微波遙感講課演示文稿-12-1

微波遙感MICROWAVEREMOTESENSINGPARTISEASATSIR-ASIR-BSIR-CERS-1ERS-2JERS-1RADARSATENVISATALOS??????我國發(fā)射環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測小衛(wèi)星星座2+2包括兩顆雷達衛(wèi)星微波遙感空前發(fā)展全天時全天候一定的穿透能力提供特殊信息

海面形狀,海面風速,土壤水分提供相位信息

高程信息,地形形變信息波長與頻率

c=f*l=3*108米/秒

1mm——300GHz1m——0.3GHz主動與被動工作方式

成像雷達與微波輻射計不利之處影像幾何變形大,處理困難不易解譯與可見光紅外影像在幾何上很難一致尤其雷達影像電磁波基本特征疊加

兩波相遇點上的物理量等于各個波的物理量之和相干性

兩波相遇時的特殊情況(相位/相位差/頻率/振動方向相同)相干波矢量和非相干波代數(shù)和單色波都是相干波衍射波與某些物體相遇時的情況極化

(偏振)電場場強振動方向的變化趨勢參考平面——入射波方向和地表法線方向水平極化(振動方向與參考平面垂直)垂直極化四種極化方式多普勒效應(yīng)

發(fā)出時頻率f接收時f′目標朝向f′>f背離f′<f目標與接收天線的連線垂直于飛行方向f′=f輻射原理物質(zhì)內(nèi)部微粒在平衡位置上運動能量E=h*v(h為普朗克常數(shù)，v為頻率)基態(tài)——>激發(fā)態(tài)——>基態(tài)+能量釋放(輻射)外來能量ΔE=h*v'

黑體與電磁輻射定律普朗克公式隨波長不同的輻射變化斯蒂芬——玻耳茲曼定律某一溫度狀態(tài)下的輻射總和(普朗克公式的積分)2π5k4W=—————T4=σT4

15c2h3

維恩定律輻射溫度越高輻射量最大值所對應(yīng)波長越短(普朗克公式的微分)瑞利——金斯公式(普朗克公式在波長很長時的表現(xiàn)形式)微波與物質(zhì)的相互作用大氣干擾

一般很小主要在毫米波吸收中心波長:氧2.53mm和5.0mm處水1.6mm和13.5mm處散射:小于2.81cm大雨、暴雨時M為含水量(每M31克)入射電磁波與地表面各類地物的相互作用微波輻射計吸收發(fā)射成像雷達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)大則無透射如水面、銅折射波的分解TE（水平）TM（垂直）反射系數(shù)表達式說明信號的不同微分散射系數(shù)（和表面極化發(fā)射率）

入射方向的功率密度S0（θ0Φ0）

地表A接收能量S0A在（θ0Φ0

）方向上的投影面上，接收的能量S0Acosθ0散射方向（θsΦs

）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調(diào)入射方向（接收的信號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)

σ=

cosθ散射截面4πR2SS/S0物理意義:目標的散射強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)射率朗伯余弦定律地表散射以地表實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)常量兩邊同除

(σ=cosθ)從入射場和散射場概念圖出發(fā)，在半球內(nèi)積分，所有方向上相同。

頻率分配非成像雷達散射計強度——后向散射系數(shù)即定標后的雷達高度計與測距雷達原理相同無線電地下探測器低頻率波束對于某些地物可穿透成像雷達微波輻射計輸出電壓:直流分量——對應(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①具體公式見第五節(jié)②與雷達中的接收機不同接收機噪聲功率必須是高靈敏度（因此必須檢出

即檢出TREC）

雷達信噪比

>>1b.自然輻射，各波段都有，接收某一波段。雷達發(fā)射和接收的為單波段。側(cè)視雷達

短脈沖

信號之間必須相差一個脈沖長度才能分開來

距離向分辨力

以半個脈沖長度計（脈沖長度按時間算）

如米波波寬為10度量級厘米波波寬為幾度左右考慮雙程，Rs=d/2

雷達波頻率S波速回波頻率

(不同時段的相位差）從單位時間周數(shù)理解

多普勒頻率偏移

對于同一目標的多普勒頻率帶寬

接收到同一目標信號的時間由頻率變化一周時間

（時間分辨率）

方位向分辨率即衛(wèi)星運動速度與頻率變化一周時間乘積

BA:芭蕉RD:稻茬RC:水稻W(wǎng)T:水體天線天線

輻射方向圖方向(θ,φ)上單位立體角輻射功率發(fā)射、接收皆如此主要方向顯著歸一化輻射方向圖能量大小相對估計方向系數(shù)能量分布比例

輻射立體角

單位立體角

dΩ=sinθdθdφ輻射源與距它r

處的球面微分dA所開成的立體角

方向圖立體角

可以理解為按每一個單位立體角的能量相對大小加權(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

雷達方程發(fā)射機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，進入自由空間的電磁波功率為Po一部分能量Pl在天線中耗散為熱能輻射效率

Poηl=──

Pt天線在某一方向(θ,φ)上的增益G(θ,φ)

Sr(θ,φ)G(θ,φ)=─────Sri

天線輻射的功率密度

=───────────────

無耗各向同性天線輻射功率密度`無耗各向同性天線輻射的總功率為Poi=4πr2Sri

實際天線輻射的總功率由Sr(θ,φ)在半徑為r的球面內(nèi)積分得Po=∫∫Sr(θ,φ)r2

dΩ=r2∫∫Sr(θ,φ)dΩ4π4π(Po=∫∫Sr(θ,φ)dA,dA=r2dΩ)由于Pt=Poi=Po/ηl

，故有(由Po=∫∫Sr(θ,φ)r2dΩ)

PoiPo1Sri=───=────=──∫∫Sr(θ,φ)dΩ4πr24πr2ηl4πηl4π4πηlSr(θ,φ)G(θ,φ)=─────────=ηl·D(θ,φ)∫∫Sr(θ,φ)dΩSr(θ,φ)(由=────)Sr(θ,φ)max天線輻射功率密度Sr

與天線輸入功率Pt的對應(yīng)關(guān)系

G(θ,φ)Po/r2

Pt

G(θ,φ)Sr(θ,φ)=───────=──────4πηl4πr2

(由G(θ,φ)=Sr(θ,φ)/Sri

Sri=Po/4πr2ηlPt=Poi=Po/ηl)

（考慮到散射回程，用不同字母表示功率）雷達發(fā)射機的發(fā)射功率為Wt,天線增益為Gt，地物目標在與天線相距R處接收到雷達球面波，

則在地物目標處單位面積上所接收的能量為Wor地物目標在獲得能量后向雷達天線方向再散射回去(這里未計入大氣衰減的影響、地物穿透、吸收。理想狀態(tài)的分析。)如果其有效的散射面積為σ，那么它的總的散射功率就應(yīng)為

Wt

Gt

Woe=────σ4πR2回波同樣是球面波，是以地物目標為中心的球面波。這樣，在雷達接收天線處單位面積上的回波功率即為

WtGt1

Wrr

=────σ────4πR24πR2如果接收天線的有效面積為Ar，那么接收機所接收的回波的總功率為:

Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2由最大方向系數(shù)

，考慮無耗天線

(一般說來，雷達天線與發(fā)射天線是同一天線，故接收天線增益Gr

與發(fā)射天線增益Gt

是相等的，它們與接收天線有效面積下波長λ之間的關(guān)系是∵)所以，有

WtG2λ2σWr=──────(4π)3R4

∵Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2一般用地物單位面積的平均散射系數(shù)σo

(或地物單位面積的散射截面)表達地物的散射特性如果雷達波束照射到地物的面積為A，則地物目標總的有效散射截面σ為σ=σoA對于分布目標的雷達方程為

WtG2λ2

Wr=──────σoA(4π)3R4

灰度方程

分辨單元內(nèi)可能是同一地物可能是不同地物或同一地物不同狀態(tài)不同粗糙度的個體或樣本N個樣本

隨機分布的散射中心(即N個獨立樣本)于是有

歸一化高斯隨機變量，即其均值為零，方差為1。

WtG2λ2

Pr=────A(1+Rn/√N)σo=K(1+Rn/√N)σo

(4π)3R4

其中

WtG2λ2K=────A

(4π)3R4回波功率的大小由雷