微波遥感基础课件

第一章微波遥感基础第一章微波遥感基础1§1.2电磁波理论与微波1.2.1电磁波基本特征与微波1.2.2电磁辐射与微波§1.2电磁波理论与微波1.2.1电磁波基本特征与微波2空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场；同样，变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种电场和磁场能量不断地相互转化，就能形成随时间而变化的交变电磁场并以波动的形式在空间传播。所谓电磁波，就是以波动形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。电场和磁场总是不可分离地联系在一起的。既不会有与磁场分离的纯电波，也不会有与电场分离的纯磁波。在自由空间中传播的电磁波一般是平面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波。空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场3电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所有点上电场或磁场的相位都是相同的（等相位面）。波面是一系列相互平行的平面的波。在离点波源较远处，沿波的传播方向取一局部范围来看，在这范围内的波面都是平行的，这样的波可近似看成平面波。如射到地面的太阳光波可看成平面波。电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所4平面波与球面波EHZ平面波与球面波EHZ51）电磁波基本要素电磁波具有波长(或频率)、传播方向、振幅和极化面(亦称偏振面)四个基本物理量。这四个物理量一旦确定，一个平面电磁波就被完全决定了。1）电磁波基本要素电磁波具有波长(或频率)、传播方向、振幅6波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。微波遥感中，同时记录了振幅信息和位相信息。

波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅71）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5）叠加原理6）相干性和非相干性7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）波粒二象性

粒子性:反射,折射,吸收,透射波动性:干涉,衍射,偏振(极化)2）电磁波基本特征1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子8（1）微波的叠加原理

Electromagneticwavesuperpositionprinciple

当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）（1）微波的叠加原理

Electromagneticwav9由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电磁波称为相干波。电波天线正是利用电磁波的相干性制成的。（2）相干与非相干性

Coherent/incoherent由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定10如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波振幅是各个波的振幅的代数和，交叠区不会出现振动强弱交替的现象。一般说来，凡是单色波都是相干的。微波雷达发射的电磁波和激光器产生的激光就是这样。从远处两个靠得较近的物体反射回来的波是高度相干的。因而用这类电磁波的遥感器进行成像时，获取的图像上有的地方可能没有接收到任何功率，有的地方从这两个物体接收到的反射功率则可能是其中一个物体的平均反射功率的四倍。正因为波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光像片所没有的，也是对解译很有意义的信息。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波振幅是各个波的振幅的代11SPECKLE斑点噪声相干斑多视处理降噪SPECKLE斑点噪声多视处理12（3）微波的衍射穿透性Diffraction电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)最小分辨角:d

物镜的有效孔径

（3）微波的衍射穿透性Diffraction电磁波遇到有限大13电磁波的衍射夫琅禾费衍射图案电磁波的衍射夫琅禾费衍射图案14电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射艾里斑半角宽:电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射艾里斑半角宽:15电磁波的衍射－瑞利准则最小分辨角:d

物镜的有效孔径

“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离，应等于艾里斑的半径。电磁波的衍射－瑞利准则最小分辨角:d物镜的有效孔径“恰能16微波偏振与极化Polarization电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁破的偏振。非偏振光，偏振光，部分偏振EHZE线极化HZE椭圆极化HZE圆极化HZ极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，分为水平极化和垂直极化。微波偏振与极化Polarization电磁波遇到“狭缝17PolarizationofMicrowave水平极化是指电场矢量与入射面垂直。垂直极是电场矢量与入射面平行。EHZ垂直极化同极化HH，VV交叉极化HV，VHPolarizationofMicrowave水平极化是18（4）微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。

类似声波的多普勒效应。（合成孔径雷达的工作原理）多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家爱德文·哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。（4）微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播19微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。

1842年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发现。微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的20微波的散射特征表面散射光滑表面只产生折射和透射，后向散射为零。粗糙表面后向散射特征明显。体散射介质内部产生的散射，为地物内部多路径散射后所产生的总有效散射。体散射强度取决于散射体内部厚度等于微波穿透深度部分的介电特性、密度、均匀性和微波自身性质（波长、极化、入射角等）微波的散射特征表面散射21各种电磁波产生的机理各种电磁波产生的机理22黑体辐射的普朗克公式黑体辐射通量密度用波长表示用频率表示黑体辐射维恩位移定律不适合低频段黑体辐射斯地芬-波尔兹曼定律黑体辐射瑞利-金斯定律不适合高频段（紫外灾难）长波段时，黑体辐射与温度成正比黑体总辐射与温度的四次方成正比不同温度的物体，辐射峰值的波长19世纪末的这两片乌云，恰恰予示了催生新的科学理论的风雨即将来临！黑体辐射的普朗克公式黑体辐射通量密度长波段时，黑体辐射与温度23变化特点：(1)辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2)温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3)随温度升高，辐射最大值向短波方向移动。变化特点：24地球辐射地表自身热辐射：地球辐射于相应的黑体辐射的关系：从中看出：地球辐射接近于300K黑体辐射，但由于大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线未不平滑的折线。地球辐射25地物的自发辐射微波辐射指任何物体在向外辐射红外线的同时，也辐射微波。微波辐射特点如下：1）微波与红外线相对，是物体低温条件下的重要辐射特性，温度越低，微波辐射越强2）微波辐射的强度比红外辐射的强度弱的多，需要经过处理才能够使用接收器接收3）在遥感技术运用中，不同地物间的微波辐射差异较红外辐射差异更大，因此微波可以帮助识别在可见光与红外波段难以识别的地物。地物的自发辐射微波辐射指任何物体在向外辐射红外线的同时，也辐26第一章微波遥感基础第一章微波遥感基础27§1.2电磁波理论与微波1.2.1电磁波基本特征与微波1.2.2电磁辐射与微波§1.2电磁波理论与微波1.2.1电磁波基本特征与微波28空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场；同样，变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种电场和磁场能量不断地相互转化，就能形成随时间而变化的交变电磁场并以波动的形式在空间传播。所谓电磁波，就是以波动形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。电场和磁场总是不可分离地联系在一起的。既不会有与磁场分离的纯电波，也不会有与电场分离的纯磁波。在自由空间中传播的电磁波一般是平面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波。空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场29电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所有点上电场或磁场的相位都是相同的（等相位面）。波面是一系列相互平行的平面的波。在离点波源较远处，沿波的传播方向取一局部范围来看，在这范围内的波面都是平行的，这样的波可近似看成平面波。如射到地面的太阳光波可看成平面波。电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所30平面波与球面波EHZ平面波与球面波EHZ311）电磁波基本要素电磁波具有波长(或频率)、传播方向、振幅和极化面(亦称偏振面)四个基本物理量。这四个物理量一旦确定，一个平面电磁波就被完全决定了。1）电磁波基本要素电磁波具有波长(或频率)、传播方向、振幅32波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失位相信息。微波遥感中，同时记录了振幅信息和位相信息。

波函数由振幅和位相组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅331）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子性5）叠加原理6）相干性和非相干性7）衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）8）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）波粒二象性

粒子性:反射,折射,吸收,透射波动性:干涉,衍射,偏振(极化)2）电磁波基本特征1）不需要传播介质2）横波3）波动性4）粒子34（1）微波的叠加原理

Electromagneticwavesuperpositionprinciple

当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理，混合像元的分解）（1）微波的叠加原理

Electromagneticwav35由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此，会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电磁波称为相干波。电波天线正是利用电磁波的相干性制成的。（2）相干与非相干性

Coherent/incoherent由两个(或两个以上)频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定36如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波振幅是各个波的振幅的代数和，交叠区不会出现振动强弱交替的现象。一般说来，凡是单色波都是相干的。微波雷达发射的电磁波和激光器产生的激光就是这样。从远处两个靠得较近的物体反射回来的波是高度相干的。因而用这类电磁波的遥感器进行成像时，获取的图像上有的地方可能没有接收到任何功率，有的地方从这两个物体接收到的反射功率则可能是其中一个物体的平均反射功率的四倍。正因为波的相干性，微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光像片所没有的，也是对解译很有意义的信息。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波振幅是各个波的振幅的代37SPECKLE斑点噪声相干斑多视处理降噪SPECKLE斑点噪声多视处理38（3）微波的衍射穿透性Diffraction电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传播方向地现象，称为电磁波的衍射。(设计遥感器空间分辨率具有重要意义。)最小分辨角:d

物镜的有效孔径

（3）微波的衍射穿透性Diffraction电磁波遇到有限大39电磁波的衍射夫琅禾费衍射图案电磁波的衍射夫琅禾费衍射图案40电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射艾里斑半角宽:电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射艾里斑半角宽:41电磁波的衍射－瑞利准则最小分辨角:d

物镜的有效孔径

“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离，应等于艾里斑的半径。电磁波的衍射－瑞利准则最小分辨角:d物镜的有效孔径“恰能42微波偏振与极化Polarization电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁破的偏振。非偏振光，偏振光，部分偏振EHZE线极化HZE椭圆极化HZE圆极化HZ极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，分为水平极化和垂直极化。微波偏振与极化Polarization电磁波遇到“狭缝43PolarizationofMicrowave水平极化是指电场矢量与入射面垂直。垂直极是电场矢量与入射面平行。EHZ垂直极化同极化HH，VV交叉极化HV，VHPolarizationofMicrowave水平极化是44（4）微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。

类似声波的多普勒效应。（合成孔径雷达的工作原理）多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家爱德文·哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。（4）微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播45微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。

1842年，奥地利物理学家多普勒研究声波时发现。微波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的46微波的散射特征表面散射光滑表面只产生折射和透射，后向散射为零。粗糙表面后向散射特征明显。体散射介质内部产生的散射，为地物内