微波與微波遙感系統(tǒng)

遙感技術(shù)及應(yīng)用成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院左手（順時(shí)針）右手（逆時(shí)針）第三章微波與微波遙感

1、電磁波的基本特征與微波

電磁波具有波長(zhǎng)或頻率，傳播方向，振幅和極化面四個(gè)基本物理。第一節(jié)電磁波理論與微波

1、電磁波的基本特征與微波

極化

水平極化指電場(chǎng)矢量與入射面垂直；垂直極化指電場(chǎng)矢量與入射面平行。

若發(fā)射和接收的都是水平極化（或垂直極化）電磁波，則得到同極化HH(或VV）圖像；若發(fā)射與接收的電磁波是不同極化的電磁波，則所得到的是交叉極化圖像（HV或VH）。

第二節(jié)：微波及其特點(diǎn)

1、微波微波是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的遙感技術(shù)；

微波是指波長(zhǎng)在0.1mm~1000mm，頻率在300MHz~3000GHz范圍之間的電磁波，因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)與長(zhǎng)波、中波、短波比較起來(lái)要“微小”得多，所以稱為“微波”。第二節(jié)：微波及其特點(diǎn)微波波段劃分

BandWavelength,cmFrequency,GHzKa0.75-1.1840.0-26.5K1.19-1.6726.5-18.0Ku1.67-2.418.0-12.5X2.4-3.812.5-8.0C3.9-7.58.0-4.0S7.5-15.04.0-2.0L15.0-30.02.0-1.0P30.0-1001.0-0.3Jensen,2000ResponseofAPineForestStandtoX-,C-andL-bandMicrowaveEnergy第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)

1、微波遙感

微波遙感就是利用某種傳感器接收地面各種地物發(fā)射或反射的微波信號(hào)，籍以識(shí)別、分析地物，提取所需的信息。第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)2、微波遙感分類

微波遙感設(shè)備按工作原理的不同，可分為兩大類，一類是主動(dòng)遙感器，即探測(cè)設(shè)備主動(dòng)發(fā)射微波信號(hào)，然后再接收被探測(cè)目標(biāo)反射或散射的信號(hào)來(lái)感知被探測(cè)的目標(biāo)。微波散射計(jì)、微波高度計(jì)、合成孔徑雷達(dá)（SAR）、真實(shí)孔徑雷達(dá)。

另一類是被動(dòng)遙感，其工作原理類似于光譜探測(cè)設(shè)備，即采用高靈敏度的微波接收技術(shù)，接收目標(biāo)本身微弱的微波輻射信號(hào)。微波輻射計(jì)。第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)2、微波遙感分類雷達(dá)（Radar)，其原意是“無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距（Radiodetectingandranging)。雷達(dá)能夠測(cè)量距離、速度和方位等，從回波的強(qiáng)度可以識(shí)別目標(biāo)的性質(zhì)。散射計(jì)和高度計(jì)都是雷達(dá)的一種，屬于非成像的雷達(dá)。遙感用的成像雷達(dá)有活動(dòng)天線系統(tǒng)雷達(dá)、真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)。第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)2、微波遙感分類活動(dòng)天線雷達(dá)系統(tǒng)最常見(jiàn)的是旋轉(zhuǎn)天線雷達(dá)。通過(guò)天線的旋轉(zhuǎn)對(duì)四周進(jìn)行成像探測(cè)，主要用于軍事偵察目的，如預(yù)警機(jī)等。

側(cè)視雷達(dá)是裝載在飛行器（飛機(jī)或衛(wèi)星）上，雷達(dá)波射向航向測(cè)面的成像系統(tǒng)，雷達(dá)每發(fā)射脈沖所照射的區(qū)域，隨著飛行器的運(yùn)行，可以形成一個(gè)與航線平行的長(zhǎng)條帶狀雷達(dá)圖像。第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)2、微波遙感分類

合成孔徑雷達(dá)：本世紀(jì)五十年代以來(lái)，為了提高雷達(dá)的分辨力，研制成功了孔徑雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)采用新的技術(shù)，其地面分辨率不再受制于飛行器飛行高度。

對(duì)于真實(shí)孔徑雷達(dá)，要提高空間分辨力，需增大天線尺寸，而對(duì)于合成孔徑雷達(dá)卻應(yīng)縮小天線尺寸。第三節(jié)：微波遙感及其特點(diǎn)2、微波遙感分類雷達(dá)分為地基、機(jī)載、空載、艦載雷達(dá)，也可以根據(jù)雷達(dá)的工作頻段、無(wú)線類型、所用波形（連續(xù)波CW、脈沖PR）等不同特征進(jìn)行分類；雷達(dá)根據(jù)其任務(wù)或功能分為：氣象雷達(dá)、截獲搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、邊跟邊掃雷達(dá)、火控雷達(dá)、預(yù)警雷達(dá)等等。4、微波遙感的特點(diǎn)

（1）微波穿透云層、霧和雨雪，具有全天侯的能力4、微波遙感的特點(diǎn)

（2）微波對(duì)地物具有一定的穿透能力

波長(zhǎng)越長(zhǎng)穿透能力越強(qiáng)同一種土壤，濕度越小，穿透越深。4、微波遙感的特點(diǎn)

（3）可提供可見(jiàn)光和紅外遙感所不能提供的某些信息雷達(dá)遙感可以提供復(fù)數(shù)形式的數(shù)據(jù)，不僅包括地物反射、散射的回波強(qiáng)度信號(hào)，而且包括了回波的相位信息，可以進(jìn)行干涉測(cè)量。第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

1、微波與大氣

大氣衰減作用的程度與大氣成分及其物理性質(zhì)有關(guān)，與電磁波長(zhǎng)有關(guān)，一般電磁波頻率越高，大氣衰減作用越顯著，相反，頻率越低，或波長(zhǎng)越長(zhǎng)，大氣衰減可忽略不計(jì)。

大氣對(duì)微波的衰減作用主要有大氣中水分子和氧分子對(duì)微波的吸收，大氣微粒對(duì)微波的散射。

第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

1、微波與大氣（吸收）不同波長(zhǎng)時(shí)，氧對(duì)微波的吸收水氣的吸收譜線

氧分子對(duì)微波的吸收中心波長(zhǎng)位于0.25cm和0.50cm，氧分子的吸收作用較強(qiáng)。一般可采用2.06-2.22mm,3.0-3.75mm,7.5-11.5mm,20mm以上的波長(zhǎng)作為微波遙感的窗口。第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

1、微波與大氣（散射）大氣微?？煞譃槿箢?，即水滴（包括云霧、霾和降水）、冰粒和塵埃。它們的散射因微粒大小和電磁波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系不同而異。

瑞利散射：凡微粒直徑比波長(zhǎng)小得多時(shí)，散射截面積與波長(zhǎng)的四次方成反比，即電磁波越短，散射越強(qiáng)；

米氏散射：當(dāng)微粒直徑大于波長(zhǎng)時(shí)，其散射截面積與波長(zhǎng)的n次方成反比（其中n=0,1,2），這種散射稱為米氏散射。第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

1、微波與大氣由水粒組成的云粒子一般直徑都很小，不超過(guò)100微米，比微波波長(zhǎng)要小一兩個(gè)量級(jí)，故對(duì)微波的散射滿足瑞利散射，但這時(shí)候的散射作用比吸收作用小的多，一般可以忽略，故微波在非降水云層中的衰減主要是水粒子的吸收，其衰減系數(shù)KC為：

第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

1、微波與大氣綜上分析，在1-300GHz的頻帶內(nèi)，隨著波長(zhǎng)越來(lái)越短，微波與大氣的相互作用有兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變：

（1）大氣對(duì)微波能量傳輸?shù)乃p作用由很弱到很強(qiáng)；

（2）云層微粒和雨微粒的吸收和散射作用從極輕微到十分顯著。第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

2、微波與地物入射電磁波與地表面各類地物發(fā)生相互作用的過(guò)程中，在地物表面產(chǎn)生鏡面反射或漫反射，并由透射或繞射進(jìn)入表層以下，在部分或全部被吸收后，可能部分或全部再輻射出去。第四節(jié)微波與物質(zhì)的相互作用

2、微波與地物斯涅爾定律（Snell‘sLaw）:即：光入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。其中入射光和折射光位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系：

其中，n1和n2分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率，θ1和θ2分別是入射光（或折射光）與界面法線的夾角，叫做入射角和折射角。第四節(jié)：微波遙感系統(tǒng)主動(dòng)方式掃描(圖像方式)非掃描(非圖像方式)微波散射計(jì)微波高度計(jì)激光光譜儀激光高度計(jì)被動(dòng)型相控陣?yán)走_(dá)激光測(cè)距儀微波輻射計(jì)真實(shí)孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)

在陸地、海洋和大氣微波遙感應(yīng)用中，常用的有效的傳感器包括下列:一、非成像微波傳感器1、微波散射計(jì)

一般能精確測(cè)量目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的雷達(dá)，都可稱之為散射計(jì)，大多數(shù)雷達(dá)在校準(zhǔn)之后，都能做為散射計(jì)使用。一般散射計(jì)的組成包括：1）微波發(fā)射器；2）天線；3)微波接收機(jī)；4）檢波器和數(shù)據(jù)積分器。

其主要功能：測(cè)量目標(biāo)的散射特性隨雷達(dá)入射角變化的規(guī)律，也可用于研究極化和波長(zhǎng)變化對(duì)目標(biāo)散射特性的影響。一、非成像微波傳感器2、雷達(dá)高度計(jì)

按定時(shí)系統(tǒng)的指令，發(fā)射機(jī)發(fā)出調(diào)制射頻波束，經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)導(dǎo)向線，由天線將波束射向目標(biāo)，然后由天線收集向天線方向發(fā)射或散射回來(lái)的那部分能量，再由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)引向接收機(jī)，將反回的信號(hào)進(jìn)行處理后提供輸出數(shù)據(jù)，以決定往返雙程傳播延時(shí)，因?yàn)閭鞑ニ俣纫阎?，由延時(shí)測(cè)量即可計(jì)算目標(biāo)的距離。二、成像微波傳感器1、側(cè)視雷達(dá)(Side-LookAirborneRadar,SLAR)側(cè)視雷達(dá)S在飛機(jī)（或衛(wèi)星）飛行時(shí)間內(nèi)向垂直于航向的方向發(fā)射一個(gè)很窄波束，這個(gè)波束在航向上很窄，在距離方向上很寬，覆蓋了地面上一個(gè)很窄條帶。二、成像微波傳感器2、側(cè)視雷達(dá)在航向上，所能分辨出來(lái)的兩個(gè)目標(biāo)的最小距離稱為方位向分辨力。二、成像微波傳感器3、合成孔徑雷達(dá)

最初的合成孔徑雷達(dá)是五十年代初為軍方研制的，成果處于保密狀態(tài)達(dá)到十多年，直到六十年代后期才解密，雖然五十年代后期就開(kāi)始使用“合成孔徑”一詞，但當(dāng)時(shí)研制的時(shí)候叫做“多普勒波速銳化器”。二、成像微波傳感器3、合成孔徑雷達(dá)基本思想：用一個(gè)小天線沿一直線方向不斷移動(dòng)，在移動(dòng)中每個(gè)位置發(fā)射一個(gè)信號(hào)，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號(hào)存儲(chǔ)下來(lái)，存儲(chǔ)時(shí)必須同時(shí)保存接收信號(hào)的振幅和相位。當(dāng)天線移動(dòng)一段距離L后，存儲(chǔ)的信號(hào)和長(zhǎng)度為L(zhǎng)的天線陣列諸單元所接收的信號(hào)非常相似。三、星載遙感系統(tǒng)1、Seasat-1Seasat-1是海洋研究系列雷達(dá)遙感衛(wèi)星的第一顆，發(fā)射于1978年6月27日，進(jìn)入800km的近極地軌道。衛(wèi)星被設(shè)計(jì)成每36小時(shí)提供交替的白天和黑夜覆蓋，系統(tǒng)可以覆蓋大約95%的地球海洋范圍。

Seasat-1雷達(dá)遙感系統(tǒng)第一次實(shí)現(xiàn)了HH極化方式的空間L波段（23.5cm)數(shù)據(jù)獲取，它的掃描帶寬是100KM。

主要用于檢測(cè)全球海洋表面波場(chǎng)和極地海洋冰清。2、SIR-ASIR-A雷達(dá)遙感系統(tǒng)于1981年11月從航天飛機(jī)上發(fā)射，與Seasat-1相比，SIR-A的天線（9.4m)可以以一個(gè)較大的視角照射地球表面。SIR-A是一個(gè)只采用HH極化方式的L波段（23.5CM)的系統(tǒng)，成圖的寬度是50km,距離向與方位向分辨率都是40m。（光學(xué)記錄方式）

3、SIR-B發(fā)射日期持續(xù)時(shí)間/d標(biāo)稱高度(km)波段極化方式視角/(0)相幅寬度/km方位分辨率/m距離分辨率/m19848225LHH15-6010-602515-45方位分辨率是25m，系統(tǒng)的距離分辨率是可變的，視角是600時(shí)候距離分辨率是15m,

150時(shí)候距離分辨率是45m。

可以研究在軌道上不同視角情況下的后向散射特性；可用于制作地形圖和生成數(shù)字高程模型。4、SIR-C主要用于海洋、生態(tài)系統(tǒng)、水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和云雨：海洋特性：海洋表面波動(dòng)，海洋表面的風(fēng)力運(yùn)動(dòng)和洋流運(yùn)動(dòng)以及冰的特性和分類；生態(tài)特性：土地利用、植被范圍和類型、火災(zāi)影響、洪水和森林砍伐。水文學(xué)：濕地條件、土壤濕度、雪和冰川的覆蓋；地質(zhì)：地質(zhì)結(jié)構(gòu)制圖，土壤侵蝕和沉積，火山的變化.ALOSALOS衛(wèi)星是日本的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，ALOS衛(wèi)星載有三個(gè)傳感器：全色遙感立體測(cè)繪儀（PRISM），主要用于數(shù)字高程測(cè)繪；先進(jìn)可見(jiàn)光與近紅外輻射計(jì)－2（AVNIR－2），用于精確陸地觀測(cè)；相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)（PALSAR），用于全天時(shí)全天候陸地觀測(cè)。發(fā)射時(shí)間：2006-01-24停飛使用時(shí)間：2011-04-22運(yùn)載火箭：H-IIA衛(wèi)星質(zhì)量：約4000KG產(chǎn)生電量：7000W設(shè)計(jì)壽命：3-5年軌道：太陽(yáng)同步，高度691.65KM，傾角98.16°重復(fù)周期：46天重訪時(shí)間：2天數(shù)據(jù)速率：240MBPS(通過(guò)中繼星)，120MBPS（直接下傳）TerraSAR-X寬掃描成像模式(ScanSAR)、條帶掃描成像模式(Stripmap)聚焦成像模式(Spotlight)（1）寬掃描成像模式寬掃描成像模式(SC)即ScanSAR模式，該模式擁有較大的幅寬、較低的空間分辨率。通過(guò)雷達(dá)波束在數(shù)個(gè)連續(xù)的子觀測(cè)帶之間的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的觀測(cè)成像，實(shí)際獲取的觀測(cè)帶包含4個(gè)子觀測(cè)帶，其極化方式為單極化方式(HH或VV)，成像分辨率約為16m，數(shù)據(jù)采集范圍為15°～60°,景幅大小約為100km×150km。TerraSAR-X（2）條帶掃描模式

條帶掃描模式(SM)即Stripmap模式，這是最常用的成像模式。通過(guò)沿飛行方向固定天線指向來(lái)實(shí)現(xiàn)。天線的軌跡在飛行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)照亮的區(qū)域表面形成一個(gè)條帶。其極化方式為單極化(HH或VV)、雙極化(HH/HH、HH/HV、VV/VH)和全極化(HH/VV/HV/VH)三種。相應(yīng)地，其成像分辨率在單極化方式時(shí)為3m，在雙極化方式時(shí)為6m，數(shù)據(jù)采集范圍為15°～60°,全效率范圍為20°～45°,景幅大小在單極化方式時(shí)為30km×50km，雙極化方式時(shí)為15km×50km。TerraSAR-X（3）聚束成像模式

聚束成像模式(SL)即Spotlight模式，該模式下控制雷達(dá)天線在整個(gè)成像時(shí)段內(nèi)，照射所要求的區(qū)域，其持續(xù)時(shí)間要比標(biāo)準(zhǔn)的條帶觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，這樣就能增加天線合成孔徑長(zhǎng)度并因此增加方位分辨率。這也是TerraSAR-X的最高分辨率拍攝模式。其極化方式為單極化(HH或VV)和雙極化(HH/HV)。相應(yīng)地，其成像分辨率單極化方式為1m(HS)，雙極化方式為2m(SL),數(shù)據(jù)采集范圍為15°～60°,全效率范圍為20°～55°,景幅大小在單極化方式時(shí)為10km×10km,雙極化方式時(shí)為5km×10km。TerraSAR-X

加拿大雷達(dá)衛(wèi)星系列目前包括2顆衛(wèi)星：RADARSAT-1、RADARSAT-2，RADARSAT系列衛(wèi)星由加拿大空間署(CSA)研制與管理。RADARSAT-1衛(wèi)星1995年11月發(fā)射升空，載有功能強(qiáng)大的合成孔徑雷達(dá)（SAR），可以全天時(shí)，全天候成像，為加拿大及世界其他國(guó)家提供了大量數(shù)據(jù)。RADARSAT-1的后繼星是RADARSAT-2衛(wèi)星，它是加拿大第二代商業(yè)雷達(dá)衛(wèi)星。RADARSAT-2衛(wèi)星于2007年12月14日發(fā)射。與RADARSAT-1相比，RADARSAT-2衛(wèi)星具有更為強(qiáng)大的功能。RADARSAT系列衛(wèi)星的應(yīng)用廣泛，包括減災(zāi)防災(zāi)、雷達(dá)干涉、農(nóng)業(yè)、制圖、水資源、林業(yè)、海洋、海冰和海岸線監(jiān)測(cè)。RADARSAT-1RADARSAT-1衛(wèi)星RADARSAT-1衛(wèi)星與其他衛(wèi)星有所不同，它在地方時(shí)早晚6：00左右成像。它裝載的SAR傳感器使用C波段進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，具有7種成像模式（精細(xì)模式、標(biāo)準(zhǔn)模式、寬模式、寬幅掃描、窄幅掃描、超高入射角、超低入射角），25種不同的波束，這些不同的波束模式具有不同入射角，因而具有多種分辨率、不同幅寬。Co-fundedbyCanadianSpaceAgency(CSA)andMacDonaldDettwiler(MDA)DatacontinuityfromRADARSAT-1Missionduration:7years第五章：微波圖像特點(diǎn)及應(yīng)用第四節(jié)：典型地物的散射特性

不同的地物具有不同的電磁波反射和輻射特性，表現(xiàn)在遙感圖像上具有不同的灰度或色調(diào)，而同一地物在不同波段圖像上的色調(diào)也不盡相同，正因如此，可以利用遙感圖像進(jìn)行地物分析，識(shí)別地物，提取所需要的信息，掌握地物的波譜特征是十分重要的。第四節(jié)：典型地物的散射特性第四節(jié)：典型地物的散射特性

粗糙表面:絕大多數(shù)地物都可以認(rèn)為是粗糙表面，只是粗糙程度不同，一般說(shuō)