微波遙感講課演示文稿-12-1

1、微波遙感微波遙感MICROWAVE REMOTE SENSING PART ISEASATSIR-A SIR-B SIR-CERS-1 ERS-2JERS-1RADARSATENVISATALOS我國(guó)發(fā)射環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座我國(guó)發(fā)射環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座2+2包括兩顆雷達(dá)衛(wèi)星包括兩顆雷達(dá)衛(wèi)星微波遙感空前發(fā)展微波遙感空前發(fā)展全天時(shí)全天時(shí)全天候全天候一定的穿透能力一定的穿透能力提供特殊信息提供特殊信息 海面形狀海面形狀, 海面風(fēng)速海面風(fēng)速, 土壤水分土壤水分提供相位信息提供相位信息 高程信息高程信息, 地形形變信息地形形變信息波長(zhǎng)與頻率波長(zhǎng)與頻率 c = f * l = 3 *108 米米

2、/ 秒秒 1mm 300 GHz 1m 0.3 GHz主動(dòng)與被動(dòng)工作方式主動(dòng)與被動(dòng)工作方式 成像雷達(dá)與微波輻射計(jì)不利之處不利之處影像幾何變形大影像幾何變形大, 處理困難處理困難不易解譯不易解譯與可見(jiàn)光紅外影像在幾何上很難一致與可見(jiàn)光紅外影像在幾何上很難一致尤其雷達(dá)影像尤其雷達(dá)影像電磁波基本特征電磁波基本特征疊加疊加 兩波相遇點(diǎn)上的物理量等于各個(gè)波的物理量之和兩波相遇點(diǎn)上的物理量等于各個(gè)波的物理量之和相干性相干性 兩波相遇時(shí)的特殊情況兩波相遇時(shí)的特殊情況 ( 相位相位 /相位差相位差 / 頻率頻率 / 振動(dòng)方向振動(dòng)方向 相同相同 ) 相干波相干波 矢量和矢量和 非相干波非相干波 代數(shù)和代數(shù)和 單

3、色波都是相干波單色波都是相干波衍射衍射 波與某些物體相遇時(shí)的情況波與某些物體相遇時(shí)的情況極化極化 ( 偏振偏振 ) 電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)振動(dòng)方向的變化趨勢(shì)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)振動(dòng)方向的變化趨勢(shì) 參考平面參考平面入射波方向和地表法線方向入射波方向和地表法線方向 水平極化水平極化 ( 振動(dòng)方向與參考平面垂直振動(dòng)方向與參考平面垂直 ) 垂直極化垂直極化 四種極化方式四種極化方式多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 發(fā)出時(shí)頻率發(fā)出時(shí)頻率 f 接收時(shí)接收時(shí) f 目標(biāo)朝向目標(biāo)朝向 f f 背離背離 f 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) 基態(tài)基態(tài) + 能量釋放能量釋放 ( 輻射輻射 ) 外來(lái)能量外來(lái)能量E = h*v 黑體與電磁輻射定律黑體與電磁輻射定律普朗克公式普

4、朗克公式 隨波長(zhǎng)不同的輻射變化隨波長(zhǎng)不同的輻射變化斯蒂芬斯蒂芬 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律 某一溫度狀態(tài)下的輻射總和某一溫度狀態(tài)下的輻射總和 ( 普朗克公式的積分普朗克公式的積分 ) 2 5 k 4W = T 4 = T 4 15 c2 h3 維恩定律維恩定律 輻射溫度越高輻射溫度越高 輻射量最大值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)越短輻射量最大值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)越短 ( 普朗克公式的微分普朗克公式的微分 )瑞利瑞利 金斯公式金斯公式 ( 普朗克公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)的表現(xiàn)形式普朗克公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)的表現(xiàn)形式 )微波與物質(zhì)的相互作用微波與物質(zhì)的相互作用大氣干擾大氣干擾 一般很小 主要在毫米波吸收中心波長(zhǎng): 氧 2.53mm和5.0

5、mm處 水 1.6mm和13.5mm處散射: 小于2.81cm 大雨、暴雨時(shí)M為含水量(每M3 1克)入射電磁波與地表面各類(lèi)地物的相互作用入射電磁波與地表面各類(lèi)地物的相互作用微波輻射計(jì) 吸收 發(fā)射成像雷達(dá) 反射 透射 散射反射地表平滑 極化方式與入射波相同關(guān)鍵是反射方向 散射地表粗糙 主要散射分量 保持相干特性關(guān)鍵是后向散射 一部分為同極化, 與入射波極化方式相同一部分為正交極化透射主要在長(zhǎng)波復(fù)介電常數(shù)小 較干燥 地物結(jié)構(gòu)疏松 如沙復(fù)介電常數(shù)大 則無(wú)透射 如水面、銅 折射 波的分解 T E （水平）TM（垂直）反射系數(shù)表達(dá)式說(shuō)明信號(hào)的不同 微分散射系數(shù)（和表面極化發(fā)射率）微分散射系數(shù)（和表面極

6、化發(fā)射率） 入射方向的功率密度 S0 （0 0 ） 地表A接收能量 S0 A 在（0 0 ）方向上的投影面上， 接收的能量 S0 A cos 0 散射方向 （s s ）距A 為R處的功率密度SS若漫反射 在以A為中心，距A為R的球面上的散射能量總和 強(qiáng)調(diào)入射方向（接收的信號(hào)主要在后向散射方向）地表A的微分散射系數(shù) 在入射方向上單位投影面積內(nèi)的散射率地表A單位面積散射系數(shù) = cos 散射截面 4R2SS /S0 物理意義: 目標(biāo)的散射 強(qiáng)度可用一表面面積度量表面極化發(fā)射率 地表A接收的能量 =散射出去的能量+吸收的能量 （發(fā)射能量）散射率 ij 入射極化 i 散射極化 j 表面極化發(fā)射率朗伯余

7、弦定律地表散射以地表實(shí)際單位面積散射系數(shù)表示，與入射角余弦和散射角余弦乘積成正比 0為與地表介電特性有關(guān)常量?jī)蛇呁?(= cos )從入射場(chǎng)和散射場(chǎng)概念圖出發(fā)，在半球內(nèi)積分，所有方向上相同。 頻率分配頻率分配非成像雷達(dá)非成像雷達(dá)散射計(jì) 強(qiáng)度后向散射系數(shù) 即定標(biāo)后的雷達(dá) 高度計(jì) 與測(cè)距雷達(dá)原理相同無(wú)線電地下探測(cè)器 低頻率波束 對(duì)于某些地物可穿透成像雷達(dá)成像雷達(dá)微波輻射計(jì)微波輻射計(jì)輸出電壓: 直流分量對(duì)應(yīng)輸入功率平均值 交流分量噪聲低頻(高頻已濾)微波輻射計(jì) 具體公式見(jiàn)第五節(jié)與雷達(dá)中的接收機(jī)不同a. 接收機(jī)噪聲功率 必須是高靈敏度（因此必須檢出 即檢出TREC） 雷達(dá)信噪比 1b. 自然輻射，各

8、波段都有，接收某一波段。 雷達(dá)發(fā)射和接收的為單波段。側(cè)視雷達(dá)側(cè)視雷達(dá) 短脈沖 信號(hào)之間必須相差一個(gè)脈沖長(zhǎng)度才能分開(kāi)來(lái) 距離向分辨力 以半個(gè)脈沖長(zhǎng)度計(jì)（脈沖長(zhǎng)度按時(shí)間算） 如米波波寬為10度量級(jí)厘米波波寬為幾度左右考慮雙程， Rs = d/2 雷達(dá)波頻率 S 波速回波頻率 (不同時(shí)段的相位差）從單位時(shí)間周數(shù)理解 多普勒頻率偏移 對(duì)于同一目標(biāo)的多普勒頻率帶寬 接收到同一目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間由頻率變化一周時(shí)間 （時(shí)間分辨率） 方位向分辨率即 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度與頻率變化一周時(shí)間乘積 BA:芭蕉RD:稻茬RC:水稻W(wǎng)T:水體天天 線線天線天線 輻射方向圖 方向( (,),)上上單位立體角輻射功率發(fā)射、接收皆如此主

9、要方向顯著歸一化輻射方向圖 能量大小相對(duì)估計(jì)方向系數(shù) 能量分布比例 輻射立體角 單位立體角 d =sin d d 輻射源與距它r 處的球面微分dA所開(kāi)成的立體角 方向圖立體角 可以理解為按每一個(gè)單位立體角的能量相對(duì)大小加權(quán)和近似表示為 為xz平面內(nèi)半功率寬度 天線有效面積 由波辨角 雷達(dá)方程雷達(dá)方程發(fā)射機(jī)將電磁能供給天線后，天線獲得的總功率為發(fā)射機(jī)將電磁能供給天線后，天線獲得的總功率為Pt天線將電磁波發(fā)射出去時(shí)，天線將電磁波發(fā)射出去時(shí)，進(jìn)入自由空間的電磁波功率為進(jìn)入自由空間的電磁波功率為 Po一部分能量一部分能量 Pl 在天線中耗散為熱能在天線中耗散為熱能輻射效率輻射效率 Po l = Pt

10、天線在某一方向天線在某一方向(,)上的增益上的增益 G(,) Sr(,) G(,) = Sri 天線輻射的功率密度天線輻射的功率密度 = 無(wú)耗各向同性天線輻射功率密度無(wú)耗各向同性天線輻射功率密度無(wú)耗各向同性天線輻射的總功率為無(wú)耗各向同性天線輻射的總功率為 Poi = 4r2Sri 實(shí)際天線輻射的總功率實(shí)際天線輻射的總功率由由 Sr(,) 在半徑為在半徑為 r 的球面內(nèi)積分得的球面內(nèi)積分得Po = Sr(,) r2 d = r2Sr(,)d 4 4 ( Po = Sr(,) dA , dA = r2 d)由于由于 Pt = Poi = Po/l ，故有，故有 (由由 Po = Sr(,) r2d

11、 ) Poi Po 1 Sri = = = Sr(,)d 4r2 4r2l 4l 4 4lSr(,) G(,) = = lD(,) Sr(,)d Sr(,)( 由由 = ) Sr(,)max天線輻射功率密度天線輻射功率密度 Sr 與天線輸入功率與天線輸入功率 Pt的對(duì)應(yīng)關(guān)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系 G(,)Po/r2 Pt G(,) Sr(,) = = 4l 4r2 ( 由由 G(,) = Sr(,) / Sri Sri = Po / 4r2l Pt = Poi = Po/l ) （考慮到散射回程，用不同字母表示功率）（考慮到散射回程，用不同字母表示功率）雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為 W W

12、t t , , 天線增益為天線增益為 G Gt t ，地物目標(biāo)在與天線相距地物目標(biāo)在與天線相距 R R 處接收到雷達(dá)球面波，處接收到雷達(dá)球面波， 則在地物目標(biāo)處單位面積上所接收的能量為則在地物目標(biāo)處單位面積上所接收的能量為 W Woror地物目標(biāo)在獲得能量后向雷達(dá)天線方向再散射回去地物目標(biāo)在獲得能量后向雷達(dá)天線方向再散射回去( 這里未計(jì)入大氣衰減的影響這里未計(jì)入大氣衰減的影響 、地物穿透、吸收、地物穿透、吸收。理想狀態(tài)的分析理想狀態(tài)的分析。 )如果其有效的散射面積為如果其有效的散射面積為，那么它的總的那么它的總的散射散射功率就應(yīng)為功率就應(yīng)為 Wt Gt Woe = 4R2回波同樣是球面波，是以

13、地物目標(biāo)為中心的球面波?；夭ㄍ瑯邮乔蛎娌?，是以地物目標(biāo)為中心的球面波。這樣這樣，在雷達(dá)接收天線處單位面積上的回波功率即為在雷達(dá)接收天線處單位面積上的回波功率即為 WWt tG Gt t 1 1 WWrr rr = = 4R 4R2 2 4 4RR2 2如果接收天線的有效面積為如果接收天線的有效面積為 Ar ，那么接收機(jī)所接收的回波的總功率為那么接收機(jī)所接收的回波的總功率為: Wt Gt 1 Wr = Ar 4R2 4R2 由最大方向系數(shù)由最大方向系數(shù) ， 考慮無(wú)耗天線考慮無(wú)耗天線 (一般說(shuō)來(lái)，雷達(dá)天線與發(fā)射天線是同一天線，一般說(shuō)來(lái)，雷達(dá)天線與發(fā)射天線是同一天線，故接收天線增益故接收天線增益 G

14、r 與發(fā)射天線增益與發(fā)射天線增益 Gt 是相等的，是相等的，它們與接收天線有效面積下波長(zhǎng)它們與接收天線有效面積下波長(zhǎng) 之間的關(guān)系是之間的關(guān)系是)所以，有所以，有 W t G 2 2 Wr = (4) 3 R 4 Wt Gt 1 Wr = Ar 4R2 4R2一般用地物單位面積的平均散射系數(shù)一般用地物單位面積的平均散射系數(shù)o (或地物單位面積的散射截面或地物單位面積的散射截面) 表達(dá)地物的散射特性表達(dá)地物的散射特性如果雷達(dá)波束照射到地物的面積為如果雷達(dá)波束照射到地物的面積為 A ，則地物目標(biāo)總的有效散射截面則地物目標(biāo)總的有效散射截面為為 = o A對(duì)于分布目標(biāo)的雷達(dá)方程為對(duì)于分布目標(biāo)的雷達(dá)方程為

15、 W t G 2 2 Wr = o A (4) 3 R 4 灰度方程灰度方程 分辨單元內(nèi)分辨單元內(nèi) 可能是同一地物可能是同一地物 可能是不同地物可能是不同地物 或同一地物或同一地物 不同狀態(tài)不同狀態(tài) 不同粗糙度的個(gè)體或樣本不同粗糙度的個(gè)體或樣本N個(gè)樣本個(gè)樣本 隨機(jī)分布的散射中心隨機(jī)分布的散射中心 (即即N個(gè)個(gè)獨(dú)立樣本獨(dú)立樣本) 于是有于是有 歸一化高斯隨機(jī)變量，即其均值為零，方差為歸一化高斯隨機(jī)變量，即其均值為零，方差為1 1。 W Wt tG G2 22 2 P Pr r = A(1 + R = A(1 + Rn n/N)/N)o o = K(1+R = K(1+Rn n/N)/N)o o

16、(4) (4)3 3 R R4 4 其中其中 W Wt tG G2 22 2 K = A (4)(4)3 3 R R4 4回波功率的大小由雷達(dá)接收機(jī)視頻輸出信號(hào)強(qiáng)度回波功率的大小由雷達(dá)接收機(jī)視頻輸出信號(hào)強(qiáng)度 I 表示表示即即 I = M Pr M 是接收機(jī)的傳遞函數(shù)。是接收機(jī)的傳遞函數(shù)。轉(zhuǎn)換為膠片密度轉(zhuǎn)換為膠片密度 D ，有有 D = lgI + lgk 為膠片的傳遞函數(shù)，為膠片的傳遞函數(shù)， k 為膠片和曝光時(shí)間有關(guān)的常數(shù)為膠片和曝光時(shí)間有關(guān)的常數(shù)D = lgo + lgM + lg K + lg k + lg(1 + Rn/ N) ( P ( Pr r = K(1 + R = K(1 + Rn n/N)/N)o o )D = lgo + lgM + lg K + lg k + lg(1 + Rn/ N) 令令 H = lgM + lg K + lg k 則則 D = lg o + lg(1 + Rn / N) + H這個(gè)方程表達(dá)