微波遥感-2.ppt

1、第二章 微波遥感系统,散射计、高度计、辐射计、侧视雷达,第一节 非成像传感器,一、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。,散射计的扫描方式：,散射计的原理 微波散射计产生的高频极化能量脉冲发射至地表，脉冲到达地面后，部分入射波经散射返回至散射计，散射回波的比例依赖于所照射之地表的特性，故能够提供被天线照射表面的后向散射截面。散射计接到回波后，后向散射信号被转化为数字形式。由雷达方程可以计算得到归一化的雷达后向散射截面。

2、 式中Pr为后向散射信号的能量，Pt为发射脉冲的能量，G为天线增益，为波长，A为天线面积，R为散射源与目标表面之间的距离。,静止气象卫星云图和微波辐射计,目前，常见的方法是将卫星散射计资料与静止气象卫星云图和微波辐射计SSM/I图象相互补充。静止气象卫星(如GMS)资料，具有较高的时间分辨率，每隔1520min接收一次温度和水汽的图象数据。卫星散射计资料具有较高的精度和空间分辨率。SSM/I也具有较高的时间分辨率(每3天覆盖全球一次)。,ERS-1星载散射计介绍,ERS-1，全称为European Space Agency Remote Sensing Satellite，简称“欧洲遥感卫星1

3、号”。 以研究海洋为主，进而服务于全球气候学研究的实用卫星。 ERS-1核心仪器为：（1）主动式微波仪（AMI），C波段（5.3GHz），具有成像、测风和测浪3种工作模式，相当于一部合成孔径雷达和两部散射计的组合，但3种工作模式只能择一工作；（2）雷达高度计（RA），Ku波段（13GHz、 7GHz）； （3）沿轨迹扫描辐射计（ATSR），由微波探测仪和红外辐射计组成。 ERS-1星载的主动微波遥感仪器（Active Microwave instrumentation），其中的AMI Wind Mode即散射计。散射计利用微波雷达的后向散射信号，可以确定平均海面雷达反射率。然后，使用经验模式反

4、演出海平面风场特性，如海平面的风速大小、风向。为了消除散射计数据解译时的风向模糊，ERS-1卫星上的散射计采用前、中、后不同角度的三根单极化天线，使用C波段，三个天线分别从45、90、135三个方向上进行海面雷达后向散射截面的测量， 刈幅为500km。 法国海洋研究所（IFREMER）负责处理、分发ERS-1、ERS-2卫星散射计资料。IFREMER利用COMD4反演模式得到风场资料。 此资料包括了风速、风向等信息。风速范围1-24m/s, 误差精度2m/s, 风向范围0-3600，误差精度200。风场产品是一组分布在500*500km海域内1919个格点的风矢量，其空间分辨率为2525公里。

5、,散射计-小麦,散射计-玉米,散射计-海风,散射计-积雪,散射计-海冰,散射计-水稻,散射计-果树,二、雷达高度计,2008年6月20日，美国航宇局、法国国家空间研究中心、欧洲气象卫星组织及美国国家海洋和大气局4家机构的合作项目贾森-2海洋卫星，由德尔它-2火箭从范登堡空军基地发射升空。贾森-2卫星将执行继“托佩克斯/海神”（1992年2005年）卫星和贾森-1卫星（2001年至今）之后的新一代海洋测高任务。,海神-3高度计是该任务的主要仪器，测量海平面、波浪高度及风速，由贾森-1卫星上的海神-2高度计改进。它具有紧凑、低功耗、小质量、可靠性高等优点。 它是一台雷达高度计，功率仅为7瓦，在2个

6、频率（13.575ghz和5.3ghz）上发射脉冲（第2个频率用于确定大气中的电子含量），然后由其配套的1.2米直径天线接收洋面反射的回程信号，在对回程信号进行分析之后，通过修正后的信号往返时间能精确地计算出卫星与海面某一点之间的距离。,2008年4月9日，日本宇宙航空研究开发机构、国立天文台、国土地理院等5家机构联合发布了最新月球地形图。此地形图是由日本国立天文台解析了绕月卫星“月亮女神”号上搭载的雷达高度计传回的数据后，由日本国土地理院制成的。,“嫦娥一号”贡献的全月DEM地形图,三、无线电地下探测器,低频率波束，对某些地物可穿透。 一般仅适用于飞机上工作，需排除强烈反射的影响，如调整入射

7、角等。,第二节 成像微波传感器,一、微波辐射计 中文名称： 微波辐射计 英文名称： microwave radiometer 定义1： 用以收集和测量地物发射来的微波辐射通量的被动式微波遥感探测仪。 所属学科： 测绘学（一级学科）；摄影测量与遥感学（二级学科） 定义2： 能定量探测目标物的低电平微波辐射的高灵敏度的接收装置。 所属学科： 地理学（一级学科）；遥感应用（二级学科） 定义3： 主要用于测量海面辐射强度的微波遥感器。 所属学科： 海洋科技（一级学科）；海洋技术（二级学科）；海洋遥感（三级学科）,微波辐射计 记录目标的亮度温度。 据瑞利-金斯公式，物体发射的功率与温度成正比。如果温度一

8、定，物体发射的功率最大值等于相同温度下黑体所发射的功率。 天线接收功率：P=kTbB K: 玻尔兹曼常数 Tb:绝对温度 B:辐射计带宽 物体辐射亮度温度：Tb=P/kB,辐射计天线实际接收到的功率： TA=PA/kB 包括入射到天线的所有方向上按天线方向图加权的全部辐射积分。 包括大气影响和天线自身发射的影响。,土壤湿度和海洋盐度研究卫星,欧洲航天局2010年5月21日宣布，该机构去年11月发射的土壤湿度和海洋盐度研究卫星日前结束了6个月的试运行，开始进入正式运行阶段。 据欧航局介绍，土壤湿度和海洋盐度研究卫星上装备了一台先进的综合孔径微波成像辐射计，它能够为地球拍摄“亮度温度”的快照。在这

9、些数据的基础上，专家们每隔3天就能绘制出一幅土壤湿度的地图，每隔30天完成一幅海洋盐度的示意图。通过对比不同时期的图像，研究人员将可以更好地了解土壤湿度和海洋盐度的变化过程及对地球天气的影响，进一步改善此前建立的气候模型；此外，这些数据还可用于农业和水资源管理。,海洋二号卫星1:3模型。海洋二号卫星是中国正在开发的第一颗海洋微波遥感卫星，可以满足中国对海洋资源和动力环境探测的需要，增加中国监控海洋的综合遥感手段。主要载荷为微波辐射计、微波散射计和雷达高度计等,二、侧视雷达,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azimu

10、th）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，由以一定时间间隔（脉冲宽度）的具有特定波长的微波脉冲组成。,A到B中间的几个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）。,脉冲长度（亦称脉冲宽度）与雷达波长不同。 脉冲宽度越大，距离向分辨率越低。 在地面可以分辨的两个目标最短距离就是侧视雷达图像的距离分辨率。,距离向分辨率range resolution,距离向分辨率与飞行器-目标之间距离无关。同样的地距，同样的脉冲宽度，俯角越大分辨

11、率越低，垂直入射角（俯角=90o），分辨率最差。 距离分辨率（地距分辨率）Rrange=(tc/2)sec(或 斜距分辨率Rr=tc/2（沿波束方向）,脉冲宽度越小，俯角越小，距离分辨率越高，俯角太小地形影响严重，当俯角一定时，减小脉冲宽度可以提高距离分辨率，所以合成孔径雷达在距离向采用脉冲压缩技术chirp（距离压缩）。,俯角,入射角,Tc/2,Tc/2cosB,方位向分辨率azimuth resolution,方位向分辨率： Ra=R 为雷达主波瓣角 R为斜距 雷达波瓣角与波长成正比与天线孔径成反比： Ra=(/D)R(又R=H/sin=H/cos),提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电

12、磁波，缩短观测距离合成孔径技术。,Rr=(10010-93108)/2=15mRa=(3/900) 5000/cos45=23m,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,天线长则为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的,因此真实孔径雷达只能是机载的。,综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr

13、*Ra,三、侧视合成孔径雷达synthetic aperture radar, SAR,用一个小天线沿一直线方向不断移动，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。 合成孔径雷达在不同位置接收同一个地物的回波信号，真实孔径雷达则在一个位置上接收目标的回波。,合成孔径雷达在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化。 处理器针对不同的相位进行相移补偿（补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的

14、信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号。,合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达相同。 方位分辨率： 采用合成孔径技术合成后的天线孔径为真实孔径雷达的波瓣宽度（方位分辨率）即 由于电磁波双程位移，最终的方位分辨率还可提高一倍。,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(Raw Signal Data)。从信号数据到图像产品,要经过复杂的步骤。,第三节 天线、雷达方程和灰度方程,一、雷达天线 天线是将发射机产生的电磁波发射出去，或者接收地物反射回来的电磁波，并传送给接收机的重要中间环节。 各向同性的天线（各方

15、向辐射能量相同）是不存在的。天线立体方向图表示天线能量的分布空间。,平面天线方向图,对于大多数天线来讲，若发射和接收时辐射方向图是一致的，则被称为互易元件。,侧视图,正视图,俯视图,单位立体角辐射功率,天线发射的电磁波是球面波。 以球面坐标系表示辐射能量的空间分布。,球面坐标系中r表示距离，为仰角，为方位角。则辐射方向图F(,)即表示了在 (,)方向每单位立体角内的辐射功率。,通常对F(,)按其最大值作归一化处理，这时的方向图Fn(,)称为归一化方向图： Fn=(F(,)/ F(,)max)(单位分贝),不同情况下天线方向 图主瓣的有效宽度 可分别用方向图立体 角p，主波瓣立体角m ，旁瓣立体

16、角s来描述。,二、雷达方程,雷达波束是以天线为中心的球面波。包括： 发射-发射增益-传输吸收-到达-回波吸收-接收增益-接收总功率。,THE RADAR EQUATION,The SNR is derived from the radar equation: where Peak transmit power Antenna gain (one way) Transmit system loss Receive system loss Operating noise figure Boltzmanns constant Noise temperature Bandwidth Pulse len

17、gth Antenna length,三、雷达灰度方程,雷达回波功率的大小将由雷达接收机视频输出信号强度I表示： I=M Pr 视频信号记录在图像胶片上时，转换为胶片密度D,它与视频信号灯I的关系： D=r lgI+lgk,第四节 空间微波遥感系统,4.1 星载微波遥感系统 1978年到1998年 国际上共5个型号6颗对地观测民用星载雷达卫星： 美国的Seasat(海洋卫星) 前苏联的Almaz(金刚石)卫星 日本的JERS(地球资源卫星) 欧洲空间局的ERS(欧洲遥感卫星)1号和2号 加拿大的Radarsat(雷达卫星) 测雨雷达卫星,1、海洋卫星雷达,美国NASA于1978年发射SEASA

18、T海洋卫星，它是第一个装载侧视雷达的民用雷达卫星。 装载了三个微波雷达，微波辐射计和可见光近红外辐射计运行轨道近圆形，轨道平面与赤道平面交角108 每天绕地球14圈，飞行高度800km。,1、海洋卫星雷达,2、欧洲遥感卫星雷达,1991年7月16日发射升空 主要应用目的是： 研究海洋环流、洋流、潮汐及内波传播 了解全球风与波浪的关系 分析极地冰盖及海冰 探测海底地形并监测海面温度 进行包括地质、农业、森林、冰川在内的陆地应用研究 1995年，ERS-2 SAR发射上天 两个卫星可以1天或8天的时间间隔对给定地区成像,Meteorological satellites are effective

19、 at placing Mt. Etna into context.,The ATRS (Along Track Scanning Radiometer) can provide different aspects of a ground scene. Here the island of Sicily is dark but the plume from Etna has been colored yellow.,We will now use the MODIS sensor on Terra to do a time sequence study of the changes .,Her

20、e is the interference ring pattern that was determined from ERS-1 data acquired in 1995.,Interferogram of Hector Mine 7.1 M Earthquake. One fringe corresponds to 28 mm of ground displacement away format he radar. Synthetic Aperture Radar data are from the European Space Agency Satellite ERS-2 satell

21、ite. Data were acquired at Scripps Institution of Oceanography/IGPP on 20 October. Real-Time Orbits were provided by Delft University and the ground station was built by SeaSpace Co. and SIO.,3、日本地球资源卫星雷达,1992年2月11日 地球资源卫星1号(JERS1) 星上装载光学传感器和合成孔径雷达 L波段 H H极化雷达 与太阳同步的轨道 高度为568km 轨道倾角为97.7 每天绕地球运行15圈,

22、Water level changes (dh/dt) measured via interferometric synthetic aperture radar from the Japanese Earth Resources Satellite (JERS-1). The spatial patterns of the images have led to new insights concerning the Amazon (A) and Congo (B) floodplains. The Amazon floodplain is highly interconnected by c

23、hannels, resulting in complex flow patterns. In contrast, flow patterns in the Congo are less governed by channel connectivity and flooded areas lack well-defined boundaries.,4、金刚石卫星雷达,ALMAZ1(金刚石1号)卫星 由前苏联于1991年3月31日发射上天 用于对地观测的一颗卫星 第一颗S波段星载SAR系统 由于故障原因，10个月后卫星终止工作,5、加拿大雷达卫星(Radarsat),提供冰情和海况信息 勘测可再

24、生资源(如农业和林业)和不可再生资源(如地质) 监视加拿大多岛屿海和东部沿海有海冰和冰山的水域 监测和支援沿海和近海水域内的人类活动 对森林资源进行一年一度的调查 连续监测加拿大和其它国家农业地区的作物长势 用雷达立体像对测绘全球以供地质勘探和制图应用,5、加拿大雷达卫星(Radarsat),Soil moisture was estimated from RADARSAT-1 active microwave measurements over the Walnut Gulch Experimental Watershed on a) 29 July, b) 22 August and c)

25、 15 September 2003. Backscatter was aggregated from 7 to 280 m to reduce the effects of speckle.,RADARSAT五种工作模式 不同入射角范围 不同照射带 不同的范围要求 不同分辨率 不同的应用要求,5、加拿大雷达卫星(Radarsat),5、加拿大雷达卫星(Radarsat),1 标准波束 入射角2049 成像宽度为100Km 距离及方位分辨率为28m15m; 2 宽辐射波束 入射角2040 成像宽度为150Km 分辨率为28m35m; 3 高分辨率波束 入射角3749 成像宽度为45Km 分辨率

26、为10m10m; 4 扫描雷达波束 入射角2049 成像宽度为300Km 分辨率为50m50m, 或100m100m; 5 试验波束 入射角4959 成像宽度为75Km 分辨率为28m30m。,与已有的星载SAR系统比较RADARSAT有如下特点: 1 .具有45，75，100，150，300和500km 六种不同宽度成象能力。 2 .分别为11.6, 17.3，30.0 MHz 的调频带宽， 使距离分辨率可调。 3 .复盖全球周期短，每天可复盖北纬73至北极全部地区。 3天可复盖加拿大及北欧地区，24天可复盖全球。,5、加拿大雷达卫星(Radarsat),6、赤道卫星测雨雷达,赤道地区降雨测

27、量计划(TRMM)卫星测雨雷达(PR) 空间测雨的第一颗雷达卫星 美国和日本联合进行 为期三年 研究占全球降雨34的赤道及近赤道地区的降雨分布 分析全球变化 以加强对全球能量和水循环的理解 分析世界降雨对陆地、海洋、以及大气地球物理运动的作用 以利于环境保护 以5*5 的间隔 计算北纬37 和南纬37 之间地区的月平均降雨量,TERRA SAR-X,4.2 空载微波遥感系统 1，天空实验室SKYLAB 2，宇宙飞船 3，轨道空间站 4，航天飞机SIR-A,B,C-XSAR,1, 天空实验室,美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站，它在435千米高的近圆空间轨道上运行，先后接

28、待3批9名宇航员到站上工作。 1974年2月第三批宇航员离开太空返回地面后，天空实验室便被封闭停用，直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。它在太空运行2249天，航程达14亿多千米。,2，宇宙飞船,神舟-1,神舟-5,神舟-2,神舟-4,神舟-3,神舟-7,神舟-6,和平号空间站,和平号空间站（俄语：，兼有“和平”与“世界”之意）是前苏联建造的一个轨道空间站，苏联解体后归俄罗斯。它是人类首个可长期居住的空间研究中心，同时也是首个第三代空间站，经过数年由多个模块在轨道上组装而成。和平号空间站全长32.9米，体积约400立方米，重约137吨，其中科研仪器重约11.5吨。它在高350

29、至450公里的轨道上运转，约90分钟环绕地球一周。它的设计工作始于1976年，1986年2月20日发射升空。2001年3月23日坠入地球大气层，碎片落入南太平洋海域中。和平号的研究任务今后由国际太空站所取代。,国际空间站,国际空间站（International Space Station，ISS）是一项由六个太空机构联合推进的国际合作计划，也指运行于距离地面360公里的地球轨道上的该计划发射的航空器。国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的，经过近十余年的探索和多次重新设计，直到苏联解体、俄罗斯加盟，国际空间站才于1993年完成设计，开始实施。 目前有16個國家參與到國際空間站的建

30、設中來，它們是美國、加拿大、日本、俄羅斯、巴西、比利時、丹麥、法國、德國、意大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典、瑞士和英國。,其设计寿命为1015年，总质量约423吨、长108米、宽（含翼展）88米，运行轨道高度为397千米，载人舱内大气压与地表面相同，可载6人。国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳能电池等部分组成，建成后总质量将达438吨，长108米。,在对地观测方面，国际空间站比遥感卫星要优越。首先它是有人参与到遥感任务之中，因而当地球上发生地震、海啸或火山喷发等事件时，在站上的航天员可以及时调整遥感器的各种参数，以获得最佳观测效果；当遥感器等仪器

31、设备发生故障时，又可随时维修到正常工作状态；它还可以通过航天飞机或飞船更换遥感仪器设备，使新技术及时得到应用而又节省经费。用它对地球大气质量进行监测，可长期预报气候变化。在陆地资源开发，海洋资源利用等方面，也都会从中受益。 国际空间站在天文观测上要比其他航天器优越得多，是了解宇宙天体位置、分布、运动结构、物理状态、化学组成及其演变规律的重要手段。因为有人参于观测，再加上空间站在太空的活动位置和多方向性，以及机动的观察测定方法，因而可充分发挥仪器设备的作用。通过国际空间站，天文学家不仅能获得宇宙射线，亚原子粒子等重要信息，了解宇宙奥秘，而且还能对影响地球环境的天文事件（如太阳耀斑、暗条爆发等）作

32、出快速反应，及时保护地球，保护在太空飞行的航天器及其成员。,4， 航天飞机,发现号（STS Discovery OV-103） 阿特兰蒂斯号（STS Atlantis OV-104） 奋进号（STS Endeavour OV-105） 挑战者号（STS Challenger STA-099/OV-099（9次） 发射过程中爆炸 哥伦比亚号（STS Columbia OV-102（28次） 返回地球进入大气时解体 （它在1981年4月12日首次执行代号STS-1的任务） 测试载台 主推进器测试体（MPTA-098） 开路者号（STS Pathfinder） 用来与MPTA-098搭配进行测试用的

33、航天飞机造型模拟器 企业号（STS Enterprise OV-101）,SIR(Shuttle Imaging Radar )-A,B,C-XSAR,Researchers in 1981 gained the first indication of ancient river channels beneath the sands of the Sahara Desert without the use of picks or shovels. Amazingly, nobody even had to walk on the sand of the hot African desert.

34、Instead, the channels were found by researchers analyzing data from a radar instrument on the then-new technological wonder, the Space Shuttle Columbia.,SIR-B,False-color image showing Montreal, Quebec, Canada, and was acquired by the Shuttle Imaging Radar-B (SIR-B) during STS 41-G. The St. lawrence

35、 River dominates the right portion of the photo. Several bridges cossing the river are visible. Pink and blue areas are generally buildings or pavement. Light green areas regions of natural vegetation; darker green areas are generally cultivated regions. A race track like structure is apparent at top left. The Riviere des Milles Illes and the Riviere des Prairies (left and right, respectively), join to form a U-shaped waterway at the center of the image. The large elliptical green-centered feature west of the St. Lawrenc