第4章-遥感传感器及其原理B-微波遥感与成像3

1、1.微波遥感及其优点微波传感器及其原理侧视图像几何特征目标微波特征雷达图像特征雷达遥感系统及其应用，第4章b微波遥感及其成像，2，4B.1微波遥感及其优点，微波波段划分微波辐射特征微波遥感特征，3，微波波段划分，常用雷达波段划分和命名，微波波段，毫米波，厘米波，分米波，0.1-1.0毫米，0.1-1.0厘米，0.1-1.0米，ka，k，ku，x，c，s s，l，p，4，普通雷达卫星载波，5，微波辐射叠加的特性，6，当两列波在同一空间传播时，空间中每个点的振动是不同的任何复杂的电磁波都可以分解成许多相对简单的电磁波； 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，计算机显示的工作原理

2、，混合像素的分解)，微波辐射的特征相干性，7。当两个(或多个)具有相同频率和振动方向、相同相位或恒定相位差的电磁波在空间上叠加时，合成波的振幅是每个波振幅的矢量和。因此，将会出现重叠区域的某些地方的振动增强，而某些地方的振动减弱或完全消除的现象。这种现象被称为干扰。引起干扰的电磁波被称为相干波。无线电波天线是由电磁波的相干性制成的。由于微波的相干性，在微波雷达图像的照片中会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干可见光照片所没有的，也是非常有意义的解释信息。微波辐射的特性-极化和极化。8.极化是电场振动方向的变化趋势，而线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，可分为水平极化和垂直极化。9，HH

3、 -用于水平发射和水平接收，VV -用于垂直发射和垂直接收，HV-用于水平发射和垂直接收，以及VH-用于垂直发射和水平接收，极化概念和极化类型，水平极化：电磁波的电场矢量垂直于入射平面(由入射波和入射波在目标表面上的法线形成的平面)。垂直极化：电磁波的电场矢量平行于入射平面。相同波段、不同极化的雷达图像在同一区域有明显的差异。不同偏振的图像可以像不同的波段一样进行颜色组合。多普勒效应，微波辐射的特征，13。由于辐射源(或观测者)相对于传播介质的运动，观测者接收到的频率发生变化，这被称为多普勒效应。类似声波的多普勒效应。(合成孔径雷达的工作原理)，多普勒效应不仅适用于声波，而且适用于所有类型的波

4、，包括电磁波。科学家埃德温哈勃利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出的光的频率变得更低，也就是说，它们移动到光谱的红色端，这被称为红移。天体离开银河系越快，红移就越大，这表明这些天体远离银河系。相反，如果天体向银河系移动，光线将会变成蓝色。14、微波遥感的特点，1)可以全天工作，2)对某些地物有特殊的微波特性：在微波波段，水的发射率为0.4，冰的发射率为0.99；在红外波段，水的发射率为0.96，冰的发射率为0.92。3)它能穿透冰、雪、森林、土壤等。4)对海洋遥感具有特殊意义：适用于海面动态(海面风、海浪等)的观测。)；5)分辨率低，但特点明显。，15，全天候/全天

5、工作能力，对云的渗透性(全球日平均云覆盖率为40%-60%)，对雨的渗透性(当波长大于3厘米时，暴雨区域对微波影响很小)，日夜工作，一定的穿透表面穿透能力，穿透深度与土壤湿度、频率和土壤类型的关系，干沙可穿透数十米，冰层可穿透约100米，16，17，Landsat和，Sir-A图像， 在苏丹西北部的塞利马，沙席，穿透云层，18，成像雷达在微波波段工作，一方面，大气对电磁波敏感，(一)TM图像，(二)合成孔径雷达图像，穿透性，19。 沙特阿拉伯古河道勘测(1981)航天飞机成像雷达，不同于可见光和红外线的独特探测能力，微波高度计：大地水准面测量，内波，海面风场，波高测量合成孔径雷达：内波，海底地

6、形，溢油，船舶潜水。20、相位测量-合成孔径雷达干涉测量、SRTM全球地形三维测量、英国蒙特塞拉特岛苏弗里埃尔火山兰德斯地震同震形变场、1992年兰德斯地震、自然。2000年2月11日，航天飞机雷达地形任务、SRTM全球三维地形测量航天飞机在11天内生成了80%的世界陆地表面数字高程模型(30米、16米)和合成孔径雷达图像(30米)，完成了人类自文明以来5000年未能完成的任务。23，4B.2，微波传感器和原理，24，微波遥感传感器的分类，主动模式，被动模式，1，雷达(侧雷达):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：不成像，微波散射计：测量地面物体

7、的散射，25，微波遥感传感器的分类，以及用微波散射计测量地面(或体积)的散射或反射特性。组成：微波发射器、天线、微波接收器、探测器和数据积分器。测量了散射特性随雷达波束入射角、极化和波长的变化。只要雷达能准确测量目标信号强度，它就可以称为散射计。散射仪-小麦，散射仪-玉米，散射仪-海风，散射仪-雪，地基微波散射仪应用实例，27，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上各点的亮度和温度，生成亮度和温度图像。因为地面上的所有物体都有发射微波的能力，所以它们的发射强度与它们自身的亮度和温度有关。通过扫描和接收这些信号并将它们转换成相应的亮度和温度图，探测地面物体的状况是非常有意义的

8、。亮度温度是指黑体的温度，黑体辐射的辐射能量与被测物体相同。FY-3微波辐射计，29，侧视雷达，微波遥感传感器的分类，雷达成像的基本条件：当雷达发射的波束照射到目标的不同部分时，必须有时间差，这样从目标反射的回波也有时间差，并且可以区分目标的不同部分。在与飞机一起飞行的过程中，侧视雷达在垂直于航线的方向(到航程的距离)发射非常窄的波束，在导航方向(方位角到方位角)非常窄，在距离方向非常宽，覆盖地面上非常窄的地带。光束从飞机的近距离(近点)照射到远距离(远点)。每个波束由特定时间间隔(脉冲宽度)的特定波长的微波脉冲组成。30、侧视雷达(SLR)的工作原理，雷达发射机通过天线在短微秒时间内发射出一

9、束能量很强的脉冲波，当它遇到地面物体时，反射信号被天线接收。因为系统和地面物体之间的距离不同，所以同时发送的脉冲在不同的时间被接收。目标从近到远记录在显示器和胶片上。由于距离成像，目标的实际地面距离(地面距离)大于显示器和胶片上记录的距离(倾斜距离)。31、侧视雷达工作原理，平台向前飞行，天线交替发射和接收雷达脉冲；在波束宽度范围内，由于距离不同，不同的地面物体在不同的时间反射回波。反射回波信号记录图像扫描线。天线接收并记录返回的信号。32、侧视雷达的工作原理，侧视雷达工作原理的相关术语，a:飞行方向；b:最低点方向e:方位角方向；d:距离方向；c:扫描宽度，a:入射角；b:前景；c:倾斜距离

10、；d:地面距离；俯角，33，侧视雷达(SLR)工作原理，距离分辨率Pg，侧视方向分辨率Pg=c /2cos脉冲持续时间(脉冲宽度)，俯角，C光速，俯角越大，Pg越大，分辨率越低，即距离越近，距离方向分辨率越低。A:近距离；B:远距、34、侧视雷达的工作原理、35、36、侧视雷达的工作原理、沿航路方向的分辨率、方位分辨率、跟踪分辨率Pa=*R波束波瓣角、从R天线到像素的倾斜距离=/l、波长、L天线长度Pa=(/)与距离分辨率定律相反。合成孔径技术，方位分辨率提高，天线孔径扩大，电磁波波长更短，观测距离更短。方位分辨率Pa，对于机载雷达，假设其脉冲宽度为100纳秒，飞行高度为5公里，天线波束宽度为

11、3毫弧度(也就是说，其天线孔径长度约为波长的300倍，例如，对于X波段雷达，波长为3厘米，天线长度为9米)，可以计算出斜距分辨率Rr约为15米，当以45角入射时，RA的方位分辨率为23米。如果安装在飞行高度为500公里的卫星上，当它以45度角入射时，方位分辨率将降低到2.3公里。通过减小天线波束宽度来提高方位分辨率在技术上非常困难，因此真正的孔径雷达只能是机载的。Rr=(10010-93108)/2=15mRa=(3/900)5000/cos45=23m，Q？为什么目前真正的孔径雷达只能是机载的，37，=，波束的脉冲时间越短，距离分辨率越高，但是如果它太小，发射功率就会降低，这将降低后向散射的

12、信噪比。脉冲压缩技术，如何提高雷达分辨率？理论上，方位分辨率可以通过增加孔径D来提高，但实际上很难实现，因为孔径的大小决定了天线几何尺寸的大小。合成孔径技术，=，38，侧视雷达的方位分辨率Pa=(/l)*R，侧视雷达的距离分辨率Pg=c/2co，侧视雷达的斜距离分辨率Pr=c /2，39，合成孔径雷达区别在于发射和接收天线被分成许多小单元，每个单元在不同的时间发射和接收信号。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度也不同。目的：提高飞行方向微波图像的分辨率。微波遥感传感器分类合成孔径雷达，原理：使用短天线产生长孔径天线的效果。也就是说，小天线沿着直线连续移动，在移动中的每个位置发射信号，在相应的

13、发射位置接收回波信号，同时存储相位和振幅。当天线移动距离为l时，存储的信号与长度为l的天线阵列接收的信号非常相似，40，微波遥感传感器分类-合成孔径雷达(SAR)，基本原理：使用短天线，通过飞行平台的移动和信号数据处理，产生长孔径天线的效果，这相当于通过延长天线孔径来提高观测精度。沿飞行轨迹形成天线阵列，与数据记录和处理过程相联系。在不同的位置接收同一地面物体的回波信号，在不同的时间获得不同相位和强度的信号，形成相干图像。经过复杂的处理，获得了地面的实际图像。41、微波遥感传感器合成孔径雷达原理，合成孔径雷达记录每个位置的回波信号，针对同一个地面目标，目标与飞机之间的距离不同，相位不同，强度不

14、同，此外，还会产生多普勒效应，频率也会发生变化。处理器对不同相位执行相移补偿(聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差)，然后叠加在每个位置接收的信号，形成最终的合成孔径雷达信号。微波遥感传感器分类-合成孔径雷达(SAR)，42，43，4B.3，侧视微波图像的几何特征，斜距显示的侧视雷达距离压缩，侧视雷达覆盖图的透视收缩，距离压缩原理示意图，斜距显示的近距离压缩，雷达地面距离和斜距图像的距离分辨率：当脉冲宽度和波速不变时，距离分辨率和雷达凹陷地面距离A=B=C，a1=acos B1=bcosbc1=CCOs c在斜距图像上，侧视雷达阴影原因是起伏地形后坡上的雷达波束无法到达，没有回波信号，图像的相应

15、位置出现了暗区域。有三种情况：1 .地形坡度小于雷达倾角；不会产生阴影；2.地形坡度等于雷达倾角；取决于地形坡度的粗糙度；3.地形坡度大于雷达倾角：会产生阴影。雷达阴影生成原理示意图，1，2，3，侧视雷达阴影，透视收缩，侧视微波图像几何特征，透视收缩是面向雷达波束的斜面投影到斜距离平面时的距离压缩增强。透视收缩也称为“前向收缩”，在起伏地形的雷达图像中，山坡的长度总是比比例计算后的实际长度短。侧视雷达的透视收缩规律：在雷达图像中，前坡的距离压缩总是比后坡更明显，透视收缩表明较大的回波区域集中在较小的图像区域；在强度图像上，前坡比后坡亮。当局部入射角为零时，来自山顶、山腰和底部的回波会聚到一点，

16、出现最大透视收缩。图像的透视收缩率与局部入射角有关。48，在陡峭的山区，侧视雷达图像中有一种严重的倾斜现象。Layover现象的原理，Layover，侧视微波图像的几何特征，侧视雷达是距离成像，最早的返回信号记录在近端，而较晚的返回信号记录在远端。在起伏地形成像中，当坡度和雷达俯角之和大于90度时(即当局部入射角为负时)，来自山顶的回波比来自山脚的回波更早被雷达接收和记录，因此山顶图像“叠加”在底部图像之前。中途停留的现象非常严重。侧视雷达是距离成像，最早的回波信号记录在近端，最晚的回波信号记录在远端。在起伏地形成像中，当坡度和雷达俯角之和大于90度时(即当局部入射角为负时)，来自山顶的回波比来自山脚的回波更早被雷达