第7章 微波遥感与成像(1.5)

1、1,微波遥感及其优点微波传感器及原理侧视图像几何特性目标微波特性雷达图像特性雷达遥感系统及应用,第七章微波遥感与成像,2,7.1、微波遥感及其优点,微波波段的划分微波辐射的特征微波遥感的特点,3,微波波段的划分,微波波段划分,4,波段划分,微波波段,毫米波,厘米波,分米波,0.1-1.0mm,0.1-1.0cm,0.1-1.0m,Ka,K,Ku,X,C,S,S,L,P,5,常见雷达卫星载波,6,微波辐射的特征-叠加,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

2、算机显示器的工作原理，混合像元的分解）,7,微波辐射的特征相干,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。,正因为微波的相干性，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。,8,微波辐射的特征-衍射,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

3、向地现象，称为电磁波的衍射。,夫琅禾费衍射图案,9,微波辐射的特征-偏振与极化,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）,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。,10,HH-forhorizontaltransmitandhorizontalreceive,VV-forverticaltransmitandverticalreceive,HV-forhorizontaltransmitandverticalreceive,andVH-forverticaltransmitand

4、horizontalreceive.,极化的概念和极化类型,水平极化：电磁波的电场矢量与入射面垂直(入射波与目标表面入射波处的法线所组成的平面)。垂直极化：电磁波的电场矢量与入射面平行。,11,同一地区同一波段不同极化的雷达图像存在着明显的区别。不同极化的图像就象不同波段一样可彩色合成。,12,微波辐射的特征-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

5、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。,13,微波遥感的特点,1）、能全天候、全天时工作2）、对某些地物具有特殊的微波特征：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。3）、对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力。4）、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。,14,全天候/全天时工作能力,对云的透过

6、性（全球日平均云层覆盖率为40%-60%）对雨的透过性（当波长大于3cm、大雨倾盆的地区、对微波影响很小）白天晚上工作,15,一定的穿透性Surfacepenetrationcapabilities,穿透深度与土壤湿度、频率、土壤类型的关系对干沙可以穿透几十米，对冰层能穿透100m左右,16,SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）ShuttleImagingRadar,17,不同于可见光和红外的独特探测能力,微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风场，海浪高度测量合成孔径雷达：内波，海底地形，海洋溢油，舰只潜航尾迹，相位变化测量,相位测量-合成孔径雷达干涉测量,SRTM全球地形三维测量L

7、anders地震同震形变场,SoufriereHillsvolcano,Montserrat，UK,Landersearthquake1992，nature,SRTM全球地形三维测量航天飞机雷达地形测绘任务ShuttleRadarTopographyMission,2000年2月11日，11天生成全球80%陆地表面DEM（30m,16m）和SAR图像（30m），完成了人类有文明以来5000年未能完成的使命。,20,7.2、微波传感器及原理,21,微波遥感传感器分类,主动方式,被动方式,1、雷达（侧视雷达）：成像2、微波高度计：不成像3、微波散射计：不成像,1、微波辐射计：成像2、微波散射计：不

8、成像,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。,22,微波遥感传感器分类,微波散射计测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。组成：微波发射器、天线、微波接收机、检波器和数据积分器。测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波长变化的规律。只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可称做散射计。,散射计-小麦,散射计-玉米,散射计-海风,散射计-积雪,地基微波散射计应用实例,24,微波遥感传感器分类,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。由于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

9、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。,亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。,FY-3微波辐射计,26,侧视雷达,微波遥感传感器分类,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。,侧视雷达在随飞行器前进过程中，向垂直于航线方向（距离向range）发射一个很窄的波束，这个波束在航行方向（方位向azimuth）上很窄，在距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄的条带。波束从飞行器较近的距离（近距点）照射到离飞行器较远的距离（远距点）。每个波束，由以

10、一定时间间隔（脉冲宽度）的具有特定波长的微波脉冲组成。,27,侧视雷达（SLR）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。目标由近到远地记录在显示器、胶片上。由于是距离成像，目标实际地面距离（地距）大于记录在显示器、胶片上的距离（斜距）。,28,侧视雷达（SLR）工作原理,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象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来,29,

11、侧视雷达（SLR）工作原理,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,A：入射角;B：视角;C：斜距;D：地距;：俯角,30,侧视雷达（SLR）工作原理,侧视雷达工作原理距离分辨力Pg,在侧视方向的分辨率距离分辨率Pg=c/2sin脉冲持续期(脉冲宽度)，视角，c光速,越大（俯角（90-）越小），Pg越小，分辨率越高即：距离越近，距离向分辨率越低。,A:近射程(nearrange);B:远射程(farrange),31,侧视雷达（SLR）工作原理,沿航线方向的分辨率方位分辨率、沿迹分辨率Pa=*R波束波瓣角，R天线到该像元的倾斜距离=/l,波长，

12、l天线长度Pa=(/l)*R天线越长，Pa越小，方位分辨率越高,距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离合成孔径技术。,方位分辨力Pa,32,对于一部机载雷达,假设其脉宽为100纳秒,飞行高度为5千米,天线波束宽度为3毫弧(也就是说其天线孔径长约为波长的300多倍,如对X波段雷达,波长为3cm,天线长为9m),可以算出斜距分辨率Rr约为15m,Ra方位向分辨率在45角入射时为23m。将其装在飞行高度为500千米的卫星上,则方位向分辨率在45角入射时退化为2.3千米。如果要通过减小天线波束宽来改善方位分辨率,在技术上是非常困难

13、的,因此真实孔径雷达只能是机载的。,Rr=(10010-93108)/2=15mRa=(3/900)5000/cos45=23m,Q?：为什么目前真实孔径雷达只能是机载的,33,合成孔径雷达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：提高微波影像在飞行方向的分辨率。,微波遥感传感器分类-合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,原理：用一个短的天线产生长孔径天线的效果。即用一个小天线沿一直线方向

14、不断移动，在移动中每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为L的天线阵列所接收的信号非常相似。,34,微波遥感传感器分类-合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,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。,35,微波遥感传感器分类-合

15、成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,36,微波遥感传感器分类-合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,37,合成孔径雷达得到的原始数据还不能叫做图像,只是一组包含强度、位相、极化、时间延迟和频移等信息的大矩阵,叫做(原始)信号数据(RawSignalData)。从信号数据到图像产品,要经过复杂的步骤。,微波遥感传感器分类-合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达相同。,38,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,微波遥感传感器分

16、类-合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,39,7.3、侧视微波图像几何特性,斜距显示的距离压缩侧视雷达阴影侧视雷达透视收缩侧视雷达叠掩,40,侧视微波图像几何特性斜距显示的近距离压缩,ThegroundtrackoftheplatformistheNADIR(B)平台的地面轨迹是星下点NADIR(B)TheareailluminatedbytheenergyradaristheSWATH(C)雷达能量照射的区域是幅宽SWATH（C）Theacross-trackdimensionistheRANGE(D)横跨轨迹向的尺度是距离（D）Thealong-track

17、dimensionistheAZIMUTH(E)沿轨迹的尺度是方位ATIMUTH（E）,距离压缩原理示意图,斜距显示的近距离压缩,方位向和距离向分辨率是不统一的。方位分辨率：当载波波长、天线孔径和轨道高度一定时，方位分辨率是一个常数。距离分辨率：脉冲宽度、波速一定时，距离分辨率与雷达俯角或当地入射角有关。,侧视雷达阴影,侧视雷达成像在距离向会产生雷达阴影。起伏地形的后坡雷达波束不能到达，没有回波信号，在图像相应位置出现暗区。有三种情况：1、地形后坡坡度小于雷达俯角：不会产生阴影2、地形后坡坡度等于雷达俯角：视后坡粗糙度如何3、地形后坡坡度大于雷达俯角：产生阴影,雷达阴影产生原理示意图,1,2,

18、3,侧视雷达阴影,44,foreshortening,侧视微波图像几何特性,透视收缩也称“前缩”，起伏地形的雷达影像山坡长度按比例计算后总比实际长度要短。主要是面向雷达波束的斜面投影到斜距平面时斜面的压缩，归根结底还是距离压缩现象。,45,在陡峭山脉地区的侧视雷达图像上存在严重的forshortening现象。,46,出现Layover现象的原理,foreshortening,侧视微波图像几何特性,Layover现象非常严重,侧视雷达为距离成像，最早返回的信号记录在近距端，后返回的记录在远距端。在起伏地形成像，当坡度与雷达俯角之和大于90度时（即当地入射角为负时），山顶部分的回波比来自山脚部分

19、的回波更早被雷达接收记录，从而使山顶影像“叠置”在山脚影像之前。,Layover,侧视微波图像几何特性,48,7.4目标微波特性,49,在雷达图像影响最大的因素包括：1：Surfaceroughnessofthetarget2：Radarviewingandsurfacegeometryrelationship3：Moisturecontentandelectricalpropertiesofthetarget,50,探测目标表面粗糙程度是影响雷达后向散射的重要因素，粗糙程度与雷达波长有关，波长长时，粗糙度对后向散射的影响小。,51,在平滑表面A处，雷达波全部被反射，没有产生后向散射，在雷达图

20、像上呈现黑色。在比较粗糙的B处，有部分后向散射被雷达天线接收，在图像上呈现明亮。,52,Localincidenceangle,53,雷达侧视地面目标时，如果与地面线性目标的走向垂直（A），在图像上就表现明显，否则（B），就弱。,54,形成角反射器的原理,55,城市地区的雷达图像上角反射器现象严重,56,雷达后向体（volumescattering）散射,57,7.5雷达图像特性,58,光斑,59,光斑,60,均匀草地成像后，没有光斑时（A），有光斑时（B）。,61,7.6雷达遥感系统及应用,62,L波段合成孔径雷达,机载合成孔径雷达系统,63,加拿大Convair-580C/XSAR系统,加

21、拿大SeaIceandTerrainAssessment(STAR)系统,美国NASA的AirSAR系统,64,65,RADASAT覆盖500公里，可选择多种模式,加拿大的RADASAT卫星雷达系统,66,机载三维成像仪,67,68,立体雷达测量成图技术-相反的观测方向得到的立体像对，非常有用。,69,相位差与相干雷达,70,干涉雷达系统原理就是在平台上安装两个天线，但要求错开一点距离，对地面目标探测后，通过计算A便可求出地面高程。,71,通过干涉雷达获得的地面高程图像,72,干涉SAR重复轨道相位图,73,通过干涉雷达获得的地面三维高程图像,74,开采沉陷：实践证明InSAR技术用于开采沉陷

22、监测可以达到厘米级的分辨率，完全满足精度要求，未来将是一种行之有效的开采沉陷监测方法。冰川移动：InSAR技术对冰川研究有两个重要作用。首先InSAR技术能够提供完整的、高分辨率的、高精度的地形数据；其次，重复轨道能够测量冰的流动。地表沉降：利用InSAR技术进行了城市地表沉降监测，与常规水准测量相比，两者相关度达0.943，说明InSAR测量值与其保持很高的一致性火山研究：实践表明，基于InSAR技术，一个月几次的重复观测很容易监测每月几个厘米的火山运动形变量，无论在热带雨林（如印尼的Merapi地区）还是在北极冰雪地带（北极Katmai地区），SAR图像均能保持令人满意的相干性。地震形变：地震形变监测是InSAR技术应用最为成功的领域之一。地壳运动：用InSAR技术研究地壳运动及板块漂移在国外已多有研究，其中规模最大的当属美国国家科学基金会(NSF)、地质调查所(USGS)和国家航空和航天局(NASA)联合发起的“地球探测”(Earthscope)计划.滑坡监测：目前已有采用InSAR手段研究滑坡的先例。如对法国南部SaintEtiennedeTinee的滑坡现象应用D-InSAR技术进行监测，