第一章-微波遙感基礎(chǔ)

微 波 遙 感遙感學(xué)院第一章 微波遙感基礎(chǔ)第一節(jié) 引言遙感,RemoteSensing,簡稱RS根據(jù)傳感器的探測波段，遙感可分為（1）紫外遙感:波長范圍為0.01～0.38μm（2）可見光遙感:波長范圍：0.38～0.76μm（3）紅外遙感:波長范圍為0.76～1000μm（4）微波遙感:波長范圍為1mm～1m（5）多波段遙感為什么要研究微波遙感？？微波遙感究竟能解決哪些其他遙感手段（光學(xué)、紅外）所不能解決的問題？微波遙感的特點(diǎn)光學(xué)和紅外遙感取得了巨大的成功！北京（30米）臺(tái)北（0.6米）可見光所遭遇的難題

地球上經(jīng)常有40%-60%的地區(qū)被云層覆蓋著，尤其是占地球面積五分之三的海洋上，氣候條件變化更大，經(jīng)常被云層遮蔽。第一節(jié) 引言微波遙感的優(yōu)越性微波能穿透云霧、雨雪，具有全天候工作能力。

微波具有穿透云層、霧和小雨的能力，而且太陽輻射對輻射測量沒有太大的影響。因此微波輻射測量既可在惡劣的氣候條件下，也可以在白天和黑夜發(fā)揮作用，具有較強(qiáng)的全天候、全天時(shí)的工作能力，這一特性優(yōu)于可見光和紅外波段的探測系統(tǒng)。云層對無線電波從空間到地面之間傳輸?shù)挠绊懳⒉ǖ乃p能見度(m)可見光（dB/km)紅外（dB/km)94GHz（dB/km)37GHz（dB/km)15230561012191206030102412630.880.320.130.0440.190.0620.0220.009不同能見度下，微波在海平面云霧水平路徑的衰減率雨對無線電波從空間到地面之間傳輸?shù)挠绊?/p>

煙霧和塵埃對微波的衰減比較復(fù)雜，目前尚無定量的系統(tǒng)資料，但從煙霧和塵埃對紅外波段的衰減特性變化可得出，波長越長，衰減越小。第一節(jié) 引言微波遙感的優(yōu)越性微波對地物有一定穿透能力

1.微波穿透植物層的深度，取決于植物的含水量，密度，波長和入射角。如果波長足夠長而入射角又接近天底角，則微波可穿透植被區(qū)而到達(dá)地面。因此，微波頻率的高端（波長較短）只能獲得植被層頂部的信息，而微波頻率的低端（波長較長），則可以獲得植被層底層甚至地表以下的信息。微波信號(hào)穿過植被的穿透性1厘米波長由樹頂反射的微波信號(hào)1米波長由樹頂、樹干、地面反射的信號(hào)由樹頂、樹干反射的信號(hào)

2.

微波穿透土壤的深度與土壤濕度、類型及工作頻率有關(guān)。不同類型土壤的穿透深度與土壤濕度的關(guān)系第一節(jié) 引言微波遙感的優(yōu)越性微波提供不同于可見光和紅外遙感所能提供的某些信息如：測距；海洋動(dòng)力場微波測得的信息與紅外和可見光所測信息互為補(bǔ)充：利用微波得到的信息在與紅外和可見光波段測得的信息是不同的。因此聯(lián)合使用這三個(gè)波段的信息，其結(jié)果可以相互補(bǔ)充，更全面地了解被測物體的特性。

在可見光近紅外波段所觀測的顏色基本上取決于植被和土壤表層分子的諧振特性，而微波波段范圍內(nèi)觀察到的“顏色”則取決于研究對象面或體的幾何特性以及體界電特性，這樣，將微波、可見光和紅外輻射配合運(yùn)用，就能夠研究表面上幾何的和體介電的特性以及分子諧振的特性。另外，微波還可以提供某些附加的特性，這使其在某些應(yīng)用方面具有獨(dú)到之處。例如，根據(jù)不同類型冰的介電常數(shù)不同可以探測海冰的結(jié)構(gòu)和分類；根據(jù)含鹽度對水的介電常數(shù)的影響可以探測海水的含鹽度等等。第一節(jié) 引言微波遙感的優(yōu)越性微波遙感的主動(dòng)方式可進(jìn)行干涉測量 可以對地形變化進(jìn)行監(jiān)測。第一節(jié) 引言微波遙感的不足雷達(dá)傳感器的空間分辨能力比可見光和紅外傳感器低其特殊的成像方式使得數(shù)據(jù)處理和解譯相對困難與可見光和紅外傳感器數(shù)據(jù)不能在空間位置上一致SEASATImageofLosAngeles,1978

SEASATImageofDeathValley,1978

1998年1月10日張北—尚義地震形變圖第一節(jié) 引言微波遙感分類： 被動(dòng)微波遙感和主動(dòng)微波遙感。被動(dòng)微波遙感 信號(hào)來源：系統(tǒng)自身不發(fā)射微波波束，只是接收目標(biāo)物發(fā)射或散射的微波輻射。 典型傳感器：微波輻射計(jì)（該傳感器為成像傳感器）第一節(jié) 引言主動(dòng)微波遙感 信號(hào)來源：系統(tǒng)自身發(fā)射微波輻射，并接收從目標(biāo)反射或散射回來的電磁波。 典型傳感器：高度計(jì)、散射計(jì)（均為非成像傳感器）和成像雷達(dá)。第二節(jié) 電磁波理論與微波電磁波：以波動(dòng)的形式在空間傳播并傳遞電磁能量的交變電磁場。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。一、電磁波的基本特征與微波1、疊加原理 疊加原理的內(nèi)容當(dāng)空間同時(shí)存在由兩個(gè)或兩個(gè)以上的波源產(chǎn)生的波時(shí)，每個(gè)波并不因其他的波的存在而改變其傳播規(guī)律，仍保持原有的頻率或波長和振動(dòng)方向，按照自己的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，而空間相遇點(diǎn)的振動(dòng)的物理量等于各個(gè)獨(dú)立波在該點(diǎn)激起的振動(dòng)物理量之和。一、電磁波的基本特征與微波1、疊加原理疊加原理的作用 將任何復(fù)雜的波動(dòng)看成很多簡單的較易理解的波形疊加的結(jié)果。一、電磁波的基本特征與微波2、相干性和非相干性干涉的定義：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。一、電磁波的基本特征與微波2、相干性和非相干性 相干波，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的電磁波被稱為相干波。一般地，凡是單色波都是相干波。

波的相干性導(dǎo)致微波雷達(dá)圖像的像片上會(huì)出現(xiàn)顆粒狀或斑點(diǎn)狀的特征。一、電磁波的基本特征與微波3、衍射 衍射的定義： 如果電磁波投射在一個(gè)它不能透過的有限大小的障礙物上，將會(huì)有一部分波從障礙物的邊界外通過。這部分波在超越障礙物時(shí)，會(huì)改變方向繞過其邊緣達(dá)到障礙物后面，這種使一些輻射量發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為電磁波衍射。一、電磁波的基本特征與微波4、極化

波的極化在光學(xué)中也叫波的偏振。

波的極化是指在空間給定點(diǎn)上電場強(qiáng)度矢量的取向隨時(shí)間變化的特性。用電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)在空間描繪出的軌跡來表示。 如果這種變化具有確定的規(guī)律，就稱電磁波為極化電磁波（簡稱極化波）。一、電磁波的基本特征與微波4、極化 線極化波：如果電波傳播時(shí)電場矢量的空間描出軌跡為一直線，它始終在一個(gè)平面內(nèi)傳播，則被稱為線極化波。 線極化波又有水平極化波和垂直極化波之分。 水平極化（H）：電場矢量與入射面垂直。 垂直極化（V）：電場矢量與入射面平行。 圖像可有：HH、VV、VH、HV圖像EH入射波目標(biāo)入射平面極化示意圖XYEZ線極化XYEZ橢圓極化XYEZ圓極化線極化、橢圓極化、圓極化一、電磁波的基本特征與微波4、極化

依據(jù)發(fā)射的及接收的極化的差別，可以有四種組合：HH、VV、HV、VH HHorVV圖像稱為同極化圖像

HVorVH圖像稱為交叉極化圖像VV極化VH極化二、電磁輻射與微波從物理角度講，所有電磁波都具有相同的性質(zhì)，差別僅在于頻率不同，其產(chǎn)生機(jī)制有差別。內(nèi)部狀態(tài)能量（ev)相應(yīng)的電磁波原子核內(nèi)部的相互作用內(nèi)層電子的電離作用外層電子的電離作用外層電子的激發(fā)分子振動(dòng)，晶格振動(dòng)分子旋轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)電子自旋和磁場相互作用層磁場的相互作用107~105104~102102~44~11~10-510-4~10-510-4~10-510-7

射線X射線紫外線可見光紅外線微波微波米波普郎克公式c：真空中的光速k：玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/Kh:普朗克常數(shù),h=6.63×10-34JsMλ(λ,T):輻射出射度第三節(jié) 微波與物質(zhì)的相互作用一、微波與大氣 一般電磁波頻率越高（即波長越短），大氣衰減作用越顯著；相反，頻率越低（即波長越長），大氣衰減可忽略不計(jì)。

大氣對微波的衰減作用主要有大氣中水分子和氧分子對微波的吸收，大氣微粒對微波的散射。一、微波與大氣1、大氣吸收 不同波長時(shí)氧對微波的吸收一、微波與大氣 微波遙感的窗口為：

2.06～2.22mm、3.0～3.75mm、

7.5～11.5mm和20mm以上的波長一、微波與大氣2、大氣散射微粒直徑遠(yuǎn)小于波長，發(fā)生瑞利散射；微粒直徑相當(dāng)于波長時(shí)，發(fā)生米氏散射。微波頻率（波長）水滴的作用小于10.69GHZ(約2.81cm)散射衰減作用小于吸收4.805GHZ（約6.3cm）散射作用是吸收的1/10大于10.69GHZ散射作用不能忽略如果不是暴雨和大雨，雨滴直徑不超過2.5mm，而微波頻率不大于19.35GHZ時(shí)，雨滴的散射作用可忽略。一、微波與大氣3、云層噪聲云層本身的亮溫作為隨機(jī)干擾噪聲疊加在目標(biāo)亮溫上，對目標(biāo)的微波輻射亮度測量產(chǎn)生影響。頻率越高，噪聲越明顯。 若實(shí)際物體在某一波長下的光輻射度(即光譜輻射亮度)與絕對黑體在同一波長下的光譜輻射度相等,則黑體的溫度被稱為實(shí)際物體在該波長下的亮度溫度。一、微波與大氣

在1～300GHz的頻帶內(nèi)，隨波長的減小，大氣對微波的衰減作用由弱到強(qiáng)，云層微粒和雨滴微粒對微波的衰減作用也從極輕微到十分顯著。微波的重要應(yīng)用價(jià)值：對于地空間的通信和空對地的觀測，云、雨的影響可減至最小；對云層進(jìn)行觀測，可得到關(guān)于云層含水量和分布范圍的信息；在有云層的情況下也可進(jìn)行除云層參數(shù)以外的大氣性質(zhì)的測量。第三節(jié) 微波與物質(zhì)的作用二、微波與地物(a)完全光滑表面(b)較粗糙表面二、微波與地物 順著入射方向的散射分量稱為前向散射，逆著入射方向的散射分量稱為后向散射。(c)十分粗糙表面二、微波與地物微波散射與表面粗糙程度的關(guān)系：對于長波雷達(dá)，地表較光滑，背向散射小。同樣的地表對于短波雷達(dá)就顯粗糙，在雷達(dá)圖像中由于背向散射強(qiáng)而顯得亮。二、微波與地物第四節(jié) 微波遙感波段 微波遙感波段：300MHz到300GHz（波長從1mm到1m）被無線電界劃分為：特高頻（UHF）：300MHz-3000MHz(雷達(dá))超高頻（SHF）：3GHz-30GHz（遙感雷達(dá)系統(tǒng)）極高頻（EHF）:30G