第七章微波遥感.ppt

1、微波遥感,中国农业大学 信息与电气工程学院：张超 地理信息工程系,微波遥感,地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖 我国西南部多云雾、多雨等，光学图像获取困难 占地球面积五分之三的海洋上，气候条件变化大，经常被云层遮蔽。 微波雷达遥感可以作为光学图像的补充，对多云多雾地区监测，发挥重要作用,SAR的特点,为什么使用雷达成像技术 全天候，穿透云雾能力 全天时工作 穿透植被和树叶 微波对地表的穿透能力较强 海洋探测 干涉雷达测量地形 土壤水分,在电磁波谱中，将波长在毫米到千米级的幅度称为无线电波 这个波段又分为亚毫米波、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、分米波称

2、为微波波段,微波波段划分,遥感中常用的微波范围为0.8-30cm,可见光波长范围？,0.38-0.76微米,收音机：音乐台FM90.0MHz,雷达遥感成像,雷达（Radio Detection and Ranging，RADAR） 侧视航空雷达（Side-Looking Airborne Radar ，SLAR） ,雷达为什么要侧视？ 真实孔径雷达（Real Aperture Radar, RAR） 合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar),微波遥感分类,被动微波遥感、主动微波遥感,被动微波遥感 信号来源： 系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射的微波

3、辐射（用亮温表示）。 典型传感器： 传感器一般为微波辐射计，辐射精度目前约1K，空间分辨率一般都在公里级(卫星遥感)或米级(航空遥感) 。,微波遥感分类,主动微波遥感 信号来源： 系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波。 构成： 一部发射机，一部接收机，通常共用一幅天线。 典型传感器： 微波散射计 微波高度计。 成像雷达：侧视雷达，合成孔径雷达。, 微波穿透特性,微波对土壤、植被都有一定的穿透能力，其特性曲线可用以下图表示：,由图看到，波长越长，目标地物越干燥，微波对其穿透性越好，基本呈线性关系。,微波特征,微波属于电磁波，因此具有电磁波的基本特性： 反射、吸收、散射、透射,

4、电磁波的叠加,当两列波在同一空间传播时，空间上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 ）,微波遥感有关的几个电磁波特征,电磁波相干性,当两个或两个以上的电磁波在空间传播，他们的频率相同，振动方向相同，相位相同或相位差为常数，这时叠加后合成电磁波的振幅是各个波振幅的矢量和，这种现象称为干涉。,衍射,电磁波在传播过程中，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径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

5、就是衍射。 微波传播时会发生衍射现象。,极化,电磁波传播是电场与磁场交替变化的过程，且他们的方向互相垂直。电场矢量在与传播方向垂直的平面内 当电场矢量的方向不随时间变化时，称为线极化。 线极化分为水平极化和垂直极化 水平极化（H）指电场矢量与雷达波束入射面垂直 垂直极化（V）指电场矢量与雷达波束入射面平行,雷达极化方式,常用的四种极化： 同向极化： 水平发射，水平接收(HH) 垂直发射，垂直接收(VV) 异向极化： 水平发射，垂直接收(HV) 垂直发射，水平接收(VH) 多光谱传感器通过分光可以有多个波段的图像数据 全极化：包括HH、HV、VH、VV四种极化数据,侧视机载雷达（SLAR）工作原

6、理,1) 雷达的工作原理：,（a）脉冲调幅波波形图（AM）,（ b）脉冲线性调频波波形图(FM）,侧视机载雷达（SLAR）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,侧视雷达工作原理有关术语,A入射角; B视角; C斜距; D地距;俯角 当地表平坦时：A=B；不平坦时AB,侧视雷达工作原理有关术语,A: 近射程（near range）; B: 远射程（far range）,2) 真实孔径侧视雷达,天线装在遥感平台（飞机、卫星，航天飞机）的一侧或者两侧，斜视航线的外部地面。 记录地物的回波强度（振幅、相位和偏振），形成明暗不同的线条。 两

7、种分辨率：距离分辨率 ；方位分辨率,雷达遥感的投影称作斜距投影，地物在影像上的y坐标位置完全取决于斜距,距离分辨率 脉冲发射方向上（与平台飞行方向垂直），能够分辨两个目标的最小距离,距离分辨率,原理：,含义：距离分辨率和脉冲宽度成反比，和俯角成反比 注意：Rg越大，分辨率越低； Rg越小，分辨率越高 光学正视，是近大远小；飞行高度一定，雷达却刚好相反,为什么侧视,地距分辨率,斜距分辨率,Rg,R,方位分辨率 相邻两束脉冲之间，能够分辨两个目标的最小距离。沿着飞行方向X,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，其中角称波瓣角。要使雷

8、达的方向性精确，就要尽量增大主瓣功率和减少波瓣角,方位分辨率,方位分辨率,相邻两束脉冲之间，能够分辨两个目标的最小距离。 与波瓣角（ ）有关。,波瓣的宽度与距离成正比，则方位分辨率：,D,D,可见，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,波长、波瓣角和距离对方位分辨率的影响,波长变小方位分辨率提高,天线孔径变大方位分辨率提高,多普勒频移 Doppler Shift,路程差,相位差,波源,多普勒频移,若移动台朝入射波方向运动，则多普勒频移为正（即接收频率上升）；若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（即接收频率下降）。,最大多普勒频移: 当移动台的运动方向与入射波的

9、方向一致时, 多普勒频移最大。,3) 合成孔径侧视雷达,原理：用一根小天线作为发射接收单元，将此辐射单元沿一直线运动，在运动中选择若干位置发射信号、接受回波信号并记录（振幅和相位）。 当辐射单元移动一段距离Ls 后将储存的信息对同一目标不同强度的信号进行叠加，效果相当于一根长天线。,合成孔径雷达,由于多普勒效应存在，天线不同位置，回波的频率不同，先增大，后减小,合成孔径雷达方位分辨率,方位分辨率：,Ls的最大值：,提高方位分辨率,由于双程相移,R为小天线的方位分辨率,见下图,合成孔径雷达工作过程,举例比较：,合成孔径雷达可以大大提高方位分辨率，与距离分辨率无关,条件：,= 4 cm d = 8

10、 m R = 400 km,真实孔径雷达 ，方位分辨率= 2 km,合成孔径雷达 ，方位分辨率= 4 m,地物对微波的反射,侧视雷达天线接收到的是后向散（反）射,地物对微波的反射,对于长波雷达，地表较光滑，后向散射小。,同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于后向散射强而显得亮。,微波散射与表面粗糙程度的关系,瑞利准则：判断物体光滑或粗糙程度 微地表起伏h，波长，入射角,后向散射,Pr 为雷达天线接收功率； Pt为雷达天线发射功率； Gt为天线发射增益； Gr为天线接收增益； R 为天线到目标距离； A 为天线的面积； 为散射截面。,雷达方程与雷达后向散射系数 ,所谓雷达方程是表达雷达

11、天线接收到的雷达回波与发射雷达参数以及地面目标参数之间的函数关系。这个关系表达为：,两个球,显然， 是一个带面积量纲的地物参数。 通常用一个不带面积量纲的系数 0 代替 ，因而： S 为目标地物的表面积 这样后向散射系数 0 的物理意义为目标地物表面单位面积的平均散射截面。通俗的讲， 0 是指目标地物表面对于入射雷达能量散射出能量的百分比。 0是一个标量，无量纲，反映物体的物理性质。 0与目标地物的物质组成。含水量、粗糙度、与入射线的方位关系等因素相关。 0决定着图像对应象元的灰度值。因此各种地物后向散射系数成为雷达遥感判译的重要根据。,地物对微波的反射,微波散射与地物的复介电常数的关系 （复

12、）介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射率）。通常定义为物体电容与真空电容之比。 一般物体在干燥时，其复介电常数在38之间，而水的介电常数接近80。 介电常数增加，反射增加。 土壤含水越高，复介电常数增加，反射越强。 金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强。,雷达图像几何特征,雷达图像的变形： 像片上呈正方形的田块，在雷达图像上往往被压缩成菱形或长方形。 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。 因为雷达图像是根据天线对目标物的射程远近记录在图像上的，故近射程的地面部分在图像上被压缩，而远射程的地面部分则伸长。 透视收缩(Foreshortening ): 有地

13、形起伏时，面向雷达一侧的斜坡在图像上被压缩，而另一侧则延长。由于投射收缩，导致前坡的能量集中，显得比后坡亮。 顶底位移(Layover)：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。在图像上显示顶部与底部颠倒。,地形引起的几何变形,透视收缩（Foreshortening) 1: 雷达看到的距离； ：实际距离 雷达看到的距离比实际距离短,顶底倒移(Layover) 点比先成像,阴影（Shadow) 雷达无法看到的区域,几何变形在影像上的表现特征,雷达图像,ERS SAR image (pixel size=12.5 m),城区的图像很亮（角散射），植被的色调中等（体散射

14、），空地及水面色调很暗（镜面反射）,干涉雷达（InSAR， SAR Interferomatry ）,InSAR就是利用SAR在平行轨道上对同一地区获取两幅（或两幅以上）的单视复数影像来形成干涉 充分利用了雷达回波信号所携带的相位信息，得到两次成像相应的相位差，综合观测平台的轨道参数等提取高程信息，获得高精度、高分辨率的地面高程信息。,奋进号航天飞机外观图,SRTM 2000.2,由三部分组成：主雷达天线、桅杆、机外雷达天线,InSAR应用,利用雷达立体像对及干涉原理构建DEM,由SRTMC波段获取DEM再与TM图像叠加的结果,光学遥感与雷达遥感区别,采用波段不同 可见光近红外，多光谱，被动遥

15、感，白天成像；微波（厘米波），多极化，主动遥感，全天候，全天时 成像机制不同 中心投影；侧视、斜距投影 遥感平台要求 飞机、卫星、航天飞船均可 太阳同步轨道，保持相同光照条件；主动发射，轨道要求不严格 几何畸变差异 原因多方面，卫星姿态、地形、地球曲率、大气折光差 ；地形起伏为主因 噪声误差 主要受大气影响；雷达天线本身的噪声，大气影响较小 功能特点 对地物生化特性敏感，如植被的生长状态、土壤的化学组成比较敏感；对于地物的物理特性敏感，粗糙度、地形、介电常数等,光学遥感对植被的生长状态、土壤的化学组成比较敏感，长于区分植物种类、探测地物化学组分特性。这种遥感影像经彩色合成后制作的自然彩色影像或

16、假彩色影像接近人眼睛的视觉效果。这种遥感技术相对较为成熟，影像质量相对较好。缺点是受天气影响很大，很多地区一年中难得有几景理想的无云影像。 雷达遥感对于地物的物理特性，诸如高程起伏、水分含量较为敏感，对金属地物十分敏感。全天时、全天候，由于微波有穿透特性，可以获取地下一定深度的信息。缺点是技术尚不很成熟，技术相对复杂，噪声较大，影像质量相对较差。对于地形复杂的山区，几何误差较大，几何校正与影像判译较为困难。,两种遥感功能特点各异、优势互补,雷达遥感应用领域,地形测绘与地质研究中的应用 如埃及古河道的发现 国土、农业和林业中的应用 如土地利用调查（多云多雾地区）, 土壤水分监测, 作物生长监测与

17、分类，树高、冠幅测量 海洋研究和监测方面的应用 如海浪、海冰监测，船只识别，海面石油污染的监测 军事方面的应用 如军事目标的识别与定位,现代雷达技术发展趋势,宽带 高精度 抗干扰 智能化 多传感器融合,雷达卫星,雷达卫星是载有合成孔径雷达（SAR）的对地观测遥感卫星（航天飞机）的统称,美国雷达卫星 1、1972年4月，美国NASA的喷气推进实验室进行了机载L波段SAR的试验，并获得成功。 2、1978年6月28日“SEASAT1”卫星发射入轨，实现了距离方位分辨率均为25米的高质量对地观测图像。 3、1981年利用哥伦比亚号航天飞机成功发射了成像雷达SIR-A，分辨率为40X40米。 4、19

18、84年利用挑战者号航天飞机成功发射了成像雷达SIR-B。1994年发射成功了SIR-C/X- SAR，具有L、C和X三个波段，并具有可变入射角、多极化的能力。主要用于环境监测和资源勘探。,合成孔径雷达卫星的发展概况,5、1988年航天飞机阿特兰斯发射了“长曲棍球”SAR卫星，分辨率为1米，用于军事侦察。 6、1991年3月“大力神”火箭发射了“长曲棍球”SAR卫星。,前苏联雷达卫星 1983年6月反射第一颗SAR卫星，用于金星探测。 1984年1月17日发射第二颗SAR卫星。 1987年7月发射了第一颗钻石（原型）卫星。空间分辨率为1530米。 1990年发射了第二颗钻石（原型）卫星 1992

19、年发射的“资源F”卫星，装载了“横墙”,其它国家和组织 1991年7月欧空局发射率欧洲地球资源卫星（ERS-1）,分辨率为30米。 法国SPOT-1,SPOT-2装载了C波段SAR，空间分辨率为30米 1995年秋加拿大的RADARSAT1升空 ，可获取分辨率为10米到100米的雷达影像。并打算发射 RADARSAT2雷达卫星。 1996年欧空局发射率欧洲地球资源卫星（ERS-2） 1992年日本发射了地球资源卫星JERS-1,JERS1的主要有效荷载为L波段、水平极化的SAR，空间分辨率为18米。 2006年1月24日日本发射的ALOS卫星的PALSAR（相控阵型L波段合成孔径雷达），多极化，空间分辨率达7米。,2002年3月1日欧空局发射ENVISAT1卫星。最主要的传感器为ASAR。ASAR工作载C波段，波长为5.6厘米。可以进行多极化、可变观测角度、宽幅成像。 意大