微波遥感基础
第二章微波遥感的基本原理
或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电
磁波称为相干波或相干辐射。电波天线正是利用电磁波的相
干性制成的。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波的
振幅是各个波的振幅的代数和，交叉区域不会出现振动强弱
交替的现象。
如果两个独同时投射到探
测器，其合成波的振幅为
f(t)+g(t)，则瞬时功率为
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西安电子科技大学 理学院
对于灰体
在一定温度下，任何灰体材料的发射率等于它的吸收率。 也表明，一个好的辐射体也一定是一个好的吸收体，反之亦 然。
对于不透明材料
透明材料？
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发射率是遥感研究中地物的重要参数，它给出了辐射体在球 面空间内的发射本领，如与方向无关称为半球发射率。材料 的发射率也可能随测量方向而变，特别是表面磨光的金属或 者光滑平面，此时需要分析材料的定向发射本领。它是与辐 射表面的法线成θ角的小立体角内所测到的发射率。
28
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给定波长上的工程最大值的温度Te，比物理最大值的温度 Tm要高27.6％，相应地，对应于工程最大值的温度下的谱 辐射通量密度也要大11.6%。 四、非黑体辐射
一切能发射电磁辐射能的真实物体统称为非黑体
Me和Me(λ)分别为非黑体的总辐射通量密度(即辐出度)和 辐射通量密度(即单色辐出度)；e(λ)为一与波长、物质的性质、 温度等有关的系数，称为谱发射率或谱发射射本领。
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△E不同，辐射的光子频率也不同，△E为1-20eV时，可 产生波长为0.2-1.0μm的辐射， △E为为0.05-1．0eV时，可 产生波长为1-25μm的辐射， △E为0.03-0.05eV时，可产生 波长为25-300μm的辐射；能量再低也可辐射少量微波。不同 的物质，其发射、吸收和散射电磁辐射的能力是不同的，电磁 辐射的频率、极化和电磁能量随入射角变化的关系，因不同的 物质而异。这种差异，既与物质表面和其内部的几何结构有关， 又与物质本身的介电常数和温度的空间分布有关。正是基于这 种差异，才有可能达到遥感不同物体的目的。
2.2 微波遥感基础原理
Cτ
2 cosβ λH λR Δ L = βR = = (方位向分辨率) d sinβ d
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真实孔径雷达的分辨率 综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr*Ra
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真实孔径雷达的分辨率
w
w
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真实孔径雷达的分辨率
Δt
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距离向分辨率
β cosβ
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距离向分辨率
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，俯角越大分辨率越 低，垂直入射角（俯角=90o）， 分辨率最差。
β
距离向分辨率与俯角的关系
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）
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距离向分辨率 脉冲长度（亦称脉冲宽度）τ与雷达波长λ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 雷达图像的距离向分辨率
被反射的脉冲
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距离向分辨率
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距离向分辨率
R ∆r ∆Rr
发射的脉冲
τ
接收的脉冲
Δt 接收的脉冲
最小分辨角:
= 1.22
0
d
d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离， 应等于艾里斑的半径
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方位向分辨率
第一章微波遥感基础
SEASAT Image of Death Valley, 1978
第21页
1998年1月10日张北—尚义地震形变 第22页
第一节 引言
微波遥感分类： 被动微波遥感和主动微波遥感。
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辐射。 典型传感器：微波辐射计（该传感器为成
第11页
第一节 引言
微波遥感的优越性 微波对地物有一定穿透能力
1.微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量，密 度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近 天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微 波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信 息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植 被层底层甚至地表以下的信息。
产生干涉现象的电磁波称为相干波。第28页ຫໍສະໝຸດ 一、电磁波的基本特征与微波
2、相干性和非相干性 相干波，产生干涉现象的电磁波被称为相
干波。一般地，凡是单色波都是相干波。 波的相干性导致微波雷达图像的像片上会
出现颗粒状或斑点状的特征。
第29页
一、电磁波的基本特征与微波
3、衍射 衍射的定义： 如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大 小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边 界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改变 方向绕过其边缘达到障碍物后面，这种使一些 辐射量发生改变的现象称为电磁波衍射。
围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体 的几何特性以及体界电特性，这样，将微波、可 见光和红外辐射配合运用，就能够研究表面上几 何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。
第16页
另外，微波还可以提供某些附加的特性，这 使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根 据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的 结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影 响可以探测海水的含盐度等等。
微波
第一章微波遥感基础微波遥感的优越性：1、微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力。
2、微波对地物有一定穿透能力。
3、微波提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息4、微波遥感的主动方式可进行干涉测量，可以对地形变化进行监测。
微波遥感分类：被动微波遥感和主动微波遥感被动微波遥感：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辐射主动微波遥感：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电磁波：以波动的形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。
电磁波具有波长（或频率）、传播方向、振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。
叠加原理：当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其他的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率或波长和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量等于各个独立波在该点激起的振动物理量之和。
干涉：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。
波的极化：指在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性。
用电场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来表示。
去极化：产生交叉极化的过程称为去极化。
大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。
逆着入射方向的散射分量称为后向散射。
第二章微波遥感系统成像系统：是以非摄影方式获取地物遥感影像的各类遥感器系统的统称。
脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。
脉冲信号：相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号脉冲宽度：脉冲的持续时间。
脉冲重复频率：指雷达发射脉冲的速率，即每秒钟发射脉冲的个数。
平行于雷达飞行方向的分辨率称为方位向分辨率，垂直于飞行方向的称为距离向分辨率。
距离向分辨率指在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。
华北理工微波遥感课件第1章 微波遥感基础
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 微波遥感是利用工作在微波范围内的微波遥感器
对远距离目标物进行非接触性的探测、成像，并对所 获得的数据或图像进行测量、分析ห้องสมุดไป่ตู้判读的技术。
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 以合成孔径雷达(SAR)为代表的微波遥感器取得的雷
达图像，具有与摄影像片相媲美的空间分辨率和独特的物 理特性，有很大的应用潜力，是20世纪90年代以来研究和 应用的热点。
一、微波遥感的特点
2. 微波遥感的优越性
（1）微波能穿透云雾、 雨雪，具有全天候、全 天时工作能力
冰云对微波 几乎无影响
一、微波遥感的特点
2. 微波遥感的优越性
波长大于3cm， 大雨倾盆地区对微 波传输影响很小
一、微波遥感的特点
雨的衰减系数 与频率的关系
一、微波遥感的特点
2. 微波遥感的优越性
二、微波遥感发展历程
（6）1953年7月，依利诺斯大学用机载X波段雷达对地面 和海面的反射信号进行了研究，第一次证明了合成孔径 雷达原理，并获取了第一张合成孔径雷达图像。 （7）1956～1957年，美国密执安大学研制成功第一部采 用光学处理的合成孔径雷达，并于1957年8月进行了飞行 试验，得到的数据胶片，经地面光学透镜组处理，获得 了高分辨率的聚焦型合成孔径雷达图像。
平时成绩=考勤（15%）+课堂作业 （15%）
总成绩=平时成绩+期末成绩（70%）
第一章 微波遥感基础
一、微波遥感的特点 二、微波遥感发展历程 三、微波与物质相互作用 四、无线电谱与微波谱
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 微波是电磁波的一种形 式，把微波与可见光、红 外线、紫外线、X射线、 γ射线以及无线电波按波 长大小顺序排列，构成电 磁波谱。
电磁场与微波技术教学资料微波遥感
目录
• 微波遥感简介 • 电磁场与微波基础 • 微波遥感原理 • 微波遥感技术及应用 • 案例分析
01
微波波遥感是指利用微波辐射探测地表 、大气和海洋信息的技术。
特点
具有全天候、全天时的工作能力，能 够穿透云层和一定厚度的植被，获取 地表信息。
水体信息提取
总结词
微波遥感技术在水体信息提取方面具有优势，可提取水体面积、水质和流速等 信息。
详细描述
微波遥感通过分析水体的介电常数和含水量差异，能够提取水体信息。通过卫 星遥感和无人机遥感的结合，可以监测水体面积、水质和流速等参数，为水资 源管理、水环境保护和水灾预警提供重要数据支持。
THANKS
于地质灾害监测、城市规划等领域。
微波散射计遥感
总结词
微波散射计遥感是通过测量电磁波与地面目标相互作用后的散射系数，获取地面目标的物理特性和表 面粗糙度等信息。
详细描述
微波散射计遥感利用微波雷达或激光雷达等设备，向地面目标发射电磁波并接收反射回来的信号，通 过测量散射系数和表面粗糙度等信息，推断出地面目标的物理特性和表面状态等信息。该技术具有高 精度、高分辨率的优势，广泛应用于气象监测、环境监测等领域。
微波器件与系统
微波管
01
利用微波激发气体、等离子体或磁性材料等，产生高功率微波
辐射的器件。
微波集成电路
02
将多个微波元件集成在一块芯片上，实现微波信号的产生、放
大、混频和滤波等功能。
微波系统
03
由多个微波器件组成的复杂系统，如雷达、通信系统等，用于
实现特定的功能和应用。
03
微波遥感原理
微波辐射传
灾害监测与评估
微波遥感理论与技术基础(4)
A
Ex E y
2
2
Ex arctan Ey
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
The National Microwave Remote Sensing Laboratory
椭圆极化参数
椭圆角
b arctan a
• 北极：左旋； • 南极：右旋；
arctan ,2 纬度
Ex ， 经度 arctan 2 Ey
a b
物理意义： 球的半径：表示极化波的幅度； 通过球心的相反方向：表示正 交极化。
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
• Q>0: 趋向垂直极化； • Q<0: 趋向水平极化；
1 E2 E2 V H 2 2 cos 2 cos 2 EV EH I 1 U，V：表示两个极化的相位差。 2E H E V cosHV sin 2 cos 2 U：同相； 2E E sin sin 2 HV H V
电磁波极化特性的描述， 极化波的叠加， 极化的表示， 被动微波极化测量， 雷达极化测量， 极化特性。
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
The National Microwave Remote Sensing Laboratory
4.1 极化波的描述
被动微波遥感： H和V极化的幅度 H和V极化的相位差； 主动微波遥感（雷达遥感） 发射和接收的极化组合； 接收信号H和V的幅度； 接收信号H和V的相位差； 星载SAR的极化方式 ERS－SAR(VV) JERS-SAR(HH) PALSAR(ALOS), Radarsat2(Quadpol)
微波遥感
3. 微波遥感3.1 引言微波遥感包括主动式遥感和被动式遥感。
正如第2章所描述的，光谱的微波部分波长范围大约是1厘米至1米。
因为与可见光和红外线相比，微波的波长较长，这种特殊性对于遥感来说是非常重要的。
由于波长较长的光受大气散射的影响比波长较短的光要小，因此长波段的微波辐射可以穿透云层，薄雾，尘埃等（除了在暴雨情况下）。
这种特性使得几乎在所有的气候和环境条件下，都能进行微波能量的探测，从而可以在任何时间收集数据。
被动微波遥感在概念上与热红外遥感相似。
所有物体都能发射一部分数量的微波能量，但一般都不多。
被动微波传感器能探测在其视野范围内的自然辐射的微波能量。
这些辐射的能量与辐射体或辐射体表面的温度和湿度有关。
被动式微波传感器是典型的辐射计或扫描仪，除了它用天线来探测和记录微波能量外，其他大部分的工作方式与之前所讲的系统相同。
由被动传感器记录的微波能量的产生，可以来自于大气辐射（1），地面反射（2），地表辐射（3），或地下发射（4）。
因为微波波长很长，所以相比于光的波长它可获得的能量就相当少。
因此所需要的视野域必须大到能探测足够的能量以记录一个信号。
因此大部分的被动微波传感器的空间分辨率都比较低。
被动微波遥感可以应用于气象，水文和海洋学的研究。
通过观察大气本身，或"透过"大气观测（这依赖于波长），气象学家可以利用被动式微波测量大气剖面，并确定大气中水和臭氧的含量。
微波的发射受水分含量的影响，因此水文学家可使用被动式微波测量土壤湿度。
海洋学的应用包括绘制海冰图，海流图，海面风场图以及污染物的探测，如浮油。
主动微波传感器自己能提供微波辐射源来照射目标。
主动微波传感器通常分为两个截然不同的类型：成像和非成像传感器。
最常见的一种成像主动式微波传感器是雷达。
雷达（RADAR）是无线电探测和测距（RAdioDetection And Ranging）的简称，它的全名实际上也概括了雷达传感器的功能和操作方式。
第五章-微波遥感
距离（Range）与 方位（Azimuth）
大多数成像雷达是侧视系统。雷达天线随飞行器前进，发出 的波束依次向前扫描（航向或方位向-E）；天线发出的能量短脉冲 指向飞行器的一侧扫描（距离向-D）。侧视成像雷达就是以这种
连续带状形式对地表进行扫描，产生二维图像。
B - 星下点（Nadir)：平台的
地面轨迹； C - 幅宽（Swath )：雷达在垂 直于传感器运动方向照射的 区域； D -距离（Range )：横跨轨迹
表面散射 体散射
3）散射系数
• “后向散射系数”，即指入射方向目标单位截面积的雷达的 反射率，用σ°表示。它是入射方向上的散射强度（雷达后
向回波强度）的参数，除了与雷达系统参数有关外，主要取决 于物体的介电常数、表面粗糙度因素等。
2、雷达方程
雷达方程 是描述由雷达天线接收到的回波功率与 雷达系统参数 及 目标散射特征（目标参数）关系的 数学表达式。
组成，可产生多次散射，增强后向散射能量。
光滑
C
粗糙
角反射
体散射：指在介质内部产 生的散射，经多次散射后产 生的总有效散射。
当介质不均匀，或不同介 质混合的情况下，往往发生 体散射。如土壤或积雪内部、 植被等。
对于复杂地表植被，如树 木的散射特征，包括：树冠 的表面散射、树叶、树枝、 树干的多次体散射，以及树 下地面的表面散射，可看作 是多层次多成分散射介质、 多次散射的结果。
第5章 微波遥感
（一）微波遥感原理 --- 雷达回波强度的影响因素
三、雷达回波强度的影响因素
雷达回波（即雷达后向散射- Radar Backscatter ）的强度，可 简单地理解为雷达图像的亮度值。它取决于以下两方面因素：
• 雷达遥感系统参数：波长/频率、入射角/俯角、 极化方式/探测方向等；
微波遥感基础
微波偏振与极化 Polarization
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
E
Z
H
E线极化
E椭圆极化
E圆极化
H
Z
H
Z
H
Z
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。
Polarization of Microwave
不同温度的物体，辐射峰值的波长
Mb(T ) T 4
黑体总辐射与温度的四次方成正比
黑体辐射瑞利-金斯定律
不适合高频段（紫外灾难）
Mb(,T )
2c 4
kT
ehc kT 1 hc kT
长波段时，黑体辐射与温度成正比
19世纪末的这两片乌云，恰恰予示了催生新的科学理论的风雨即将来临！
最小分辨角:
0 1.22
d
(设计遥感器空间分辨率
具有重要意义。)
d 物镜的有效孔径
电磁波的衍射
夫 琅 禾 费 衍 射 图 案
电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射
艾里斑半角宽 :
电磁波的衍射－瑞利准则
最小分辨角:
0 1.22
d d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离，应等于艾里斑的半径。
大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线未不平滑 的折线。
地物的自发辐射
微波辐射指任何物体在向外辐射红外线的同时， 也辐射微波。
微波辐射特点如下：
1）微波与红外线相对，是物体低温条件下的重要 辐射特性，温度越低，微波辐射越强
2）微波辐射的强度比红外辐射的强度弱的多，需 要经过处理才能够使用接收器接收
微波遥感-1
分米波
0.1-1.0m
S,L,P
3）微波波段名称与相对频率、波长
v=λf
F(GHz)
0.23 0.39 0.39 1.55
Λ(mm)
1333.33 769.23 769.23 193.55
Λ(cm)
133.33 76.92 76.92 19.35
P L S C X K Q V W
1.56
4.20
4.20
应用范围
雷达与SAR对于大气降雨、大气可降水量、云中液态 水含量，海面风场、台风、海冰的监测，陆地土壤湿 度、积雪、干旱洪涝灾害、陆地水文、植被与农作物 生长监测等都有重要的应用。同时，还可在土地利用、 地质资源与探矿、地下目标探测、大地河口与海岸监 测、城市发展管理、海流与海面污染、海面舰船或地 面目标的识别等民用和国防技术中有十分重要的关键 性的应用。全极化SAR与INSAR图像还可以用来反演 森林树木高度、地面数字高程、地面形变、各类地表 的分类等。此外，逆合成孔径雷达ISAR、双站 BiSAR等研究也正引起关注。
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
1991/1995
1992 1995 2000 2002 2005 2005 2007 2009
C
L C C C L C X X
5.7
23.5 5.7 5.7 5.7 23.5 5.7 3.1 3.1
2.1 微波遥感基础原理
2 微波遥感基础原理本章要点本章从电磁波传播的基本概念到SAR 的基本原理对于雷达遥感的基本知识作了概要的介绍，包括相干成像和合成孔径的概念、重要的参数、SAR影像的基本特征等。
主要内容§2．1 微波遥感物理基础§2．2 真实孔径雷达基本原理§2．3 SAR系统基本原理§2．4 SAR影像的主要特性2.1 微波遥感物理基础作业：目标的散射特性与哪些因素有关？在真空或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。
E为电场矢量方向，M为磁场矢量方向，C为传播方向。
• 电磁波是时间和空间的函数• 电场矢量和磁场矢量相互垂直，而且又都垂直于传播方向• 电磁波具有波动性和粒子性• 波长、相干性、叠加性和极化等都是电磁波的重要特性＋幅度和相位• 如果某电磁波的电场矢量和磁场矢量均在垂直于传播方向的平面上，并且幅度为常数，则称为平面波在均匀介质中电磁波随时间作正弦变化，波长或频率是描述电磁波重要的参量。
微波偏振与极化Polarization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EHZE 线极化H ZE 椭圆极化H ZE 圆极化H Z极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向Polarization of Microwave水平极化是指电场矢量与入射面垂直 垂直极化是指电场矢量与入射面平行EHZ 垂直极化同极化HH，VV交叉极化HV，VH目标入射平面衍射衍射：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。
远场衍射，也称夫琅和费衍射，若光源或观察屏离开衍射孔或缝为无限远，这种衍射现象称远场衍射。
衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象；孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。
衍射对微波遥感的两个意义：天线；感兴趣的地表目标的大小与微波传感器的波长是相当的（毫米-米），土壤粗糙度、树枝、麦秆、水波和海浪等。
第三章微波遥感
雷达波束与竖直方 向所夹的入射角 发射雷达脉冲投影 到海表面的长度
从卫星到观测 区域的距离
合成孔径雷达的方位分辨率：
卫星在整个采样时间 内移动的距离
2
合成孔径雷达平台的要求： 平台的姿态及速度要非常稳定。
重点：1、分析微波和热红外辐射的异同。 2、微波遥感的优点和不足。 3、微波与大气的作用有什么规律？这些规律 对微波波段遥感有哪些重要意义？ 4、名词解释：天线增益、有效孔径、辐射方 向图。
重点： 1、写出雷达方程并说明雷达方程提供了哪些信
息？
2、说明合成孔径雷达的工作过程。
3、名词解释：多普勒频率、雷达的距离分辨率、 方位分辨率
应用：广泛用于微波辐射计、高度计、散射计等。
相控阵天线
由多个单元天线组合构成，分为线性阵列、平面 阵列、曲面阵列。
相控阵天线主要应用：合成孔径雷达。
相控阵天线的优点： （1）适用于多目标、多方向监测 ； （2）功能多，机动性强； （3）反应时间短、数据率高； （4）抗干扰能力强；可靠性高
不存在！！
各向同性天线： 在各方向上辐射的能量相同的天线。
天线增益：
天线增益表示为某一天线与标准天线都得到同样功 率时在同一方向上的功率密度之比。是描述一副天线将 能量聚集于一个窄的角度范围(方向性波束)的能力的一 个量。
方向性增益： 也常称做方向性系数，指最大辐射强度(每立体 弧度内的瓦数)与平均辐射强度之比。就是指实际的 最大辐射功率密度比辐射功率为各向同性分布时的 功率密度强的倍数。
波的干涉
1.波的干涉现象
频率相同、振动方向相同、有恒定的相位差的两列 波（或多列波）相遇时，在介质中某些位置的点振 幅始终最大，另一些位置振幅始终最小，而其它位 置，振动的强弱介乎二者之间，保持不变。称这种 稳定的叠加图样为干涉现象。
微波遥感基础
微波遥感基础微波遥感基础微波遥感基础 (1)⼀、微波遥感物理基础 (2)⼆、微波遥感技术的简介 (4)2.1 微波遥感 (4)2.2 微波遥感器 (5)2.2.1 雷达散射计 (5)2.2.2 微波辐射计 (5)2.2.3 雷达⾼度计 (6)2.3 微波遥感技术的特点 (7)2.4 微波遥感的优越性 (7)2.5 微波遥感的不⾜ (7)2.6 微波微波拥有强⼤⽣命⼒的根源 (7)2.7 我国微波遥感的差距 (8)三、雷达概念、分类 (8)3.1 成像雷达 (8)3.2 ⾮成像雷达 (8)3.3 真实孔径雷达 (9)3.4 合成孔径雷达 (9)3.5 极化雷达 (10)3.6 ⼲涉雷达 (11)3.7 激光雷达 (11)3.8 侧视雷达 (11)四、微波遥感图像 (11)4.1雷达图像 (11)4.1.1雷达图像 (11)4.1.2 雷达图像显⽰ (12)4.1.3 雷达图像分辨率 (12)4.1.4 雷达图像的处理 (12)4.2 侧视雷达图像 (13)4.3 雷达图像校准 (14)4.4 雷达图像定标 (14)4.5 雷达图像模拟 (14)五、微波遥感定标 (15)六、微波遥感概念、理论和技术的突破 (15)七、我国微波遥感的差距 (16)⼋、微波相关技术介绍 (17)8.1 偏振探测技术的特点 (17)8.2 微波散射特性 (18)九、微波遥感有待进⼀步研究的问题 (19)⼗、微波遥感的应⽤ (20)10.1 空间对地观测 (20)⼀、微波遥感物理基础电磁波具有波长（或频率）、传播⽅向、振幅和极化⾯（亦称偏振⾯）四个基本物理量。
极化⾯是是指电场振动⽅向所在的平⾯。
电磁波谱有时把波长在mm到km很宽的幅度内通称为⽆线电波区间，在这⼀区间按照波长由短到长⼜可以划分为亚毫⽶波、毫⽶波、厘⽶波、分⽶波、超短波、短波中波和长波。
其中的毫⽶波，厘⽶波和分⽶波三个区间称为微波波段，因此有时⼜更明确地吧这⼀区间分为微波波段和⽆线电波段。
2.4 微波遥感基础原理
基本原理：在方位向或距离向降低处理器带宽， 从而将方位向或距离向的频谱分割成若干部分，称 为视窗（look），各视窗分别成像后非相干叠加， 以抑制噪声。视窗的个数就称之为视数，它对应于 前述的独立样本个数。INSAR原始数据一般是单视 数的，即未作过多视处理的数据，多视处理往往在 形成干涉图之后。
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穿透性
rough low reflectivity 穿 透 性 （3） penetration
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smooth high reflectivity no penetration
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穿透性
Balbina Reservoir from JERS-1 SAR imagery (Oct. 1993)
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如何提高SAR分辨率 ？
波束之脉冲时间τ越小，距离 向分辨率越高，但τ太小则发 <== 脉冲压缩技术 射功率下降，降低后向散射 的信噪比
距离向
方位向
理论上增加孔径D就可以提高 方位向分辨率，但实际上难 <== 合成孔径技术 以实现，因为孔径的大小决 多普勒 效应 定了天线几何尺寸的大小
多视 ？
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侧视SAR阴影
雷达阴影产生原理示意图
2
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1
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侧视SAR阴影 侧视雷达阴影产生的规律 1，雷达阴影是起伏地形的雷达影像在后坡出现 暗区的图像缺失现象 2，雷达阴影的产生与坡度及雷达俯角有关 3，判断雷达阴影还要考虑山脊走向与卫星航向 的关系，考虑真倾向与伪倾向的关系 4，阴影区不含信息，但却是一种很好的观测方 向和地形信息的指示器
2.3 微波遥感基础原理
2§2.1 微波遥感物理基础§2.2 真实孔径雷达基本原理§2.3 SAR系统基本原理§2.4 SAR影像的主要特性真实孔径雷达的分辨率C τC τΔR r = ΔR g = (斜距分辨率) 2(地距分辨率) 2 cos βΔL = βR = λR d (方位向分辨率)=λH d sin β<==波束之脉冲时间 τ 越小，距离向分辨率越高，但 τ 太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比脉冲压缩技术理论上增加孔径 d 就可以提高方位向分辨率，但实际上难以实现，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<==1 SAR工作原理2 SAR分辨率3 聚焦补偿4 脉冲压缩原理5 多普勒频移与方位压缩6 SAR图像的成像SAR的出发点• SAR通过飞行平台的向前运动实现合成孔径。
利用天线的移动，可以将小孔径的天线虚拟成一个大孔径的天线，可以获得类似大孔径天线的探测效果• 地物对雷达发射的信号散射后会返回包含有地物信息（反射特性等）的信号• 如果雷达天线是固定不动的，则只能接受到一小部分从地物返回（后向散射）的信号• 如果雷达是快速移动的，就有可能收集到从地物后向散射到各个方向的信号，获得的信息量大为增加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。
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SAR在不同位置接收同一地物的回波信号，真实孔径雷达则在一个位置上接收目标的回波SAR工作过程SAR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（聚焦补偿，补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号两种天线接收信号的相似性34 1 2 SAR 多次成像分解示意图Through the moving of antenna along a line, image a scene for a number of times.通过沿着一条直线移动天线，对同一地物多次成像Synthesize the multiple imaging data of a scene to one image.把同一地物的多次成像合成为一幅图像Equivalent to “enlarge” the antenna, forming a very long antenna and thus improving the azimuth resolution.等效于增大天线，形成一根很长的天线，从而改善分辨率合成孔径大小要求实际波束宽度：实际分辨率：(合成孔径长度)合成波束宽度： 合成分辨率：dλβ=s LR L ==∆βdR L s s 22⋅==λβ2d R L s s ==∆βSAR方位向分辨率距离向分辨率与真实孔径雷达相同方位向分辨率只与真实孔径大小有关βτcos2c Rr=2d Rs=Antenna length : L=10 m Typical range : 计算合成孔径、距离向/方位向分辨率 km 85323cos /== sat H R m 25)23sin(1055.152103sin 268=⨯⨯⨯== θR r B c R Ground range resolution: km 510/056.0853000≈⨯==DR R λβAzimuth resolution:D Example: ERS-1/-2 SAR Resolution Synthetic antenna:For ERS-1/2, a 10m antenna is used to synthesize a nearly 5 km antenna.About 1000 radar images are used to get one SAR image.RAR Vs SARReal Aperture Radar Synthetic Aperture Radar (Crimea, Ukraine)5x14 km pixels 4x20 m pixelsSAR工程应用问题聚焦补偿随着平台的前进，平台和目标之间的相对位置关系会，…，X N各个位置接受到从P点回发生变化，X1，…，Xi来的信号的延迟或相位不同，需要进行补偿（聚焦处理）聚焦天线距离变化聚焦标准相干求和问题：波束的脉冲时间τ越小，距离向分辨率越高，但τ太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比解决方法：采用功率大的宽脉冲进行线性调频调制(啁啾, chirp)后发射，对接收的微波用具有相反频率特性的匹配滤波器(matched filter)滤波，用假设的窄脉冲宽度得到大输出即：使接收的低频微波在滤波器上有较大的延迟，使高频微波有较小的延迟，从而把接收的微波信号作为脉冲宽度很小的被压缩信号提取出来脉冲压缩(pulse compression)，解线性调频调制(de-chirping)在脉冲宽度τ的时间内，通过脉冲压缩和频率∆f 调制，振幅为原来的(τ∆f )1/2倍，脉冲宽度为原来的1/(τ∆f )倍，因此，随着∆f 的提高，距离分辨率和信噪比也提高 脉冲压缩原理 距离压缩来自两个相邻目标的回波可能重叠，但重叠区中两个回波在某一时刻的频率不同，也能被分开在返回的脉冲上还会产生由多普勒效应引起的频率偏移（Doppler Shift），这种偏移等效于线性调频调制，利用这个特性，在接受端设置具有逆特性的匹配滤波器，就可以改善方位向的分辨率。
微波遥感复习
第一章微波遥感基础1、微波遥感的概念及分类微波遥感是利用某种传感器接收地面各种地物反射或散射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需的信息。
主要分为主动微波遥感和被动微波遥感，被动微波遥感包括微波成像仪和微波探测仪；主动微波遥感包括雷达高度计、雷达散射计和成像雷达。
2、微波遥感的优越性（1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时的工作能力，优于可见光和红外波段的探测能力（2）微波对地物有一定的穿透能力，对地物的穿透深度因波长和物质的不同而有很大差异，波长越长，穿透能力越强。
（3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息，比如微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可以用于测定大地水准面，还可以利用微波探测海面风场。
（4）雷达可以进行干涉测量3、微波遥感的不足（1）微波传感器的空间分辨率要比可见光和红外传感器低（2）其特殊的成像方式使得数据处理和藉以相对困难些（3）与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致4、合成孔径雷达（SAR）特性及优势（1）全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限（2）全天时，主动遥感系统（3）对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长（4）对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角（5）高分辨率，分辨率与距离无关（6）独特的辐射和集合特性（7）干涉测量能力（8）多极化观测能力5、极化，指得是电磁波的电场振动方向的变化趋势。
极化方式有线极化、椭圆极化、圆极化。
第二章微波遥感系统1、常见的微波遥感传感器在海洋、陆地、大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器有五种：散射计、高度计、无线电地下探测器（以上为非成像系统）；微波辐射计、侧视雷达（以上为成像系统）。
2、散射计微波散射计是一种有源微波遥感器，专门用来测量各种地物的散射特性。
它是通过测量地物对微波的散射强度，达到测定地物的后向散射系数的相对值。
散射计按照观测方式可以分为以下四类：侧视观测散射计;前视（后视）观测散射计；斜视观测散射计；笔式光束环形扫描散射计。
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微波遥感基础
02107035 韩倩
1.微波散射计三种实现方法是什么?原理和优缺点?
方法一，使用一个可以准确指向被测目标区域的窄波束宽度的散射计
原理：当平台搭载散射计移动时，雷达跟踪目标区域并且建立后向散射曲线
优点：提高了分辨率
方法二，利用信号多普勒效应
原理：设想一散射计，方向图沿平台飞行方向较宽，垂直于该方向很窄，方向性很强，散射波束向前倾。
在任意时刻，由于回波信号来自Δθ的波束宽度内，因此很大范围内的表面都被探测到。
那么被探测点的回波会因为多普勒变为f0+δf。
优点：探测范围广
方法三，发送很短的脉冲信号，并分析回波的时间结构
原理：设想一方向性足够强的天线，飞行器静止，他的回波
,从而对入射角度进行求解。
经过两次的传输时间为：2H
c cosθ
优点：平台或者散射计本身固定；结果与脉冲受限雷达高度计的结果分辨率的相同
2.合成孔径雷达方程与常规雷达方程的差异，这种差异能带来什么
优势？
常规雷达方程方位分别率R a≈Hλ
L cosθ
合成孔径雷达方程的方向分别率L
这种差异优势：克服了对分别率对高度的依赖，通过平台的移动代替了天线大小的增加。
3.雷达工作时序的设计步骤分为哪几步？分别需要注意什么？
4.微波图像的评价方法和指标是什么？
指标：1、距离分别率、方位分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比
2、辐射分辨率
方法：点目标二维成像的“脉冲响应函数”（IRF）
5.什么校准？什么是定标？目的是什么？
校准：内部校准（为了克服系统内部传输误差，控制幅度相位）外部校准（为了了解回波测量过程中的随机误差）
目的：建立图像灰度与地物的精确散射关系
定标：σ0=H s−1P r
Ac
⁄Hs传递函数Pr接受功率Ac分辨单元面
积
6.模拟图像生成方法有哪些？有缺点是什么？
1、逐点仿真计算（计算量大）
2、同心圆仿真计算
3、二维FFT快速计算（小场景）
4、极化仿真计算
7.为什么要进行实时回波模拟的设计？
1、雷达系统设计具有参考价值
2、 用于雷达图像的几何校正
3、 用于培训
4、 建立数据库
8、在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？
材料特性随着外加磁场的场强和方向变化，可以使目标的散射面积变小，使回波信息不准确，常常用于隐身材料。
9、假设发射电磁波工作在2.16GHz ，在 穿透无磁物质时，其电导率
和介电常数关系为 ，则电磁波穿透深度为多少 ？
电导率极小时， d p =2σ(εμ)0.5 μ=μ0 c =1√εμ w =2πf 得d=7.656m
10、当入射角和折射角分别为30 ° 和12.6 ° 时，其折射率比值为多少，该电磁波入射到分界面时，其布鲁斯特角大小是多少？ n21=sinθ1/sinθ =sin30/sin12.6=2.3 θ=arctan √ε1ε2=arctan sin (折射角)sin (入射角)
=23.60 11、请分别计算出X 、L 、P 、K 波段下，按瑞利标准近似光滑表面时，其最小不同反射平面的路径差是多少？波段波长在其范围内自设。
Δφ=4πΔℎcosθ0
λ Δφ<4π
25 时光滑
L 波段 （30~15cm ） Δℎ最小是在 0.6cm
00,300σεεεω
==
X波段（3.75~2.5cm）Δℎ最小是在 0.1cm
K波段（1.67~1.11cm）Δℎ最小是在 0.0444cm P波段（0~50cm）Δℎ最小是在 2cm。