遥感概论-第七章-微波遥感课件

1遥感概论1遥感概论2

本章提要(…)

第一节概述第二节侧视雷达系统的工作原理第三节合成孔径雷达第四节侧视雷达图像的几何特征第五节侧视雷达图像的信息特点第六节微波传感器及其遥感平台第七章微波遥感

2本章提要(…)第七章微波遥感3第一节微波遥感微波波段的划分微波遥感的优点微波辐射的特征微波传感器3第一节微波遥感微波波段的划分4一、微波波段的划分微波波段划分电磁波谱把波长在毫米级到千米级的幅度通称无线电波。在这一区间，按照波长由短到长，又可分为亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波、超短波、短波、中波和长波。毫米波、厘米波和分米波三个区间称微波波段（1mm-1m）。4一、微波波段的划分微波波段划分电磁波谱把波长在毫米级到千米5微波遥感波段5微波遥感波段6微波遥感波段地球资源应用中的常用波段：X,C，L波段波长增加，穿透能力增加。在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用到了机载天气探测雷达系统）6微波遥感波段地球资源应用中的常用波段：X,C，L波段7微波遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。C波段可以用来对海洋及海冰进行成像；L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用；较长的波长可以穿透的更深，在冠层、树干及土壤间发生多次散射。7微波遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JE8微波信号穿过植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号1米波长由树顶、树干、地面反射的信号由树顶、树干反射的信号8微波信号穿过植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号1米91、微波穿透云层、雾和小雨的能力微波具有穿透云层、雾和小雨的能力。因此微波辐射测量既可在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。二、微波遥感的优点91、微波穿透云层、雾和小雨的能力二、微波遥感的优点102、能全天候、全天时工作；3、对地表的穿透能力较强，对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。4、对某些地物具有特殊的波谱特征：在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的比辐射率为0.99；而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。二、微波遥感的优点102、能全天候、全天时工作；二、微波遥感的优点114、对海洋遥感具有特殊意义;适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测5、分辨率较低，但特性明显。

二、微波遥感的优点114、对海洋遥感具有特殊意义;二、微波遥感的优点12散射镜面反射角反射三、微波辐射的特征与物质发生作用时会有反射、吸收、散射、透射等规律。12散射镜面反射角反射三、微波辐射的特征与物质发生作用时会有13地物对微波的反射对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达影像中由于背向散射强而显得亮。微波散射与表面粗糙程度的关系13地物对微波的反射对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。同14叠加：当两个或两个以上的波在空间传播时，如果在某点相遇，则该点的振动是各个波独立引起该点振动时的叠加。三、微波辐射的特征14叠加：当两个或两个以上的波在空间传播时，如果在某点相遇，15相干性：当两个或两个以上的波在空间传播，它们的频率相同，振动方向相同，振动位相差是一个常数时，叠加后合成波的振幅是各个波振幅的矢量和，这种现象称为干涉。两波相干时，在交叠的位置，相位相同的地方，振动加强，相位相反的地方振动抵消，其他位置均有不同程度的减弱。三、微波辐射的特征15相干性：当两个或两个以上的波在空间传播，它们的频率相同，16当两束微波相干时，在微波雷达图像上会出现颗粒状或斑点状特征;当两束波不符合相干条件时，即为非相干波。这时叠加后的合成波振幅是各个波振幅的代数和，上述现象在雷达图像上便不会出现。三、微波辐射的特征16当两束微波相干时，在微波雷达图像上会出现颗粒状或斑点状特17衍射：电磁波传播过程中，如果遇到不能透过的有限直径的物体，会出现传播的绕行现象，即一部分辐射没有遵循直线传播的规律而绕到障碍物的后面，这种改变传播方向的现象称为衍射，微波传播时会发生衍射现象。三、微波辐射的特征17衍射：电磁波传播过程中，如果遇到不能透过的有限直径的物体18线极化：电场矢量的方向不随时间变化。水平极化：电场振动方向平行于水平面（“H”极化）垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V”极化）三、微波辐射的特征18线极化：电场矢量的方向不随时间变化。三、微波辐射的特征19三、微波辐射的特征19三、微波辐射的特征20微波遥感极化转变与地表发生作用后，极化状态可能改变，背向散射通常为两种极化的混合。依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种组合：HH、VV、HV、VH。即：发射和接收的电磁波同为水平极化方式，则得到同极化图像HH；若同为垂直极化，得到同极化图像VV。若发射为水平极化H，而接收垂直极化V，则得到交叉极化图像HV；相反地，若发射垂直极化V，而接收水平相化H，得到的则是交叉极化图像VH。20微波遥感极化转变与地表发生作用后，极化状态可能改变，背向21微波遥感极化转变HHorVV称为同向极化，VH和HV称为垂直极化。除线极化波以外，电场矢量在与传播方面垂直的平面上运动，也可能画出圆形或椭圆形的轨迹，称为圆极化波或椭圆极化波。21微波遥感极化转变HHorVV称为同向极化，VH和22微波遥感极化22微波遥感极化23四、微波传感器非成像传感器微波散射计雷达高度计成像传感器微波辐射计侧视雷达合成孔径雷达23四、微波传感器非成像传感器成像传感器24微波散射计：测量地物的散射或反射特性；微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。非成像传感器24微波散射计：测量地物的散射或反射特性；非成像传感器25卫星ERS－1、2Adeos－1QuickSCAT散射计AMI－WindNSCATSeaWinds频率/GHz5.313.95513.4极化VV，HV，H天线阵3根6根圆盘型

风速2m/s(在4～20m/s范围内)10%(在20～24m/s范围内)2m/s(在3～20m/s范围内)10%(在20～30m/s范围内)2m/s(在3～20m/s范围内)10%(在20～30m/s范围内)风向±20°±20°±20°观测带/km50050×2900×2覆盖周期/d5(全球)3(全球)1(全球)分辨率/km25(雷达截面)50(风矢量)25(雷达截面)50(风矢量)25(雷达截面)50(风矢量)寿命1991-07～2002-031996-08～1997-061999-06～至今星载微波散射计的技术参数25卫星ERS－1、2Adeos－1QuickSCAT散射计26卫星高度计海面高度海面有效波高海面风速大地水准面海洋动力地形海洋地球物理应用海洋动力学应用海洋环境监测海洋测深无图区测绘海洋岩石圈结构特性地球引力场模型改善海洋潮汐大尺度海洋环流研究中等尺度涡流旋研究大洋边界流研究全球海平面变化厄尔尼诺与南方涛动海浪与风速场海冰及极区冰盖时间延迟海面回波波形强度海面回波波形的前沿速率26卫星高度计海面高度海面有效波高海面风速大地水准面海洋动力27微波辐射计微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。地面物体都具有发射微波的能力,其发射强度与自身的亮度温度有关。通过扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图,对地面物体状况的探测很有意义。亮度温度（亮温）：是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。成像传感器27微波辐射计亮度温度（亮温）：是指辐射出与被测物体相等的辐28侧视雷达(side-lookingradar,SLR)

侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射一个窄的波束,覆盖地面上这一侧面的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波,从而形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲波束,又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。成像传感器28侧视雷达(side-lookingradar,SLR29合成孔径雷达(syntheticapertureradar,SAR)

合成孔径雷达与侧视雷达类似,也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元,每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。目的：提高图像在飞行方向的分辨率。成像传感器29合成孔径雷达(syntheticaperturera30第二节侧视雷达系统的工作原理工作原理距离分辨率和方位分辨率30第二节侧视雷达系统的工作原理工作原理31一、工作原理

雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。31一、工作原理雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内32微波传播示意图32微波传播示意图33遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图像扫描线,返回的信号被天线接收并记录下来。一、工作原理33遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束34侧视雷达工作原理——有关术语A：飞行方向；B：天底方向E：方位向；D：距离向；C：扫描宽度34侧视雷达工作原理——有关术语A：飞行方向；B：天底方向35侧视雷达工作原理——有关术语A入射角;B视角;φ俯角;C斜距;D地距φ35侧视雷达工作原理——有关术语A入射角;B视角;φ36侧视雷达工作原理——有关术语A:近射程（nearrange）;B:远射程（farrange）36侧视雷达工作原理——有关术语A:近射程（nearra37雷达图像的分辨率是图像上一个像元大小对应于水平地面的大小。二、距离分辨率和方位分辨率由于一个像元的长和宽对应的地面长度和宽度距离常常不相等，因此将分辨率分成二种。把在侧视方向上的分辨率称为距离分辨率rp，沿航线方向上的分辨率称为方位分辨率ra，亦称沿迹分辨率。37雷达图像的分辨率是图像上一个像元大小对应于水平地面的大小38距离分辨率在侧视方向的分辨率—距离分辨率

脉冲持续期（脉冲宽度），

视角，c光速理论上讲,斜距分辨率等于脉冲宽度的一半38距离分辨率在侧视方向的分辨率—距离分辨率理论上讲,斜距分39地距分辨率Rp斜距分辨率Rsqd:俯角（Depressionangle）q:视角off-nadirangleRs:斜距分辨率slant-rangeresolutionRp:地距分辨率ground-rangeresolutionC:speedoflightt:pulsewidthR:slant-range脉冲宽度t，则在一个脉冲宽度内，电磁波往返距离:2Rs=Ct距离分辨率39地距分辨率Rp斜距分辨率Rsq40距离分辨率与距离无关。若要提高距离分辨率，需要减小脉冲宽度。脉冲宽度小，则频率增加，需加大功率发射器，造成设备庞大，费用昂贵。目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。距离分辨率40距离分辨率与距离无关。距离分辨率41例:设俯角50

（视角40

）,脉冲宽度0.1s则距离分辨力rp=0.5

0.110-6(s)2.998108(m/s)/cos50=0.50.12.998/0.642788100=23.2mrg=0.5c／cos

距离分辨率41例:rg=0.5c／cos距离分辨率42

为脉冲宽度C为波速俯角大（视角越小）距离分辨力低距离分辨率42为脉冲宽度俯角大（视角越小）距离分辨率43方位分辨率

雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，称波瓣，但以一个方向为主，称为主瓣，其他方向辐射能小，形成副瓣，其中β角称波瓣角。要使雷达的方向性精确，就要尽量增大主瓣功率和减少波瓣角。波瓣角与雷达发射的微波波长λ成正比与雷达的天线孔径l成反比。β=λ/l43方位分辨率雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，44方位分辨率方位分辨率可以表示为发射波长越短、天线孔径越大、距离目标地物越近，则方位分辨力越高

ra=βhR=

(λ/l)R44方位分辨率方位分辨率可以表示为发射波长越短、天线孔径越大45例:设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km,则方位分辨力ra=[310-2(m)/4(m)]200103(m)=1500m若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m.(这是不可能的)方位分辨率45例:设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物46

为脉冲宽度C为波速距离分辨率

地面天线越近，越接近铅垂方向，θ角越小，距离分辨率rp的值越大（分辨率越低），即近距离时像元在垂直航迹的方向上拉长，在接近水平时，即距离变远时缩短。46为脉冲宽度距离分辨率地面天线越近，越接近铅垂方向，47方位分辨率

沿着航迹方向上，在波束宽度不变的条件下，地面与天线越近，倾斜距离R越小，像元长度变小，像元的形状在航迹方向上缩短，而距离变远时拉长，像元的形状在航迹方向上变大。47方位分辨率沿着航迹方向上，在波束宽度不变的条件下，地48距离分辨率和方位分辨率将整个像元放在一起看，全图像不同位置像元的形状不同，越接近天线的铅垂方向，像元在垂直于航迹方向拉长，而在远离天线，倾斜到越接近水平时，则变成航迹方向拉长了。48距离分辨率和方位分辨率将整个像元放在一起看，全图像不同位49要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制，目前利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨力。提高微波传感器的分辨率的途径49要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和50合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,也是侧视雷达。基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等效于通过加长天线孔径来提高观测精度。在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。第三节合成孔径雷达50合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertur51合成孔径雷达工作原理合成孔径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号，真实孔径天线则在一个位置上接受目标的回波。51合成孔径雷达工作原理合成孔径天线是在不同位置上接收同一地52合成孔径雷达工作原理合成孔径侧视雷达在不同位置上接收反射波52合成孔径雷达工作原理合成孔径侧视雷达在不同位置上接收反射53合成孔径雷达工作原理合成孔径侧视雷达信号合成53合成孔径雷达工作原理合成孔径侧视雷达信号合成54理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：ra=l/2l为天线长度合成孔径雷达工作原理合成孔径侧视雷达工作过程54理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：ra55合成孔径雷达的特点合成孔径雷达的方位分辨率与距离远近无关，可以用于高轨道卫星；方位分辨率的大小为小天线的一半，这将提供很高的分辨率。合成孔径技术的基本原理是：小天线+信号处理=大天线。但天线不能太小，缩小天线带来的一切技术问题都由星上的信号处理系统去解决，这对于星载的信号处理设备要求是很高的，使之技术复杂化。55合成孔径雷达的特点合成孔径雷达的方位分辨率与距离远近无关56第四节侧视雷达图像的几何特征斜距图像的比例尺变化地形畸变56第四节侧视雷达图像的几何特征斜距图像的比例尺变化57斜距图像的比例尺变化A1、B1、C1的长度与原地物目标(A、B、C)的视角的大小相关视角越小，地物距天线越近，在斜距图像上的长度就缩小越多，即A1<B1<C1，同样长度的地物，投影到不同视角的对应半径上长度的变化。这种现象称为斜距显示的近距离压缩，随着地物与雷达天线距离的变化，图像上的比例尺也在变化，形成几何失真。57斜距图像的比例尺变化A1、B1、C1的长度与原地物目标(58雷达图像变形：距离向斜距图像的比例尺变化58雷达图像变形：距离向斜距图像的比例尺变化59地距图像与斜距图像59地距图像与斜距图像60上图：左侧地物压缩下图：恢复（地距图像）距离向变形60上图：左侧地物压缩距离向变形61地形畸变雷达阴影：有地形起伏时，背向雷达的斜坡往往照不到，产生阴影。压缩与拉伸：因为雷达影像是根据天线对目标物的射程远近记录在影像上的，故近射程的地面部分在影像上被压缩，而远射程的地面部分则伸长。透视收缩:

有地形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在影像上被压缩，而另一侧则延长。由于透视收缩，导致前坡的能量集中，显得比后坡亮。顶底位移：观测角度进一步减小时，斜坡顶部反射的信号比底部反射的信号提前到达雷达。在影像上显示顶部与底部颠倒。61地形畸变雷达阴影：有地形起伏时，背向雷达的斜坡往往照不到62第六节微波传感器及其遥感平台海洋卫星航天飞机成像雷达加拿大RADSAT其他雷达卫星62第六节微波传感器及其遥感平台海洋卫星63第六节微波传感器及其遥感平台63第六节微波传感器及其遥感平台64Seasat（USA）是第一颗地球轨道卫星，设计用于地球海洋资源，随星携带有第一个SAR。Seasat发射于1978.06.28,轨道高度800km，倾角108deg。周期：102.8min。SeasatSAR运行了105天，1978.10.10因电路故障结束任务。常见雷达卫星SEASAT64Seasat（USA）是第一颗地球轨道卫星，设计用于地65SatelliteAltitude800kmRadarFrequency1.275GHz(L-band)RadarWavelength23.5cmSystemBandwidth19MHzTheoreticalResolutionontheSurface25m(azimuth)x25m(range)NumberofLooks4SwathWidth100kmAntennaDimensions10.74mx2.16mAntennaLookAngle20degreesfromverticalIncidenceangleonthesurface23degrees3degreesacrosstheswathPolarizationHorizontaltransmit,Horizontalreceive(HH)TransmittedPulseLength33.4microsecondsPulserepetitionfrequency(PRF)1463-1640HzTransmittedpeakpower1.0kWDatarecorderbitrate(ontheground)110Mbits/s(5bits/word)SEASAT技术参数65SatelliteAltitude800kmRada66航天飞机66航天飞机67RADARSAT,Canada常见雷达卫星RADARSAT67RADARSAT,Canada常见雷达卫星RADAR68RADARSAT属于加拿大空间局（CanadianSpaceAgency，CSA/CanadianCenterforRemoteSensing，CCRS），用于探测全球冰层、农作物、森林、地质状况数据。由USANASA于1995年发射升空。使用单一波段(C波段),该传感器的优越之处在于将其雷达波束在500km范围内自由控制。有户可以在35km—500公里的像宽和10—100m的分辨率范围内自由选择。俯角从不到20度—50度变化。常见雷达卫星RADARSAT68RADARSAT属于加拿大空间局（CanadianS69RADARSATOrbitTypeSun-SynchronousAltitude798kmInclination98.6degPeriod100.7minRepeatCycle24daysRADARSAT参数69RADARSATOrbitTypeSun-Synchr70SAR(SyntheticApertureRadar):可以几种波束模式运行标准模式:七波束模式，入射角20—49deg,100km像宽，25m分辨率。宽幅模式:三波束模式（入射角随之变化）,150km像宽。最佳模式:五波束模式，50km像宽,10m分辨率。扫描模式:像宽300-500km，分辨率50—100m。自定义模式。RADARSAT传感器70SAR(SyntheticApertureRada71RADARSAT工作模式71RADARSAT工作模式72MODEResolution(m)

Range×azimuth(m)LOOKSWidth

(km)INCIDENCEANGLE(◦)Standard25x28410020-49Wide-148-30x28416520-31Wide-232-25x28415031-39Fineresolution11-9x914537-48ScanSARnarrow50x502-430520-40ScanSARwide100x1004-851020-49Extended(H)22-19x2847550-60Extended(L)63-28x28417010-23RADARSAT工作模式72MODEResolution(m)

Range×azi73Frequency/wavelength5.3GHz(C波段)/5.6cmPolarisationLinearHHBandwidth11.6,17.3or30.0MHzPeakpower5kWAntennaesize15mx1.5mIncidenceangleModedependentResolutionModedependentRADARSAT传感器参数73Frequency/wavelength5.3GHz74常见雷达卫星ERSEuropeanRemoteSensingSatellite,EuropeanSpaceAgency74常见雷达卫星ERSEuropeanRemoteSe75ERS-1发射于1991.07，ERS-21995.04。ERS-1使用一个SAR传感器可以在各种天气状况下获取海洋、冰层和陆地的影像资料。使用其它微波传感器探测各种海洋状态：洋面风、洋流、海洋冰、温度......近极轨太阳同步轨道。主要面向海洋和海冰监测，由于携带有一个高分辨率微波成像仪，可以