雷達資料地物回波

1、地面和直升機載的散射儀和頻譜儀許多地面散射測量都采用安裝在吊車和直升機上的測量系統。它們中的絕大多數都是調頻-連續(xù)波系統6667，并采用大帶寬來獲取額外的獨立抽樣數據而非高分辨力。某些系統還采用非常大的帶寬來實現好的距離分辨力，以精確定位散射源68。此外，它們中的大多數都具有多種極化能力，因為正交極化的兩個接收信號的相位是可測的，某些還有測定極化方式的能力。調頻-連續(xù)波散射儀的基本組成如圖12.20所示。掃頻振蕩器須產生線性掃頻，用釔鐵石榴石（YIG）調諧振蕩器很容易實現線性掃頻，但若用變容二極管調諧則需要線性化電路。如果采用雙天線（如圖12.20所示），則必須考慮波束重疊問題69。人們有時也

2、采用具有環(huán)流器（隔離發(fā)射機和接收機）的單天線系統。由于環(huán)流器內部反射，以及發(fā)射機通過它時的泄漏，單天線系統的某些性能低于雙天線系統。 圖12.18 有限波束寬度對接近垂直入射 圖12.19 天線波束寬度對以入射角為的散射系數測量誤差的影響 函數的散射截面積的影響圖12.20 調頻-連續(xù)波散射儀射頻部分的基本框圖圖12.21和圖12.22示出調頻-連續(xù)波散射儀的兩種控制和數據處理方法。圖12.21為普通的距離跟蹤散射儀框圖。當雷達和目標間的距離改變時，如用固定雷達觀測海面或將雷達放置在直升機上，該系統能用于測量地面的散射系數。若散射儀放置在吊車上則不需距離跟蹤儀。但由于距離隨著入射角的變化而變化

3、，因而這種方法也是很方便的。圖12.22示出一種能在一定空域內測量散射系數的系統。通過分析回波的頻譜，使用者可獲得不同距離地面的散射系數。該系統已經用于確定植被2527和雪地上的散射源。圖12.21 調頻-連續(xù)波距離跟蹤散射儀的基本框圖：控制和數據處理系統圖12.22 調頻-連續(xù)波距離識別散射儀的基本框圖：控制和數據處理系統超聲波在水中的傳播可用于模擬電磁波在空氣中的傳播7072。由于傳播速度不同，1 MHz音頻對應的波長為1.5 mm。對很多仿真測量來說，這個波長很方便。而且，1 MHz頻率范圍內的設備操作起來在很多方面比微波范圍內的設備容易。顯而易見，這種設備比波長為1.5 mm的微波設備

4、操作簡單而且經濟。音頻平面波和電磁平面波滿足相同的邊界條件。若散射表面不是平面以及當入射角相當傾斜時，聲波和電磁波之間的模擬則是無效的。由圖像測得的散射系數實際孔徑或合成孔徑雷達產生的雷達圖像可用于散射系數的測量。但令人遺憾的是，大多數的這些系統都是未校準的，因而，它們的結果都或多或少包含不確定因素，甚至在不同時間采集的數據也可能不同。在某些系統中已引入了相對校準1218207375。絕對校準（在某些場合下可能是相對的）可通過使用強參考目標（具有ARC轉發(fā)器則更好）來實現76。另一種方法則是，用地面或直升機載的已經校準過的系統測量各參考區(qū)域的散射系數，然后將雷達圖像與這些測量值進行比較7377

5、。雙基地測量當發(fā)射機和接收機分置時，地物回波的測量比較罕見。這些測量很難在飛機上進行，這是由于發(fā)射機和接收機天線必須同時觀察同一地面，并且信號必須與已知的天線視角相關。此外，回波的極化方式難于確知，兩個天線波束共同照射區(qū)域的精確尺寸和形狀有時也難以確定。基于這些原因，文獻中極少報道過從飛機上對地面所做的雙基地測量78。水道試驗站（Waterway experiment station）24和俄亥俄州立大學24利用電磁波在實驗室中做過雙基地測量，堪薩斯大學71利用聲波在實驗室中也做過同樣的測量。貝爾電話實驗室做過激光輻射雙基地測量79?？八_斯大學還完成了建筑物C波段雙基地測量80。由于天線方向性

6、的問題，絕大部分雙基地電磁測量都是前向散射的，也就是說，接收機、發(fā)射機、目標都處在同一垂直平面內。聲波測量和光學測量較容易在較寬的角度范圍內進行，并且人們已經完成了固定的入射角的測量，其散射方向覆蓋整個半球。由于發(fā)射機功率和接收機靈敏度都必須采用絕對基準，所以在實驗室外進行雙基地測量時，需要增加復雜的校準。然而，在實驗室中則可利用和單基地測量類似的方法。12.6 散射系數的通用模型（雜波模型）20世紀70年代，人們基于散射測量提出一些關于大面積反射地面的平均后向散射模型。特別是，它們包括美國空間實驗室輻射計-散射儀（RADSCAT）83的測量和堪薩斯大學車載微波有源頻譜儀（MAS）81的測量。

7、在相同數據的基礎上，人們提出了兩個不同的模型，一個是線性模型，另一個則是用更加復雜方程描述的模型。在此僅給出線性模型。這些模型都是用于計算平均散射系數的，而且模型不包含系數在平均值周圍的變化。但是，通過分析航天飛機成像雷達B（SIRB）的數據，人們可估算不同大小照射面積所對應的散射系數的變化。人們掌握不同入射角上雷達后向散射的一般特性已經有幾十年了，如圖12.23所示。對于類極化波（Like-polarized waves）而言，散射可分為三種角度區(qū)域：接近垂直區(qū)（準鏡面反射區(qū)）；1580的中間角度區(qū)（平穩(wěn)區(qū)）；接近擦地入射區(qū)（陰影區(qū)）。交叉極化散射沒有獨立的準鏡面反射區(qū)和平穩(wěn)區(qū)，它的平穩(wěn)區(qū)延

8、伸到垂直區(qū)，并且由于散射系數太小以至于無法確定是否存在陰影區(qū)。圖12.23 散射系數隨入射角變化的一般特性（引自參考資料21）幾乎每一種地形的測量數據都十分符合下面的形式： （12.23a）或 （12.23b）式中，值Ai和qi在接近垂直區(qū)和中間區(qū)是不同的。圖12.24示出這種變化的一個實例。任何理論都不能得出這個結論，但幾乎所有的測量數據都十分符合這個模型，并且在相關區(qū)域內該模型逼近大多數的理論曲線。這個簡單的結論表明，盡管許多遙感應用需要采用更復雜的模型，但是簡單的雜波模型仍應得到發(fā)展和采用。圖12.24 頻率為13.8 GHz的微波有源散射儀所測得的耕地數據平均值的回歸（1974年和19

9、75年）（引自參考資料82）線性模型82的基礎綜合了空間實驗室（Skylab）在北美的實驗結果83和堪薩斯大學利用微波有源頻譜儀（MAS）在三個季節(jié)內對耕地的測量結果84?？臻g實驗室13.9 GHz的輻射計-散射儀（RADSCAT）在地面上的有效照射區(qū)由垂直方向的10 km圓到入射角為50的20 km30 km的橢圓。而1.1 GHz微波有源頻譜儀在50時，有效照射區(qū)為5.5 m8.5 m，17 GHz則是1.4 m2.1 m，且成百萬計的測量結果取平均后應用于該模型。因為空間實驗室的數據僅是在一種頻率下獲得的，并且在該頻率下兩實驗的結果本質上是相同的，因而，模型所呈現的頻率響應完全取決于微波

10、有源頻譜儀的測量數據?？臻g實驗室的夏季觀測包括沙漠、草地、耕地和森林，而堪薩斯大學的測量僅為耕地的測量。但是，栽種季節(jié)的初期和后期耕地完全是裸露的，它和夏季的沙漠相似，除了水分含量不同外。在農作物生長的鼎盛時期，耕地茂盛足以使其散射系數與森林的散射系數相似?？傊?，總的模型似乎代表了夏季北美地面的平均散射系數。該模型的形式為 （12.24a）式中，A,B,C,D對不同極化方式和頻率高于和低于6 GHz時取不同值。低于6 GHz的頻率響應比高于6 GHz時陡峭得多。此外，當頻率高于6 GHz時，它的頻率響應與入射角無關，因而D0。而在更低的頻率時，頻率響應是與角度相關的。當角度小于20時，只有兩點

11、是可用的，即0和10，所以在這些點進行頻率回歸。這些角度的模型為 （12.24b）由于低于6 GHz的頻率響應在1975年和1976年不一致，因而，在這兩年模型具有不同的常數值?？八_斯在1976年非常干燥，因此，1975年的值更具有代表性，在此給出兩年的參數值見表12.2。圖12.25表明，中等入射角的雜波模型是頻率的函數。由于垂直極化和水平極化的結果相似，因而，在此只給出垂直極化的圖形。表12.2 線性散射模型的常量（夏季*）方程式極化方式角度范圍（）頻率范圍（GHz）常量A或M（ dB）角度斜率B或N（ dB）頻率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）12.24a12.24

12、bVVVHHHV,HV,HV,HV,HV,HV,H20602050207020602050207000010101016（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）617-14.3-4.0-9.5-15.0-1.4-9.17.66.40.9-9.1-3.6-6.5-0.16-0.35-0.13-0.21-0.36-0.121.12-0.600.321.24-1.030.25-1.03-0.730.100.51-0.410.070.00510.0360.0150.040*引自Moore,Soofi和

13、Purduski 82。表12.3 大雪覆蓋地面測量值的回歸結果*時 間極 化 方 式頻率范圍（GHz）常數A（ dB）角度斜率B（ dB/）頻率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）白天夜晚VVHHVVHH181317181317181317181317-10.00.02-11.9-6.6-10.0-10.9-10.5-16.9-0.29-0.37-0.25-0.31-0.33-0.13-0.30-0.0240.052-0.500.550.0011-0.320.700.201.0360.0220.0210.0120.0130.0330.000500.027-0.0069*引自

14、Moore,Soofi,Purduski82。 注：q2070。表中的系數值亦考慮了模型。圖12.25 通用的地面散射雜波模型（垂直極化）水平極化與此非常相似。（引自Moore,Soofi,Purduski82）Ulaby根據堪薩斯植被散射數據提出一種不同的、更復雜的模型85。該模型認為，測量數據符合曲線而不是直線。對大多數的應用而言，直線模型已經足夠，而且也更容易使用。大雪覆蓋草地的直線模型與植被的直線模型相似，它依賴非常有限的數據8687。這些數據僅僅是美國科羅拉多州一個季節(jié)地面散射的數據，而且是當雪的厚度達50 cm的數據。這也意味著，當頻率低于6 GHz時，電磁波可能穿透雪層到地面。不

15、過，該模型仍顯示出在這種重要狀態(tài)下人們所預測的結果。表12.3給出式（12.24b）所使用的結論性常數。雪地散射幾乎完全取決于雪地表層自由水的含量，因而白天潮濕雪地的散射非常弱（雪在太陽光照射下會逐漸溶化），而夜晚干燥雪地的散射則較強。因此，通過比較圖12.26所示的測量數據，白天和夜晚須使用不同的模型。在35 GHz頻率時，白天和夜晚雪地散射之間的差距是肯定的，但是由于缺乏1735 GHz間的散射數據，因而模型不包括35 GHz。圖12.26 雪地垂直極化雜波模型的回歸曲線：（a）白天；（b）夜晚注意它們的區(qū)別。水平極化時與此相似。（引自Moore,Soofi和Purduski82）盡管森林

16、尚沒有特定的雜波模型，空間實驗室輻射計-散射儀和海洋探測衛(wèi)星散射儀的結果表明，亞馬遜雨林散射幾乎與入射角度無關，即使在接近垂直入射時也如此88。13.9 GHz雷達在33入射角時所測得地面散射的平均值為-5.9 0.2 dB。航天成像雷達（SIRB）的觀測表明，1.25 GHz頻率也出現這種散射截面積s0的角度無關性，但是由于缺乏統一的標準，限制了人們對該頻率下地面散射的了解。上述的模型都是基于一個非常大的觀測區(qū)域上的平均。在這種情況下，一地與另一地的變化比較小，特別是在中等入射角度時尤其如此。圖12.27是天空實驗室輻射計-散射儀在北美測量到的最大、最小和平均的地面散射截面積s0 (dB)。

17、在垂直方向附近散射截面積變化較大，這顯然是由水面的鏡面反射效應引起的。當波束有效照射區(qū)面積較小時，s0的變化更大。通過分析航天成像雷達（SIRB）用平均的波束照射面積觀測地面散射的變化可得出圖12.28的曲線。對于小的波束照射面積，地面的散射變化范圍大，系統設計者必須考慮這一點。圖12.27 空間實驗室（Skylab）散射儀在北美觀測到的夏季最大、最小和平均的地面散射截面積s 0(dB)（引自Moore等人，堪薩斯大學遙感實驗室技術報告243-12,1975）12.7 散射系數數據早在1972年之前，人們就已在很多計劃中著手收集雷達散射系數方面的數據，而實際地面散射的數據非常少見。但是，197

18、2年之后的幾個重要計劃使之發(fā)生了改變，人們現在可利用許多地面散射數據。事實上，它的信息量是如此之大，以至于不可能在一本文獻中將它概括總結。因此，這一節(jié)僅給出它們的重點和主要的計劃。讀者可參閱參考資料21,23和114的結果和目錄。許多早期的散射系數測量方案都具有參考價值，它們包括海軍研究實驗室1516、Goodyear航空公司12、Sandia公司（接近垂直入射的數據）8990和俄亥俄州立大學24的測量計劃。自1972年以后，最大的一個計劃在堪薩斯大學672153576991。此外在法國9、荷蘭8、加拿大遙感中心17和瑞士伯爾尼大學（雪地）92也有廣泛的測量實驗。它們的許多結論出版在國際地球科學和遙感論文集摘要（IGARSS）、IEEE地球科學和遙感協會，以及諸如IEEE地球科學和遙感學報及海洋工程匯刊、國際遙感、環(huán)境遙感、攝影測量工程和遙感等雜志中。圖12.28