假設。假設天線高度為天線高度為h h，入射角為，入射角為 ，距離向的波束寬度，距離向的波束寬度xs可以表示

25、為可以表示為1/21/2221/201/2/cosh/cos/cossxrh w 方位向波束寬度方位向波束寬度ys表表示為示為1/201/2/ cos/ lcossyrhh 5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing 干涉雷達干涉雷達距離向干涉儀距離向干涉儀由兩個天線組成，這兩個天線的方位向相同，由兩個天線組成，這兩個天線的方位向相同，它們在不同的距離向上同時對相同區(qū)域進行觀測。這兩個它們在不同的距離向上同時對相同區(qū)域進行觀測。這兩個天線在距離向上相差的距離能精確得到，一般給定的距離天線在距離向上相差的距離能精確得到，一般給定的距離為米量級。為米量

26、級。第一種是天線第一種是天線a發(fā)射和接發(fā)射和接收，而天線收，而天線b只管接收，只管接收，反射的回波信號由兩個天反射的回波信號由兩個天線接收；線接收； 另外一種模式叫乒乓模式，另外一種模式叫乒乓模式，天線天線a發(fā)射，天線發(fā)射，天線a、b接接收，然后天線收，然后天線b發(fā)射，天發(fā)射，天線線a、b接收。接收。5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing 方位向干涉儀方位向干涉儀由兩個在相同軌道上的天線組成，它們在由兩個在相同軌道上的天線組成，它們在相同的位置、不同的時間對同一觀測區(qū)域進行觀測獲取相同的位置、不同的時間對同一觀測區(qū)域進行觀測獲取兩幅圖像。根據(jù)觀

27、測得到的每個像元的不同相位，可以兩幅圖像。根據(jù)觀測得到的每個像元的不同相位，可以分析得到徑向位移。分析得到徑向位移。5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing slrslr分辨率分辨率方位向分辨率方位向分辨率 為為slry1/200/ =/ cosslrsyyrrlh l 距離向分辨率距離向分辨率 為為/ 2sinslrxcslrx根據(jù)上式表明，當根據(jù)上式表明，當 角增加時，角增加時， 減小，減小， 增加。增加。slrxslry5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing 兩種極限情況兩種極限情況0和和/

28、2。 當當0時，靠近星下點，入射能量就會同時被反射，此時，靠近星下點，入射能量就會同時被反射，此時時 ， = 1/21/2h h ，此時，此時slr是無效的。是無效的。 當當/2時或入射角水平時，時或入射角水平時， c /2 /2 達到最小值，達到最小值， ，此時，此時slr是無效的。是無效的。這兩種極限情況之間，分辨率隨著這兩種極限情況之間，分辨率隨著 變化，因此變化，因此slrslr在兩在兩個方向的分辨率都有個方向的分辨率都有決定。要提高距離向的分辨率可以決定。要提高距離向的分辨率可以減小脈沖的寬度，但要提高方位向的分辨率只能增加天線減小脈沖的寬度，但要提高方位向的分辨率只能增加天線長度。長度。slrxslryslrxslry5.4 成像雷達成像雷達satellite oceanic remote sensing sarsar分辨率分辨率如果觀測表面的點相對于衛(wèi)星的位置定義為如果觀測表面的點相對于衛(wèi)星的位置定義為(x,y)，y y遠小遠小于于x， = y/x 定義為方位角與相對于距離向之比。入射輻定義為方位角與相對于距