微波遥感理论与技术基础5

微波遥感理论与技术基础（第五周）,董晓龙国家863计划微波遥感技术实验室中国科学院空间科学与应用研究中心,第五章：微波与物质的相互作用,连续媒质与大气微波与分立目标的相互作用体散射与辐射光滑表面的反射与辐射粗糙表面的散射与辐射周期表面的散射与辐射自然表面的散射与辐射特殊的散射体。,5.1连续媒质与大气,概述辐射传输理论微波亮度温度谱线谱线展宽法拉第旋转,概述,晴空大气的传输特性和吸收特性窗（透明）区：用于对地球表面、底层大气和气溶胶的探测；对于频率100GHz的电磁波，大气层近乎完全不透明（对卫星遥感而言）。,微波波段的吸收谱,辐射传输理论,Chandrasekhar，恒星大气辐射特性研究辐射强度媒质中的传播，媒质的作用：吸收发射散射,行星大气遥感（大气探测）：中、低层大气：温度足够高（200K)，显著的微波辐射低频微波：无散射、无折射，热平衡尺寸足够小（水气、气溶胶），无须粒子散射模型高频（短毫米波、亚毫米波）：需考虑粒子（水、冰）的粒子散射。,成像遥感（主动和被动）作用：散射与发射地面上层间相互作用（辐射传输）：冰雪覆盖植被作物土壤主动遥感（雷达）主要是散射；要考虑吸收；发射可忽略（与入射相比）；,大气辐射传输模型,入射大气层另一侧的辐射强度传输路径上任一点的辐射强度：入射能量；传输路径上各点的辐射（Planck公式）（=吸收，Kirchoff辐射定律）,微波亮度温度,黑体辐射定律的低频近似：辐射传输模型的亮度温度表示简化模型（窄带情况）,均匀大气的情况,谱线,吸收系数kf描述入射电磁波与有耗媒质相互作用的宏观参数；微观机理是物质分子、原子运动能级变化产生的电磁吸收与辐射。高能级向低能级变化发射电磁能量低能级向高能级跃迁吸收电磁能量,作用机理,共振相互作用：主要位于与大气成分分子转动能级对应的窄波段，有时对应振动能级；非共振相互作用折射：主要与气体的整体特性有关，其结果是波传播速度低于在真空中的传播速度。连续吸收。,谱线吸收与连续吸收,发射或吸收的频率决定于能级变化的能量差（共振吸收）吸收频率=发射频率吸收频率发射频率（多个能级）O3吸收：紫外发射：微波，远红外（THz）温室效应气体吸收：可见光气体发射：微波、热辐射（较少能量）,连续吸收谱（非共振吸收）：随频率指数增加：主要是水气的衰减（水分子之间及水分子与大气中氧气、氮气等分子的碰撞）其它分子（如O3）的密集吸收谱线也可以表现为连续吸收谱，但随频率的变化不是指数关系。,大气分子的微波吸收谱线共振相互作用水汽：22.235GHz，183.3GHz（转动谱线）氧气：（转动谱线）组合谱带：50-60GHz单谱线：118.75GHz臭氧（弱谱线）：110GHz谱线之间的区域：微波辐射的吸收主要来自水汽与氧气谱线的远翼通过碰撞将电磁波能量转化为热能（Rayleigh-Jeans近似）,典型的吸收作用,谱线,媒质（大气）的吸收系数入射电磁波能量与大气分子相互作用的宏观参数。相互作用的一般原理：Bohr频率条件：气体分子发射或吸收的频率Einstein发射和吸收定律：分子吸收光子能量从低能级Ea跃迁到高能级Eb的概率等于分子受到激发释放光子能量从高能级Eb变到低能级Ea的概率，并且这一概率正比于与入射光子频率v成正比的光子能量。所以净吸收（吸收与受激发辐射之差）正比于两个能量态的热力学概率（pb-pa）Dirac扰动理论：对于产生两个能量态a和b的的电磁波，场作用的算子必然有一个非零的矩阵元素联系两个能量态。当波分子尺寸相比很大（低频）时，该算子是一个偶极矩（电矩或磁矩）。,微波谱区的大气吸收,在微波谱区，只有水汽和分子氧表现出明显的吸收线。在40GHz以下，占主导地位的只有微弱吸收的压致增宽的23.235GHz水汽线，该共振吸收线是核自旋转动态之间的跃迁造成的。在大约31.4GHz，空气较为透明，是共振水汽线之间的的一个窗区。氧分子有一个磁偶极矩，是由在其电子基态时两个不成对电子组合自旋造成的。电子自旋方向相对于分子转动方向的变化在60GHz附近形成一个强磁偶极跃迁带，且在118.75GHz处产生了一个单次跃迁。当频率大于120GHz时，由于在183GHz附近的水汽强吸收，水气吸收再次占主导地位。在微波频率区，由于大气中水滴（约10mm）和冰晶（约100mm）的尺寸很小，对微波（约1cm）的散射影响通常很小，作为一个很好的近似，在讨论微波辐射传输时，可以忽略散射的贡献。,大气透射率（总透射率、水汽透射率和氧气透射率）在微波区随频率和波长的变化示意图,大气吸收谱线的增宽效应,压力增宽由于气压作用引起气体分子的碰撞导致气体分子结构的扰动，引起吸收谱的增宽；热增宽（Doppler增宽）由于热运动引起气体分子的碰撞导致气体分子结构的扰动，引起吸收谱的增宽。,谱线加宽,大气在微波波段的吸收谱：主要是水气、氧气和O3的分子转动态（电偶极子）的转化；吸收谱应为一系列的谱线；在气压和温度作用下会造成谱线加宽，从而表现为吸收谱带。压力增宽由于气压作用引起气体分子的碰撞导致气体分子结构的扰动，引起吸收谱的增宽；热增宽（Doppler增宽）由于热运动引起气体分子的碰撞导致气体分子结构的扰动，引起吸收谱的增宽。主要在低气压下起作用（高度70km的中间层）。,Faraday旋转,Faraday旋转是电离层对极化电磁波传播的重要效应。电离层：大气层的电离带（100500km)。电离程度决定于太阳照射昼夜、季节、年度和随纬度的变化；电离层的影响：对不同极化的电磁波的衰减和相移不同，引起通过的电磁波的极化旋转；线极化极化方向旋转角度f2对低频微波的影响大L波段：极化旋转角100P波段：极化旋转角数百度，严重限制应用,对被动微波遥感的影响：线极化测量（Th，Tv）Faraday旋转引起线极化测量结果的变化10K。L波段微波辐射测量（土壤湿度、海水盐度等）在白天的测量造成严重影响；全极化测量（Th，Tv，U，V)改变极化角，不改变极化特性；线性基不变特性不受Faraday旋转效应的影响。,5.2微波与分立目标的相互作用,概述绕射绕射的重要性散射雷达散射截面散射理论的重要性,概述,辐射传输理论：媒质特性在层间逐渐平滑变化。分立目标：媒质特性的变化在边界上发生突然变化。关键参数：边界的电尺寸（以波长度量的几何尺寸）。表面：边界尺寸波长目标：边界尺寸100l时可以看作平面。目标特性：两种媒质的相对电磁特性（边界）；边界的形状与尺寸（以波长度量）反射、绕射、折射、散射光滑、粗糙,绕射：孤立边界，与波长相当反射：光滑表面；散射：粗糙表面或随机孤立目标，与波长相当。,绕射,绕射：描述固体目标与电磁波的作用，通常用于口面的情形。口面：两个目标之间的空间或一个大目标上的开口。绕射干涉现象的一种表现Huygens原理目标与波长尺寸相当，绕射现象明显,绕射的重要性,天线口面与空间分辨率绕射极限；目标的绕射与随角度变化的辐射和散射特性。土壤的粗糙度；海面的粗糙度（波浪）；树木的枝干等。远区条件：入射波强度在入射面上没有明显变化。平面波近似与Fraunhofer绕射。近区近似：Fresnel近似。多次散射密集粒子,散射,散射：由于目标引起的入射电磁波的方向改变。入射波的相关扰动随机扰动：单方向多方向；目标尺寸波长散射场：有、无目标时总场的变化；绕射场：总场。散射的定量描述：RCS（雷达散射界面，RadarCrossSection）,前向散射与后向散射,前向散射：散射波与入射波在同一方向；（辐射传输）后向散射：散射波与入射波方向相反。（雷达）后向散射截面,雷达散射截面（RCS）和总散射截面,为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的散射能量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体辐射的总功率与入射功率密度的比值。,散射界面和吸收截面,对于理想散射体，总散射界面等于目标的实际截面积；对于非理想散射体，总散射界面小于目标实际截面积。,雷达散射截面,目标的雷达散射截面（RCS）目标特性：形状介电特性取向表面粗糙度观测条件：入射角频率极化,散射增强在指定方向散射功率各向同性散射体的散射功率RCS目标的截面积Mie散射Bragg散射,面扩展目标和面分布体散射目标的散射系数,雷达亮度,对于有起伏、有倾角的地面，照射面积需要根据地形情况进行估计。,散射理论的重要性,被动微波遥感：传感器与被观测目标之间的散射体可以引起目标辐射特性的测量误差（信号、干扰）主动微波遥感：方向性；前向与后向。大目标和小目标极限散射大目标：波长几何光学近似（与波长无关，直接决定于物理截面）小目标：波长Raleigh近似（与形状无关，决定于尺寸和取向）中等尺寸：球形粒子的Mie近似,Rayleigh近似（2pal)当散射粒子的几何尺寸a1远小于波长时，即，可以采用Rayleigh近似。Rayleigh近似的的具体含义包括：不考虑散射粒子各个体积元素散射的相位干涉；忽略离子内部场的变化，即认为粒子内部的电磁场是均匀分布的，可以用静电场的方法求解离子内外的电位Laplace方程，得到粒子的内部电场。在Rayleigh近似下，粒子的散射能量分布几乎是全方向性的，只与入射场的方向有关；Mie散射的方向性则比较复杂，而且其最大的散射方向通常不是后向.Rayleigh近似是小粒子电磁散射一种近似，所以Rayleigh近似只能适用于尺寸相对于波长很小的电小尺寸粒子。,Mie散射(0.1l2pa10l)球形粒子是一种最简单的粒子模型。Mie散射就是对均匀、各向同性介质球的Maxwell方程进行球坐标系中变量分离求解得到的球谐波函数的级数解。Mie散射的求解过程的基本思路是：将入射的平面波进行球谐矢量波函数展开，即进行多极子展开（每个球谐矢量波函数对应一个极子）；根据球坐标下的边界条件，得到散射波每个球谐矢量波函数分量的系数；对散射波所有球谐矢量波函数分量求和得到总的散射波。由于球谐矢量波函数构成一个正交的函数系，所以散射波的功率可以通过这些系数得到。,Rayleigh散射与Mie散射,5.3体散射与辐射,概述体目标中的传输发射散射,概述,体散射体：目标特征：与连续媒质相对而言由大量随机分布的散射体构成；每个散射都有显著的截面；不但有吸收和发射作用，同时有明显的散射作用；目标特性与构成散射体的散射单元的电尺寸有关；大量散射粒子的散射作用随机分布，整个目标呈现弱方向性。,稀疏媒质与密集散射体,稀疏媒质：孤立散射单元的填充比小（几个波长）散射单元的散射作用是相互独立的，并且是不相干的。密集散射体散射单元之间的平均间距可以和波长相比；散射场之间存在干涉作用；散射特性难于刻画。,云的散射与发射,频率较低时，波长长，单个粒子的散射不显著，只考虑吸收，可作为连续媒质考虑；频率较高时，单个粒子的散射作用加强，需考虑吸收和散射，作为体散射媒质考虑。,体目标中的传输,体散射系数和体吸收系数,发射,体目标的发射特性（忽略多次散射）遥感：散射体可以看作水平层状分布（作物、植被、积雪、云、雨）,均匀散射体,单散射反照率和散射衰减的贡献,两种极限情况,散射,Rayleigh近似下的体散射系数,5.4光滑表面的散射与辐射,概述光滑表面的散射光滑表面的辐射小结,概述,相关散射与Huygens原理散射单元（二次源）的规则分布散射分量的相关叠加干涉方向性,光滑表面的散射,光滑表面：上半空间(折射系数n1)下半空间(折射系数n2)n1n2对地观测遥感：上半空间=大气(折射系数natmosphere)下半空间=地球(折射系数nearth)natmospherenearth,镜面反射和Snell定律,Fresnel透射系数和透射率,Brewster角和全反射,水平极化n1n2全反射角可以小于90。,垂直极化当入射角q=90(掠射）时，达到最大值为1（全部反射)当入射角为Brewter角时，全部吸收（