微波遙感基礎(chǔ)課件

第一章微波遙感基礎(chǔ)第一章微波遙感基礎(chǔ)1§1.2電磁波理論與微波1.2.1電磁波基本特征與微波1.2.2電磁輻射與微波§1.2電磁波理論與微波1.2.1電磁波基本特征與微波2空間任何一處只要存在著變化的電場，它就能夠在周圍空間激發(fā)磁場；同樣，變化的磁場也能夠在它的周圍空間激發(fā)電場。這種電場和磁場能量不斷地相互轉(zhuǎn)化，就能形成隨時(shí)間而變化的交變電磁場并以波動(dòng)的形式在空間傳播。所謂電磁波，就是以波動(dòng)形式在空間傳播并傳遞電磁能量的交變電磁場。電場和磁場總是不可分離地聯(lián)系在一起的。既不會(huì)有與磁場分離的純電波，也不會(huì)有與電場分離的純磁波。在自由空間中傳播的電磁波一般是平面波，它是一種電場和磁場相互垂直的橫波?？臻g任何一處只要存在著變化的電場，它就能夠在周圍空間激發(fā)磁場3電場和磁場互相垂直，且都位于與傳播方向垂直的平面上，該平面所有點(diǎn)上電場或磁場的相位都是相同的（等相位面）。波面是一系列相互平行的平面的波。在離點(diǎn)波源較遠(yuǎn)處，沿波的傳播方向取一局部范圍來看，在這范圍內(nèi)的波面都是平行的，這樣的波可近似看成平面波。如射到地面的太陽光波可看成平面波。電場和磁場互相垂直，且都位于與傳播方向垂直的平面上，該平面所4平面波與球面波EHZ平面波與球面波EHZ51）電磁波基本要素電磁波具有波長(或頻率)、傳播方向、振幅和極化面(亦稱偏振面)四個(gè)基本物理量。這四個(gè)物理量一旦確定，一個(gè)平面電磁波就被完全決定了。1）電磁波基本要素電磁波具有波長(或頻率)、傳播方向、振幅6波函數(shù)由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振幅信息，丟失位相信息。微波遙感中，同時(shí)記錄了振幅信息和位相信息。

波函數(shù)由振幅和位相組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振幅71）不需要傳播介質(zhì)2）橫波3）波動(dòng)性4）粒子性5）疊加原理6）相干性和非相干性7）衍射和偏振（遙感器的幾何圖象分辨率，波長越長，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達(dá)成像）8）多譜勒效應(yīng)（合成孔徑側(cè)視雷達(dá)）波粒二象性

粒子性:反射,折射,吸收,透射波動(dòng)性:干涉,衍射,偏振(極化)2）電磁波基本特征1）不需要傳播介質(zhì)2）橫波3）波動(dòng)性4）粒子8（1）微波的疊加原理

Electromagneticwavesuperpositionprinciple

當(dāng)兩列波在同一空間傳播時(shí)，空間尚各點(diǎn)的振動(dòng)為各列波單獨(dú)振動(dòng)的合成。任何復(fù)雜的電磁波都可以分解成許多比較簡單的電磁波；比較簡單的電磁波也可以合成為復(fù)雜的電磁波。（白光的色散和合成，計(jì)算機(jī)顯示器的工作原理，混合像元的分解）（1）微波的疊加原理

Electromagneticwav9由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)頻率、振動(dòng)方向相同，相位相同或相位差恒定的電磁波在空間疊加時(shí)，合成波振幅為各個(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)，某些地方振動(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。電波天線正是利用電磁波的相干性制成的。（2）相干與非相干性

Coherent/incoherent由兩個(gè)(或兩個(gè)以上)頻率、振動(dòng)方向相同，相位相同或相位差恒定10如果兩個(gè)波是非相干的，則疊加后的合成波振幅是各個(gè)波的振幅的代數(shù)和，交疊區(qū)不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。一般說來，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)生的激光就是這樣。從遠(yuǎn)處兩個(gè)靠得較近的物體反射回來的波是高度相干的。因而用這類電磁波的遙感器進(jìn)行成像時(shí)，獲取的圖像上有的地方可能沒有接收到任何功率，有的地方從這兩個(gè)物體接收到的反射功率則可能是其中一個(gè)物體的平均反射功率的四倍。正因?yàn)椴ǖ南喔尚?，微波雷達(dá)圖像的像片上會(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像片所沒有的，也是對解譯很有意義的信息。如果兩個(gè)波是非相干的，則疊加后的合成波振幅是各個(gè)波的振幅的代11SPECKLE斑點(diǎn)噪聲相干斑多視處理降噪SPECKLE斑點(diǎn)噪聲多視處理12（3）微波的衍射穿透性Diffraction電磁波遇到有限大小的障礙物時(shí)，能夠繞過障礙物而彎曲地向障礙物地后面?zhèn)鞑?。把這種通過障礙物邊緣改變傳播方向地現(xiàn)象，稱為電磁波的衍射。(設(shè)計(jì)遙感器空間分辨率具有重要意義。)最小分辨角:d

物鏡的有效孔徑

（3）微波的衍射穿透性Diffraction電磁波遇到有限大13電磁波的衍射夫瑯禾費(fèi)衍射圖案電磁波的衍射夫瑯禾費(fèi)衍射圖案14電磁波的衍射－夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射艾里斑半角寬:電磁波的衍射－夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射艾里斑半角寬:15電磁波的衍射－瑞利準(zhǔn)則最小分辨角:d

物鏡的有效孔徑

“恰能分辨”的兩個(gè)點(diǎn)光源的兩衍射圖樣中心之間的距離，應(yīng)等于艾里斑的半徑。電磁波的衍射－瑞利準(zhǔn)則最小分辨角:d物鏡的有效孔徑“恰能16微波偏振與極化Polarization電磁波遇到“狹縫”的障礙物時(shí)，能夠通過狹縫的振動(dòng)分量，稱為電磁破的偏振。非偏振光，偏振光，部分偏振EHZE線極化HZE橢圓極化HZE圓極化HZ極化即電場振動(dòng)方向的變化趨勢，線極化是電場矢量方向不隨時(shí)間變化的情況，分為水平極化和垂直極化。微波偏振與極化Polarization電磁波遇到“狹縫17PolarizationofMicrowave水平極化是指電場矢量與入射面垂直。垂直極是電場矢量與入射面平行。EHZ垂直極化同極化HH，VV交叉極化HV，VHPolarizationofMicrowave水平極化是18（4）微波的多普勒效應(yīng)電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

類似聲波的多普勒效應(yīng)。（合成孔徑雷達(dá)的工作原理）多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波，包括電磁波?？茖W(xué)家愛德文·哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。（4）微波的多普勒效應(yīng)電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播19微波的多普勒效應(yīng)電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒研究聲波時(shí)發(fā)現(xiàn)。微波的多普勒效應(yīng)電磁波因輻射源（或者觀察者）相對于傳播介質(zhì)的20微波的散射特征表面散射光滑表面只產(chǎn)生折射和透射，后向散射為零。粗糙表面后向散射特征明顯。體散射介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的散射，為地物內(nèi)部多路徑散射后所產(chǎn)生的總有效散射。體散射強(qiáng)度取決于散射體內(nèi)部厚度等于微波穿透深度部分的介電特性、密度、均勻性和微波自身性質(zhì)（波長、極化、入射角等）微波的散射特征表面散射21各種電磁波產(chǎn)生的機(jī)理各種電磁波產(chǎn)生的機(jī)理22黑體輻射的普朗克公式黑體輻射通量密度用波長表示用頻率表示黑體輻射維恩位移定律不適合低頻段黑體輻射斯地芬-波爾茲曼定律黑體輻射瑞利-金斯定律不適合高頻段（紫外災(zāi)難）長波段時(shí)，黑體輻射與溫度成正比黑體總輻射與溫度的四次方成正比不同溫度的物體，輻射峰值的波長19世紀(jì)末的這兩片烏云，恰恰予示了催生新的科學(xué)理論的風(fēng)雨即將來臨！黑體輻射的普朗克公式黑體輻射通量密度長波段時(shí)，黑體輻射與溫度23變化特點(diǎn)：(1)輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，只有一個(gè)最大值；(2)溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不相交；(3)隨溫度升高，輻射最大值向短波方向移動(dòng)。變化特點(diǎn)：24地球輻射地表自身熱輻射：地球輻射于相應(yīng)的黑體輻射的關(guān)系：從中看出：地球輻射接近于300K黑體輻射，但由于大氣影響（主要是吸收），實(shí)際的輻射曲線未不平滑的折線。地球輻射25地物的自發(fā)輻射微波輻射指任何物體在向外輻射紅外線的同時(shí)，也輻射微波。微波輻