第二章微波遙感的基本原理課件

章序講授題目學(xué)時(shí)主要內(nèi)容第一章緒論4方法分享、遙感的基本概念概念、研究?jī)?nèi)容、微波遙感的優(yōu)越性及其應(yīng)用等。第二章微波遙感的基本原理6電磁輻射及其性質(zhì)、微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理、微波遙感的技術(shù)基礎(chǔ)。第三章微波遙感器12微波遙感器（微波輻射計(jì)、雷達(dá)(高度計(jì))、微波散射計(jì)、俯視雷達(dá)、微波全息雷達(dá)簡(jiǎn)介）介紹、了解及微波遙感器的發(fā)展方向。第四章微波遙感的應(yīng)用23陸地、海洋、大氣微波遙感應(yīng)用及其技術(shù)手段。第五章課程及大作業(yè)評(píng)議、討論1縱橫分析、資料分析、學(xué)習(xí)方法升華，作業(yè)及課堂情況考核。1章序講授題目學(xué)時(shí)主要內(nèi)容第一章緒論4方法分享、遙第2章微波遙感的基本原理※電磁輻射及其性質(zhì)※微波與物質(zhì)物質(zhì)相互作用的機(jī)理※微波遙感的技術(shù)基礎(chǔ)

用真心和激情去演繹人生，用真情去擁抱生活，認(rèn)認(rèn)真真在“探索與學(xué)習(xí)”中走過(guò)人生中的每一步，在“探索與學(xué)習(xí)”中不斷發(fā)現(xiàn)自我、改變自我、超越自我！2第2章微波遙感的基本原理※電磁輻射及其性質(zhì)§2.1電磁輻射及其性質(zhì)

一、電磁波基本特征電磁波遙感器是利用電磁波探測(cè)和識(shí)別遠(yuǎn)距離目標(biāo)的測(cè)量裝置（微波波段遙感器為微波遙感），在探測(cè)和傳播電磁輻射過(guò)程中，電磁能量和性質(zhì)的變化是電磁波與物質(zhì)相互作用的主要特征，也是人們識(shí)別目標(biāo)的基本依據(jù)。1、疊加原理在大多數(shù)常見的介質(zhì)中傳播時(shí)，只要電磁波振幅的大小不足以改變介質(zhì)的性質(zhì)，仍然遵守波的疊加原理。疊加原理適用于遙感中所使用的各種電磁波(當(dāng)然包括微波遙感)。3§2.1電磁輻射及其性質(zhì)一、電磁波基本特征電磁波遙2、相干性和非相干性由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的電磁波在空間疊加時(shí)，合成振幅為各個(gè)波的振幅的矢量和，因此，會(huì)出現(xiàn)交疊區(qū)某些地方振動(dòng)加強(qiáng)、某些地方掘動(dòng)減弱或完全抵消的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為干涉。產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的電磁波稱為相干波或相干輻射。電波天線正是利用電磁波的相干性制成的。如果兩個(gè)波是非相干的，則疊加后的合成波的振幅是各個(gè)波的振幅的代數(shù)和，交叉區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。

如果兩個(gè)獨(dú)同時(shí)投射到探測(cè)器，其合成波的振幅為f(t)+g(t)，則瞬時(shí)功率為42、相干性和非相干性由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)頻率相同、振動(dòng)55一般來(lái)說(shuō)，凡是單色波都是相干的。微波雷達(dá)發(fā)射的電磁波和激光器產(chǎn)生的激光，從遠(yuǎn)處兩個(gè)靠得較近的物體反射回來(lái)的波是高度相干的；因而用這類電磁波的遙感器進(jìn)行成象時(shí)，獲取的影象上有的地方可能沒(méi)有接收到任何功率，有的地方功率為平均反射功率的4倍。正因?yàn)椴ǖ南喔尚?，微波雷達(dá)圖象的象片上會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀的特征，這是一般非相干的可見光象片上所沒(méi)有的，也是對(duì)解譯很有意義的信息。3、衍射遙感器所接收的電磁輻射通量的方向、數(shù)量、性質(zhì)成為遠(yuǎn)離遙感器的目標(biāo)存在的根據(jù)(與通信中差別的地方)。測(cè)量目標(biāo)輻射通量的方向和性質(zhì)時(shí)，必須考慮電磁彼衍射效應(yīng)的影響，當(dāng)電磁波到達(dá)遙感天線孔徑被切割或截獲時(shí)要發(fā)生衍射。6一般來(lái)說(shuō)，凡是單色波都是相干的。微波雷達(dá)發(fā)射的電磁波和極化現(xiàn)象是橫波所特有的。所謂電磁波的極化，是指場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間變化的方式。一般用E的矢端在空間描出來(lái)的軌跡來(lái)表示。按此軌跡為直線、圓、橢圓而分別稱為線極化、圓極化和橢圓極化。4、極化垂直參考面為水平極化參考平面內(nèi)為垂直極化面微波天線卻很容易做成單一極化方向，所以觀測(cè)和分析微波的極化和極化的變化會(huì)增加微波遙感所獲得的信息量，可以作為鑒別目標(biāo)的一種重要手段。例如，用微波輻射計(jì)測(cè)量1．41GHz、8.36GHz、19.34GHz三個(gè)頻率上的海面亮度溫度時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角為55度時(shí)，海面風(fēng)速對(duì)垂直極化的亮度溫度沒(méi)有貢獻(xiàn)，而水平極化的亮度溫度卻隨風(fēng)速增加面增加。在19.34GHz，風(fēng)速每增加1m／s，水平極化的亮度濕度增加約1.1K。7極化現(xiàn)象是橫波所特有的。所謂電磁波的極化，是指場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)5、多普勒效應(yīng)微波遙感中可以利用多普勒效應(yīng)信息判斷目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度。(隨機(jī)介質(zhì)中的波傳播139頁(yè))85、多普勒效應(yīng)微波遙感中可以利用多普勒效應(yīng)信息判斷目標(biāo)二、物質(zhì)的電磁輻射（基本物理過(guò)程）電磁輻射源一般有人工電磁射源和天然輻射源兩種。雷達(dá)發(fā)射機(jī)就是一種人工電磁輻射源。太陽(yáng)和地球是天然輻射源，它們是遙感情息的重要提供者。地面物體反射的電磁波主要來(lái)自太陽(yáng)。地面物體自身發(fā)射的電磁波也與太陽(yáng)有關(guān)。地球的電磁輻射與其所具有的熱能有關(guān)，是一種熱輻射。地球的熱源：表層主要吸收太陽(yáng)能量，平均溫度大約300K，常溫層以下主要由地?zé)嵫a(bǔ)給，受地?zé)釋訙丶?jí)控制。地一面切物體都能是電磁波輻射源，但與其本身的電磁性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)構(gòu)成物質(zhì)的原于或分子受到光和熱等作用時(shí)，電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)或轉(zhuǎn)功能級(jí)的躍遷、物質(zhì)的這種內(nèi)部狀態(tài)的變化會(huì)發(fā)射很寬頻帶內(nèi)的各種電磁輻射，也能吸收和散射照射在它上面的電磁輻射。9二、物質(zhì)的電磁輻射（基本物理過(guò)程）電磁輻射源一般有人工當(dāng)沒(méi)有外界能量刺激時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部微現(xiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為三種形式，即電子繞核運(yùn)動(dòng)、原子核在平衡位置上振動(dòng)和分子以其質(zhì)量中心為的的轉(zhuǎn)動(dòng)，而這些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是穩(wěn)定的，具有一定的能量hμ(h為普朗克常數(shù)，μ為頻率)，并且該能量并不因電子、原子、分子不停地運(yùn)動(dòng)有所衰減。當(dāng)有外來(lái)刺激，如與其他粒子碰撞或在電磁輻射場(chǎng)中被照射而吸收足夠外來(lái)能量時(shí)，它就會(huì)改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而從低能級(jí)的基態(tài)軌道躍遷列更高能級(jí)的激發(fā)狀態(tài)軌道上去并具有能量為nhμ

。處于激發(fā)態(tài)的粒子是十分不穩(wěn)定的，一般在10－8秒內(nèi)就要基態(tài)轉(zhuǎn)化，或者與另一個(gè)粒子碰撞，將能量傳遞給它而不產(chǎn)生電磁輻射，或者向下躍遷到一個(gè)較低的能級(jí)，以光子的形式釋放出多余的能量△E＝hμ’，向外發(fā)射電磁輻射。10當(dāng)沒(méi)有外界能量刺激時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部微現(xiàn)粒子的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)

△E不同，輻射的光子頻率也不同，△E為1-20eV時(shí)，可產(chǎn)生波長(zhǎng)為0.2-1.0μm的輻射，△E為為0.05-1．0eV時(shí)，可產(chǎn)生波長(zhǎng)為1-25μm的輻射，△E為0.03-0.05eV時(shí)，可產(chǎn)生波長(zhǎng)為25-300μm的輻射；能量再低也可輻射少量微波。不同的物質(zhì)，其發(fā)射、吸收和散射電磁輻射的能力是不同的，電磁輻射的頻率、極化和電磁能量隨入射角變化的關(guān)系，因不同的物質(zhì)而異。這種差異，既與物質(zhì)表面和其內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，又與物質(zhì)本身的介電常數(shù)和溫度的空間分布有關(guān)。正是基于這種差異，才有可能達(dá)到遙感不同物體的目的。11△E不同，輻射的光子頻率也不同，△E為1-20e物質(zhì)內(nèi)部不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電磁輻射12物質(zhì)內(nèi)部不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電磁輻射12三、黑體及黑體輻射定律熱輻射理想化模型能夠全部吸收外來(lái)的一切頻率的電磁輻射而無(wú)反射和透射的理想吸收體；也是在熱力學(xué)允許的范圍內(nèi)能夠最大限度地將其熱能轉(zhuǎn)變成電磁輻射能，即一切溫度下發(fā)射出最大電磁幅射的理想發(fā)射體。黑體的熱輻射僅僅由它的溫度決定，而與材料的性質(zhì)無(wú)關(guān)。煤煙吸收約99%1、黑體及黑體輻射黑體吸收模型加熱到某一溫度時(shí)成為理想熱輻射器模型13三、黑體及黑體輻射定律熱輻射理想化模型能夠全部吸收外來(lái)單色輻出度描述物體熱輻射能按波長(zhǎng)分布規(guī)律的物理量一定溫度T下，物體單位(表)面積元在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波長(zhǎng)在

－+d

內(nèi)的輻射能dM

與波長(zhǎng)間隔d的比值輻出度物體在一定溫度(T)下單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總的輻射能(一定溫度下單位表面積單位時(shí)間內(nèi)輻射出的各種波長(zhǎng)的能量之和)，為輻出度

14單色輻出度描述物體熱輻射能按波長(zhǎng)分布規(guī)律的物理量2、輻射量（描述輻射特性的術(shù)語(yǔ)）遙感器的主要作用就是測(cè)量各種電磁輻射。微波輻射測(cè)量中表示各種輻射量的術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和單位是從微波工程的觀點(diǎn)選取的，與光學(xué)、紅外物理所采用的不盡相向。152、輻射量（描述輻射特性的術(shù)語(yǔ)）遙感器的主要作用就是測(cè)按照輻射源對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所張的立體角與遙感器接收天線的主波束立體角的關(guān)系，一般將輻射源分成點(diǎn)源和面源兩類。凡輻射體所張的立體角小于接收天線的主波束立體角，該輻射體被認(rèn)為是點(diǎn)源，反之，該輻射體就被認(rèn)為是面源。例如，輻射體是一發(fā)射天線，盡管它是存一定孔徑面積的面輻射源，但只要觀測(cè)距離足夠遠(yuǎn)，它可以認(rèn)為是具有方向性的點(diǎn)輻射源。輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)源輻射特性的輻射量，是點(diǎn)輻射源在某一方向上通過(guò)單位立體角的輻射功率（或者單位時(shí)間通過(guò)單位立體角對(duì)應(yīng)的球面的能量）。16按照輻射源對(duì)觀測(cè)點(diǎn)所張的立體角與遙感器接收天線的主波亮度是描述面源輻射特性的輻射量，它是面輻射源在某一方向上的單位投影面積在單位立體角內(nèi)的輻射功率。17亮度是描述面源輻射特性的輻射量，它是面輻射源在某一方向

物體的電磁輻射，不僅與其溫度有關(guān)，而且也與電磁輻射的頻率或波長(zhǎng)有關(guān)。也就是說(shuō)，在一定溫度下，物體發(fā)射出各種不同頻率的電磁輻射，而不同頻率電磁輻射的輻射能是不相同的。由于任何傳感器都具有一定的頻帶寬度，它所接收到的輻射能是該帶寬內(nèi)輻射能的總和。為了求出一定帶寬內(nèi)接收到的總輻射能量，必須知道輻射能在各個(gè)頻率或波長(zhǎng)上的分布情況，由此需導(dǎo)出單位帶寬或單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射量，稱之為譜輻射量。例如譜功率為18物體的電磁輻射，不僅與其溫度有關(guān)，而且也與電磁輻3、黑體輻射定律193、黑體輻射定律19202021212222表明：黑體表面在單位立體角內(nèi)，每單位帶寬所產(chǎn)生的輻射通量密度或亮度僅僅是頻率(或波長(zhǎng))和溫度的函數(shù)，而與方向和位置無(wú)關(guān)。23表明：黑體表面在單位立體角內(nèi)，每單位帶寬所產(chǎn)生的輻射通量密度1)整個(gè)譜亮度曲線隨著溫度T增大二上升。(2)對(duì)應(yīng)于Bb(f)最大值的頻率也隨溫度T而增高。241)整個(gè)譜亮度曲線隨著溫度T增大二上升。(2)對(duì)應(yīng)于Bb(f2525維恩位移定律在波長(zhǎng)較短、溫度較低時(shí)才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，長(zhǎng)波范圍則完全不適用，維思公式也只能應(yīng)用在黑體能量分布曲線的短波部分；而瑞利-金斯公式恰恰相反，它只在波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)的部分才與實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，在紫外區(qū)域與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相悖（稱為紫外災(zāi)難）。普朗克公式是描寫黑體輻射性質(zhì)的最正確最普遍的形式，而維思公式和瑞利-金斯公式都不過(guò)是它的特例而巳。維恩位移定律和斯特藩-玻耳茲曼定律也都可以由它推導(dǎo)出來(lái)。維恩位移定律應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)測(cè)得太陽(yáng)熱輻射的峰值波長(zhǎng)為470nm入＝0.47μm，可以估計(jì)太陽(yáng)的表面溫度約為6160K，實(shí)際上它的表面溫度更高。地球表面的溫度約為300K，對(duì)應(yīng)剛峰值波長(zhǎng)為9600nm＝9.6μm。所以，人們感受到太陽(yáng)主要是光而地球主要是熱。26維恩位移定律在波長(zhǎng)較短、溫度較低時(shí)才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合4、黑體的輻射效率輻射效率是用來(lái)判定在一定波段內(nèi)的輻射能對(duì)接收器作用大小的標(biāo)志。輻射效率定義為某譜段所產(chǎn)生的譜輻射通量密度(即譜輻射（出）度；單色輻出度)與整個(gè)波段內(nèi)的總輻射通量密度(即總輻（出）射度)之比。黑體的輻射效率為274、黑體的輻射效率輻射效率是用來(lái)判定在一定波段內(nèi)的黑體的輻射效率為對(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)求極大值給定的波長(zhǎng)λe對(duì)應(yīng)的特定溫度Te，在這一溫度上，當(dāng)輻射源的輻射通量密度（輻出度）值固定不變時(shí)，輻射效率最大，Te稱為工程最大值。28黑體的輻射效率為對(duì)溫度求導(dǎo)數(shù)求極大值給定的波長(zhǎng)λe對(duì)應(yīng)給定波長(zhǎng)上的工程最大值的溫度Te，比物理最大值的溫度Tm要高27.6％，相應(yīng)地，對(duì)應(yīng)于工程最大值的溫度下的譜輻射通量密度也要大11.6%。四、非黑體輻射一切能發(fā)射電磁輻射能的真實(shí)物體統(tǒng)稱為非黑體Me和Me(λ)分別為非黑體的總輻射通量密度(即輻出度)和輻射通量密度(即單色輻出度)；e(λ)為一與波長(zhǎng)、物質(zhì)的性質(zhì)、溫度等有關(guān)的系數(shù)，稱為譜發(fā)射率或譜發(fā)射射本領(lǐng)。29給定波長(zhǎng)上的工程最大值的溫度Te，比物理最大值的溫度TK稱為(平均)發(fā)射率或(平均)發(fā)射本領(lǐng)，它與物質(zhì)的性、溫度及表面狀況等有關(guān)。發(fā)射本領(lǐng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的非黑體叫做“灰體”，K＝e。多數(shù)輻射體部是灰體。發(fā)射本領(lǐng)與波長(zhǎng)有關(guān)的非黑體叫做“選擇性輻射體”。黑體模型灰體模型選擇模型30K稱為(平均)發(fā)射率或(平均)發(fā)射本領(lǐng)，它與物質(zhì)的性

基爾霍夫定律：物體在一定溫度下，當(dāng)與外界的輻射處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，它的輻射通量密度(輻射度或者輻出度)為與黑體輻射出度的關(guān)系。a為物體吸收率。

對(duì)于灰體在一定溫度下，任何灰體材料的發(fā)射率等于它的吸收率。也表明，一個(gè)好的輻射體也一定是一個(gè)好的吸收體，反之亦然。

對(duì)于不透明材料

透明材料？31基爾霍夫定律：物體在一定溫度下，當(dāng)與外界的輻射處于發(fā)射率是遙感研究中地物的重要參數(shù)，它給出了輻射體在球面空間內(nèi)的發(fā)射本領(lǐng)，如與方向無(wú)關(guān)稱為半球發(fā)射率。材料的發(fā)射率也可能隨測(cè)量方向而變，特別是表面磨光的金屬或者光滑平面，此時(shí)需要分析材料的定向發(fā)射本領(lǐng)。它是與輻射表面的法線成θ角的小立體角內(nèi)所測(cè)到的發(fā)射率。通常，在一定波長(zhǎng)下，發(fā)射率既與輻射體表面的電磁特性和幾何形狀有關(guān)，又與電磁波的輻射方向和極化方式有關(guān)。例如，波長(zhǎng)為了3cm時(shí)，垂直表面方向的平靜海水的發(fā)射率約為0.6，含水25％的肥沃土壤的發(fā)射率為0.6，含水6％的肥沃土壤的發(fā)射率0.9，導(dǎo)電良好的金屬板的微波發(fā)射率接近于0。32發(fā)射率是遙感研究中地物的重要參數(shù)，它給出了輻射體在球面空幾種材料的微波發(fā)射率通常，物質(zhì)的輻射特性是電磁波遙感的重要基礎(chǔ)，發(fā)射率的研究是物質(zhì)輻射特性的重要參數(shù)，合理、準(zhǔn)確、完整地建立物質(zhì)的發(fā)射率模型是微波遙感的重要研究方向。33幾種材料的微波發(fā)射率通常，物質(zhì)的輻射特性是電磁波遙感的§2.2微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理

遙感器都是從大收集各種電磁輻射的(微波直至γ射線)，并從中獲得被測(cè)目標(biāo)的有用信息。電磁輻射從輻射源到達(dá)遙感器的傳輸途徑中要經(jīng)歷反射、散射、吸收、再輻射以及波譜重新分布等過(guò)程，將會(huì)發(fā)生各種變化。這些變化主要取決于電磁輻射與有關(guān)介質(zhì)和物質(zhì)所發(fā)生的相互作用，可以提供與電磁輻射相互作用物質(zhì)的特性有關(guān)的數(shù)據(jù)，從而為用戶進(jìn)一步提供被測(cè)物體的溫度、濕度、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)等信息。因此，研究和了解產(chǎn)生這些變化的原因及其影響至關(guān)重要，也是解譯遙感器所獲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和依據(jù)。34§2.2微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理遙感器都是從大收集§2.2微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理

一、微波與地物相互作用

入射電磁波因其與表面或內(nèi)部的相互作用，會(huì)發(fā)生多種變化，主要有強(qiáng)度、方向、極化、波長(zhǎng)和相位的變化。在微波遙感中，這些變化主要通過(guò)電壓反射系數(shù)R(或功率反射系數(shù)Γ)和雷達(dá)后向散射系數(shù)σ0以及物體的發(fā)射率e和表觀溫度Top(或亮度溫度TB)等來(lái)表征。1、地球表面對(duì)入射電波的反射、散射和透射雷達(dá)測(cè)距原理35§2.2微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理一、微波與地物相互作用表面凹凸起伏的程度稱為表面粗糙度，它是入射電磁波波長(zhǎng)和入射角的函數(shù)。1971年，皮克(Peake)和奧立佛(oliver)通過(guò)理論推導(dǎo)，進(jìn)一步修改了瑞利準(zhǔn)則，將表面狀況分為光滑面、中等級(jí)糙面和粗被面三類。光滑36表面凹凸起伏的程度稱為表面粗糙度，它是入射電磁波波長(zhǎng)粗糙面中等粗糙面光滑例如，當(dāng)工作波長(zhǎng)為2cm、入射角為30度時(shí)，可得h≤0.09cm為光滑面h＞O.52cm為粗糙面；0.09cm＜h＜0.52cm為中等粗被面當(dāng)入射角一定時(shí)，表面的粗糙程度是由入射電磁波的波長(zhǎng)決定的。例如，巖石表面對(duì)入射的無(wú)線電波來(lái)說(shuō)是光滑的，而細(xì)砂土構(gòu)成的表面對(duì)光波來(lái)說(shuō)卻是十分機(jī)糙的。即使肉眼看來(lái)是十分粗隨的表面，對(duì)無(wú)線電波來(lái)說(shuō)，可能是光滑的鏡面，且滿足斯涅爾反射定律即入射角＝反射角，反射波極化方式與入射波相同。光滑表面反射的平面波稱為完全相干波或完全極化波。37粗糙面中等粗糙面光滑例如，當(dāng)工作波長(zhǎng)可是，一旦入射電磁波的波長(zhǎng)小于物體表面的起伏程度或小于構(gòu)成表面的顆粒的線度時(shí)，即使肉眼看上去是光滑的，對(duì)入射電磁波來(lái)說(shuō)，仍是一個(gè)粗糙面。它對(duì)入射電磁波的反射是漫反射，亦即散射，這時(shí)不符合斯涅耳定律，而服從朗伯余弦定律。散射的電磁波，一部分仍在鏡面反射方向且保持相干的特征，這部分散射被稱為相干散射分量，而其余不在鏡面反射方向的部分被稱為非相干散射分量，其中一部分的極化方式與入射波相同，另一部分則是正交極化狀態(tài)。(1)非理想介質(zhì)中的電磁波38可是，一旦入射電磁波的波長(zhǎng)小于物體表面的起伏程度或小μ是介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為H·m-1;σ是介質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為S·m-1；ε是介質(zhì)的介電常數(shù)，單位為F·m-1。39μ是介質(zhì)的磁導(dǎo)率，單位為H·m-1;σ是介質(zhì)的電導(dǎo)率電磁波在非理想介質(zhì)中傳播時(shí)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)不同相!40電磁波在非理想介質(zhì)中傳播時(shí)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)不同相!40(a)低損耗情況41(a)低損耗情況41(b)高損耗（量導(dǎo)體）情況表面電阻率或平面導(dǎo)體(具有很大深度)的每單位平方的高頻趨膚效應(yīng)電阻。42(b)高損耗（量導(dǎo)體）情況表面電阻率或平面導(dǎo)體(具有很對(duì)于銅，σ＝5.80×107S·m-1,μ=4π×10-7H·m-1，1GHz的微波透入銅板的深度為2μm左右。因此，可以認(rèn)為金屬和其他良導(dǎo)體對(duì)微波來(lái)說(shuō)都是不透明的。(2)電磁波在光滑界面上的反射和折射43對(duì)于銅，σ＝5.80×107S·m-1,μ=4π×104444相位相等幅度相等45相位相等幅度相等454646反射系數(shù)R與反射率Γ足有區(qū)別的。反射系數(shù)表示滿足瑞利淮則的光滑表面的性質(zhì)；反射率表示單位受照面積上的反射功率與總?cè)肷涔χ取?7反射系數(shù)R與反射率Γ足有區(qū)別的。反射系數(shù)表示滿足瑞利淮討論:(1)全反射反射系無(wú)論TE波還是TM波當(dāng)從波密介質(zhì)射向波疏介質(zhì)時(shí)（k1>k2），當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，只有反射波沒(méi)有透射波的現(xiàn)象。48討論:(1)全反射反射系無(wú)論TE波還是TM波當(dāng)從波反射當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射角為純虛數(shù)，表明此時(shí)介質(zhì)二智能儲(chǔ)存能量不能傳遞能量。49反射當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射角為純虛數(shù)，表明此時(shí)介質(zhì)討論:(2)全透射50討論:(2)全透射50對(duì)于TM波，入射角為特定角度時(shí)，入射電磁破全部透過(guò)兩種均勻介質(zhì)界面而毫無(wú)反射，該角度稱為布儒斯特角。51對(duì)于TM波，入射角為特定角度時(shí)，入射電磁破全部透過(guò)兩種均(3)電磁波在傳導(dǎo)（有耗、導(dǎo)電）介質(zhì)中的折射52(3)電磁波在傳導(dǎo)（有耗、導(dǎo)電）介質(zhì)中的折射52/253/253－/254－/254－衰減因子相位因子實(shí)折射角正切值55－衰減因子相位因子實(shí)折射角正切值55因?yàn)榻橘|(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù),菲涅耳反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，它表明入射波的振幅和相位在反射波改變了。56因?yàn)榻橘|(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù),菲涅耳反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，它表明(4)電磁波在分層媒質(zhì)中的傳播平邊界面上反射和透射的問(wèn)題可推廣至多層的情形，其方法是首先計(jì)算存在于一層內(nèi)的場(chǎng)，然后用矩陣技術(shù)去計(jì)算所有層的總效應(yīng)，由此計(jì)算得到n層媒質(zhì)的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T。57(4)電磁波在分層媒質(zhì)中的傳播平邊界面上反射和透射的問(wèn)題5858595960606161稱為后向傳播矩陣，因?yàn)橛肁m+1和Cm＋1表示Am和Cm62稱為后向傳播矩陣，因?yàn)橛肁m+1和Cm＋1表示Am和Cm626363垂直極化波用對(duì)偶定理互換即可得出64垂直極化波用對(duì)偶定理互換即可得出64(5)電磁波在粗糙面上的散射粗糙面的散射是一個(gè)獨(dú)立完整的知識(shí)面，作為課后閱讀學(xué)習(xí)內(nèi)容(對(duì)于陸地遙感問(wèn)題粗糙面散射非常重要)。(a)微分散射系數(shù)對(duì)于粗糙面，散射波既有鏡面反射分量，也有漫反射分量，鏡面反射分量極化入式與入射電磁輻射的極化相同，漫反射分量既有同極化分量也有正交極化分量，許多文獻(xiàn)中都區(qū)別極化微分散射系數(shù)。還有單位面積微分散射系數(shù)。朗伯余弦定理r0與地表特性有關(guān)的常數(shù)65(5)電磁波在粗糙面上的散射粗糙面的散射是一個(gè)獨(dú)立完整的(b)粗糙面的發(fā)射率(6)、地球表面的熱輻射——表觀溫度、亮度溫度（被動(dòng)遙感）當(dāng)某溫度的黑體置于遙感接收器孔徑之前時(shí)，它在接收器工作譜段內(nèi)發(fā)射給接收器的熱輻射通量正好等于接收器從被測(cè)物體所接收的輻射通量，該溫度為被測(cè)物體的表觀溫度。66(b)粗糙面的發(fā)射率(6)、地球表面的熱輻射——表觀溫度、亮(6)、地球表面的熱輻射——表觀溫度、亮度溫度、散射溫度當(dāng)某溫度的黑體置于遙感接收器孔徑之前時(shí)，它在接收器工作譜段內(nèi)發(fā)射給接收器的熱輻射通量正好等于接收器從被測(cè)物體所接收的輻射通量，該溫度為被測(cè)物體的表觀溫度。當(dāng)某溫度的黑體輻射面的亮度與被測(cè)物體的亮度一致，該溫度為被測(cè)物體的亮度溫度。（輻射情況一致時(shí)）亮度溫度和表現(xiàn)溫度都是等效的黑體輻射溫度，通常在討論關(guān)于表面或體積的自發(fā)輻射時(shí)用亮度溫度；當(dāng)討論物體輻射到接收天線的電磁能量時(shí)用表觀溫度。67(6)、地球表面的熱輻射——表觀溫度、亮度溫度、散射溫度亮度溫度和表觀溫度通常在被動(dòng)遙感中經(jīng)常用到；散射溫度經(jīng)常在主動(dòng)遙感中用到。二、微波與大氣相互作用輻射部分主要是被動(dòng)遙感基礎(chǔ)，散射、反射、透射規(guī)律主要是主動(dòng)遙感基礎(chǔ)，當(dāng)然輻射部分也為主動(dòng)遙感提供了研究基礎(chǔ)。68亮度溫度和表觀溫度通常在被動(dòng)遙感中經(jīng)常用到；散射溫度經(jīng)大氣是由氣體分子和氣溶膠粒子(灰塵、凝結(jié)核、水汽凝集物)組成的。電磁波(如雷達(dá)波)在大氣中傳播時(shí)遇到這些粒子就會(huì)發(fā)生散射。氣象雷達(dá)觀測(cè)到的各種氣象回波，就是接收這些散射信號(hào)的結(jié)果。二、微波與大氣相互作用粒子在各方向上散射電磁波的情況，除了與入射波的性質(zhì)有關(guān)以外，還與質(zhì)點(diǎn)的大小、形狀、電學(xué)特性等物理性質(zhì)有關(guān)。因此，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的物理性質(zhì)和入射波的性質(zhì)已知時(shí)，就可以知道質(zhì)點(diǎn)向各方向發(fā)出的散射波的性質(zhì)；反之，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)散射波特性已知時(shí)，也可以推斷出散射質(zhì)點(diǎn)的物理特性。1、大氣粒子對(duì)電磁波的散射1對(duì)目標(biāo)輻射或散射的衰減2本身的輻射69大氣是由氣體分子和氣溶膠粒子(灰塵、凝結(jié)核、水汽凝集物介質(zhì)球散射理論Mie散射理論的原理是：以球表面為界，球外區(qū)由入射場(chǎng)和散射場(chǎng)組成，球內(nèi)為透射場(chǎng)。首先將入射場(chǎng)展開成含已知系數(shù)的球矢量波函數(shù)，球內(nèi)場(chǎng)和散射場(chǎng)展開成含未知系數(shù)的球矢量波函數(shù)，再應(yīng)用麥克斯韋方程的邊界條件（即切向分量連續(xù)）和輻射條件，使電磁場(chǎng)問(wèn)題化為求散射場(chǎng)各波模的未知數(shù)的代數(shù)方程。入射波為則散射場(chǎng)為70介質(zhì)球散射理論Mie散射理論的原理是：以球表面為界，球入射波為則散射場(chǎng)為71入射波為則散射場(chǎng)為71727273737474瑞麗近似下的散射函數(shù)的結(jié)果75瑞麗近似下的散射函數(shù)的結(jié)果75所謂質(zhì)點(diǎn)的散射藏面、吸收截面和衰減截面，分別是質(zhì)點(diǎn)的散射功率、吸收功率和衰減功率與入射波波波印廷矢量的比值有興趣的同學(xué)自行了解橢球粒子的散射。76所謂質(zhì)點(diǎn)的散射藏面、吸收截面和衰減截面，分別是質(zhì)點(diǎn)的2、晴空大氣、云、霧、降水對(duì)電磁波的衰減晴空大氣的衰減包括自由空間的能量擴(kuò)散衰減和大氣中氣體分子（主要是氧氣分子）和水蒸氣的吸收衰減。自由空間擴(kuò)散衰減表示為f表示頻率單位MHz

，d表示距離單位km。772、晴空大氣、云、霧、降水對(duì)電磁波的衰減晴空大氣的衰減Libebe模型是精確的物理模型，頻率適用1-1000GHz，但是計(jì)算要求需要垂直分布的氣象參數(shù)，計(jì)算吸收衰減率公式為f表示頻率單位GHz

，N“表示大氣復(fù)折射指數(shù)虛部。78Libebe模型是精確的物理模型，頻率適用1-1000797980808181828283832、降水對(duì)電磁波的衰減842、降水對(duì)電磁波的衰減848585DinandAjayi特征衰減參數(shù)86DinandAjayi特征衰減參數(shù)863、大氣對(duì)電磁波的折射散射873、大氣對(duì)電磁波的折射散射8788888989909091919292939394949595§2.3微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)

微波遙感，尤其是主動(dòng)微波遙感，是建立在雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上的。因此，主要討論與雷達(dá)技術(shù)有關(guān)的一些基本概念和探測(cè)原理。96§2.3微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)微波遙感，尤其是主動(dòng)微波§2.3微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)

一、微波遙感探測(cè)的基本概念1、雷達(dá)方程和散射系數(shù)表示雷達(dá)接收功率的方程叫做雷達(dá)方程97§2.3微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)一、微波遙感探測(cè)的基本概念1、雷實(shí)際應(yīng)用中要考慮探測(cè)環(huán)境衰減的影響。對(duì)于各個(gè)散射體相位可以忽略不計(jì)的許多地面目標(biāo)來(lái)說(shuō)，假定在某一時(shí)刻的雷達(dá)分辨單元內(nèi)有N個(gè)散射體，則回波信號(hào)的功率為98實(shí)際應(yīng)用中要考慮探測(cè)環(huán)境衰減的影響。對(duì)于各個(gè)散射體相位對(duì)于各個(gè)散射體相位可以忽略不計(jì)的許多地面目標(biāo)來(lái)說(shuō)，假定在某一時(shí)刻的雷達(dá)分辨單元內(nèi)有N個(gè)散射體，則回波信號(hào)的功率為散射系數(shù)或平均雷達(dá)截面或微分散射截面99對(duì)于各個(gè)散射體相位可以忽略不計(jì)的許多地面目標(biāo)來(lái)說(shuō)，假定2、分辨率

分辨率的嚴(yán)格定義是：分辨具有不同對(duì)比度的相隔一定距離的相鄰兩個(gè)目標(biāo)的能力。但是，在微波范疇內(nèi)，使用一種不太精確的定義，即微波系統(tǒng)的分辨率通常是指測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)的半功率寬度。微波遙感器可能存在角度(或方位)、距離和速度等幾種分辨率。主動(dòng)系統(tǒng)可以通過(guò)角度、距離和速度分辨率的組合(稱為分辨率單元)來(lái)區(qū)分目標(biāo)，而被動(dòng)系統(tǒng)只限于角度(方位)鑒別。

課外大作業(yè)（一）：查閱雷達(dá)原理的書籍，寫讀書“筆記”。1002、分辨率分辨率的嚴(yán)格定義是：分辨具有不同對(duì)比度可分辨剛可分辨不可分辨101可分辨剛可分辨不可分辨101

所謂角度或方位分辨率是指微波遙感器能區(qū)分天線主波束內(nèi)、作用距離為R、橫向間隔為天線波束半功率寬度的兩個(gè)目標(biāo)的能力（能鑒別的最小距離），記為ρa(bǔ)，當(dāng)波束很小時(shí)，近似有(1)、角度（方位）分辨率(2)、距離分辨率能區(qū)分天線主波束徑向上最小間隔為△R的二個(gè)目標(biāo)的能力，稱為距離分辨率，記為ρR

102所謂角度或方位分辨率是指微波遙感器能區(qū)分天線主波(3)、速度分辨率能區(qū)分遙感器與目標(biāo)之間的最小相對(duì)距離稱為速度分辨率，記為ρv雷達(dá)回波信號(hào)的瞬時(shí)相位是假使沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即R＝常數(shù)，則如果存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則103(3)、速度分辨率能區(qū)分遙感器與目標(biāo)之間的最小相對(duì)距離如果存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則當(dāng)一臺(tái)發(fā)射額串為30GHz的雷達(dá)以300m／s正對(duì)某固定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的多普勒頻率為相對(duì)于發(fā)射頻率的變化只有2×10-6,所以要求發(fā)射頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-6（工程要求10-8）。信號(hào)源頻率穩(wěn)定度和外差接收技術(shù)。（大作業(yè)二：外差接收技術(shù)簡(jiǎn)介）104如果存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則當(dāng)一臺(tái)發(fā)射額串為30GHz的雷達(dá)以3(4)、微波遙感器的分辨率工作制式通過(guò)不同的方法，在微波遙感中可以實(shí)現(xiàn)不同的分辨率。主動(dòng)系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)角、測(cè)距和測(cè)速的不同組合來(lái)分辨目標(biāo)，被動(dòng)系統(tǒng)僅限于測(cè)角而已。3、模糊度和模糊函數(shù)（看課程主要依據(jù)74頁(yè)）對(duì)雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速、測(cè)角來(lái)說(shuō)，模糊度概念是很重要的。105(4)、微波遙感器的分辨率工作制式通過(guò)不同的方法，在模糊函數(shù)來(lái)源于辨率問(wèn)題，把雷達(dá)接收機(jī)輸出信號(hào)的復(fù)包絡(luò)定義為雷達(dá)目標(biāo)距離和徑向速度或者目標(biāo)角度的函數(shù)。在多目標(biāo)環(huán)境下，只要“干擾目標(biāo)”與“觀測(cè)目標(biāo)”之間存在距離和速度、方位的差別，模糊函數(shù)就能定量地描述“干擾目標(biāo)”對(duì)“觀測(cè)目標(biāo)”的干擾作用。模糊函數(shù)僅由發(fā)射波形和濾波器特性決定