微波遥感简介

获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图象
微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达
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① 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。
P asaden a
N
L-b and SIR-C (HH) Ju ly 2 0 , 1 9 95
lo o k di rect io n
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重叠(Layover): 当雷达入射俯角(发射方向与水平面的夹角)小于地 面坡角时,山顶与接收器的距离小于山脚与接收器的距离,山顶的 回波先于山脚的回波到达接收器,这时山顶的影像会超过并覆盖到 山脚的影像上,造成重叠现象. 上图的下部可看出一些重叠现像.
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Pa = [3 10-2(m)/4(m)]200103(m) =1500m
若要求方位分辨率达到3m,则天线孔径需2000m.(这是不 可能的)
提高距离分辨率和方位分辨率的方法： 1） 采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度 2） 用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。
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β β= λ/ L
阴影(Shadow)：
当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时， 没有回波信号产生，图象上出现暗区 30
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地形引起的变形：透视收缩
山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度； 坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。
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透视收缩
The figure above shows a radar image of steep mountainous terrain with severe foreshortening effects. The foreshortened slopes appear as bright features on the image.
c.
X - b an d
lo o k di rect io n d.
Aerial P h o to grap h
N
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Foreshortening: 当地形
有起伏时,在影像上,面向入射 波的坡面会变短,即从山顶到 山脚的水平距离缩小,而背向 入射波的坡面变长,即从山顶 到山脚的水平距离变大.
雷达
地形线
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发一个脉冲,陆续 收到一连串回射, 而且回射的特性 随地物不同而异
飞行方向
脉冲宽度
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二. 有关术语
A：飞行方向；B：天底nadir E：方位向azimuth flight direction ； D：距离向look direction ； C：扫描宽度
A入射角incidence angle;
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透视收缩
a.
C-b an d ERS-1 d ep ress io n an g le =67 ? lo o k an g le = 2 3
b.
lo o k di rect io n L-b and JERS-1 d ep ress io n an g le =54 ? lo o k an g le = 3 6
注意: Foreshortening及重叠 现象随着平台高度增大而变 弱直到消失,所以一般的卫 星雷达影像这些变形都很弱, 可以忽略.
Seasat image of part of the Pine Mountain thrust in North Carolina
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阴影
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阴影
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目的：提高图象在飞行方向的分辨率。
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３.4.２ 侧视雷达工作原理
电磁波在空间中的传播速度c是一定的, 当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲,被 目标反射后,在时间t2返回, 则目标地物 的距离为:
(t2-t1)*c/2
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微波传播示意图
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一. 侧视雷达工作原理(真实孔径雷达)
真实孔径雷达是对平台的行进方向（称方位向）的侧方 （称距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目 标物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图 像。 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。
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合成后的天线孔径为Ls,则其方位分辨率为: Rs=(λ/ Ls)R 由于天线最大的合成孔径为: Ls=Ra=(λ/D)R 则有 Rs=D 由于双程相移,方位分辨率还可提高一倍,即 Rs=D/2 式中， λ:波长；D：雷达孔径；R：斜距。 由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使 从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。
上图：左侧地物压缩
下图：恢复（地距图象）
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地形畸变
透视收缩（foreshortening）：
山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往 往表现为较高的亮度； 坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量 越大。
叠掩(Layover)：
当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近 雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山 底的相对位置颠倒； 收缩度：坡顶的收缩度比坡底大
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右图为同一地区的两幅雷 达像片,航向不同,突出了 不同方向的线状地形起伏.
Professor Donald Wise (University of Massachusetts)制作 的模拟像片
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右图为同一地区的两幅 雷达像片,航向不同,像片 有很大差异.
尼日利亚境内的前寒武 纪岩石的航空雷达影像
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合成孔径雷达原理
理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹 方向的分辨率为： Pa =l/2
l为天线长度
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合成孔径雷达原理
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3.4.4
侧视雷达图象的几何特征
A、B、C为三个长度相等的线性地物。 斜距图象、地距图象
斜距图象的比例尺变化
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雷达图象变形：距离向
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地距图象与斜距图象
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距离向变形
B视角;
C斜距Slant distance; D地距Ground distance;
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A: 近射程（near range）
B: 远射程（far range）
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例:
设俯角50,脉冲宽度0.1s
则距离分辨力 Pg = 0.5 c ／cos Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.998 108(m/s)/cos 50 = 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2m
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三. 微波传感器
非成像传感器：
一般都属于主动遥感系统。通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参 数，不以成像为目的。
微波散射计：测量地物的散射或反射特性。
雷达高度计：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。
根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。
成像传感器：
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3.4.3
合成孔径雷达
合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）, 也 是侧视雷达。
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，形成相干影象。经过复杂的处 理，得到地面的实际影象。
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２. 方位分辨率 沿航线方向的分辨率—方位分辨率 ra=*R 波束宽度， R天线到该像元的倾斜距离 =/L, 波长，L天线长度 ra= (/L)*R 天线越长， ra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. 18
例: 设卫星天线孔径D=4m,波长=3cm,距目标地物200km, 则方位分辨力
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。
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③ 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。
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穿透深度随波长λ而增加:L和P波段比K或 X 波段更有穿透力。 对于森林，C 波段雷达波长较短，所以在树冠就反射了，没有 穿透力；但其它较长波段，由于大多数树叶较小对雷达波的传 播不影响，所以可以不同程度地穿过树冠。下图是 SIR-C 卫星 获得的SAR(合成孔径雷达)影像，L波段穿透了巴西亚马逊河流 域茂密的森林，显示了其下覆盖的轻微起伏的地形。
与光学图象比较
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Look Direction
a.
X - band, HH polarization look direction
b.
X - band, HH polarization
s
look direction
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侧视雷达的入射方位对影像的影响
在山区地形情况下,在雷达影像中, 地形起伏一般表现为明 显的亮坡-阴影组合特征. 沟谷和山脊的面向入射坡为亮坡 而背光坡为阴影. 因此,随着入射方位不同,不同方向的线状 地形起伏将会得到突出 ---- 线状的亮坡-阴影组合总是平 行于平台航向,亮坡朝向传感器,阴影背对传感器.属被动遥感 Nhomakorabea7
② 侧视雷达 侧视雷达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 , 发射一个窄的波束 , 覆盖地面上 这一侧面的一个条带 , 然后接收在这一条带上地物的 反射波 , 从而形成一个图像带。随着飞行器前进 , 不 断地发射这种脉冲波束 , 又不断地接收回波 , 从而形 成一幅一幅的雷达图像。