海洋微波遥感中的介电常数
二维粗糙海面的微波发射率研究
cos i
sW ( k s∀
-
ki∀
)
!
[-
2
Im
(
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+
2
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f
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( ks∀ , ki∀ ) ) d
s
( 5d)
式中, Rh0, Rv0分别为水平和垂直极化下的 F resnel反
+
cos2 ( s -
i
)
k1sz
1 +
ksz
W (ks∀ - ki∀ ) dk∀
( 6a)
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2k
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-
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#
k1iz - # k21 k2iz k !
#
W (ks∀ -
ki∀
) dks∀ +
k2 zi -#
- sin2 (
2 理论推导
由瑞利 金斯定律和基尔霍夫定律知, 海面的亮 温和发射率有如下关系式, 即
TB ( , i, i, T s ) = e( , i, i )T s
( 1)
式中, TB 代表海面 亮温, 它是入射 波长 、观测角
i、方位观测角 i 和海面物理温度 T s 等的函数。因
此, 可用矩阵的形式, 来描述 4个发射率分量分别与
(完整版)海洋遥感总结
1. 狭义广义遥感狭义遥感：主要指从远距离、高空以至外层空间的平台上，利用可见光、红外、微波等探测器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的现代化技术系统。
（利用电磁波进行遥感）广义遥感：利用仪器设备从远处获得被测物体的电磁波辐射特征（光，热），力场特征（重力、磁力）和机械波特征（声，地震），据此识别物体。
（除电磁波外，还包括对电磁场、力场、机械波等的探测）两者探测手段不一样2. 遥感技术系统信息源－信息获取－信息纪录和传输－信息处理信息应用3. 遥感的分类（1）按照探测电磁波的工作波段分类：可见光遥感、红外遥感、微波遥感等（2）按照传感器工作方式分类：主动遥感、被动遥感4. 遥感的应用内容上可概括：资源调查与应用、环境监测评价、区域分析规划、全球宏观研究5. 海洋遥感的意义（1）海洋气候环境监测的需要海洋占全球面积约71%，海洋是全球气候环境变化系统中不可分割的重要部分厄尔尼诺、拉尼娜、热带气旋、大洋涡流、上升流、海冰等现象都与海洋密切相关。
厄尔尼诺是热带大气和海洋相互作用的产物，它原是指赤道海面的一种异常增温，现在其定义为在全球范围内，海气相互作用下造成的气候异常。
（2）海洋资源调查的需要海洋是人类最大的资源宝库，是全球生命支持系统的基本组成部分，海洋资源的重要性促使人们采用各种手段对其进行调查研究海岸带是人类赖以生存和进行生产活动的重要场所，海岸带资源的相关调查对于沿海资源的合理开发与利用非常重要（3）海洋遥感在海洋研究中的重要性海洋遥感具有大范围、实时同步、全天时、全天候多波段成像技术的优势可以快速地探测海洋表面各物理量的时空变化规律。
它是20 世纪后期海洋科学取得重大进展的关键学科之一。
重要性体现在：是海洋科学的一个新的分支学科；为海洋观测和研究提供了一个崭新的数据集，并开辟了新的考虑问题的视角；多传感器资料可推动海洋科学交叉学科研究的发展1. 海洋遥感的概念（重点）、研究内容海洋遥感：指以海洋及海岸带作为监测、研究对象，利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理来观测和研究海洋的遥感技术。
电磁波在海水中的传播研究
电磁波在海水中的传播研究摘要：在人们认识到超长波用于潜艇通讯的可行性和极长波在海洋深处核潜艇通讯中应用的可能性，并将两种可能成功的转化为实际后，海水中电磁波的传播性能问题受到人们的高度关注。
在此背景下，本文针对电磁波在海水中的传播问题展开研究，希望可以为推动电磁波在海洋研究中更广泛的应用做出贡献。
关键词：电磁波；海水；传播随着声波在水下无线通信中应用的缺陷逐渐显现，电磁波在海洋无线通讯中成功应用的案例不断增多，人们开始对电磁波在海水中的传播展开研究，人们发现，在海水高介电常数和高导电率的影响下，电磁波在海水中的传播衰减量相比在空气中要明显更多，但在传播速度方面优势一直比较稳定。
一、电磁波在导电媒质中的传播现阶段人们已经发现，导电媒质电荷分布的体密度在电磁波传播的过程中会发生改变，这种变化除在导电媒质电荷分布密度为0的情况外均存在；另外，导电媒质中传播电磁波会直接导致振幅出现下滑现象，原本同相的磁场强度矢量和电场关系发生变化，电场和磁场的强度差额进一步扩大，磁场能量成为电磁波能量中最重要的能量，反流、散射等原本不存在的现象也随之发生。
考虑到海水是一种特殊的均匀导电媒质，其具有恒定的温度，而电磁波在海水中传播过程，虽然与在空气中传播存在一定的差异，但仍要符合MaxWell方程组和对应辅助方程的关系要求，所以在对电磁波在海水中的传播特性进行研究的过程中，可以将电磁波等同于简谐波，此时海水作为均匀导电媒质，电荷体密度可以直接被视为0，在此时将电磁波在海水中的传播带入MaxWell方程组和对应辅助方程则可以发现电磁波在水下传播常数的平方可以通过表示，其中代表角频率；代表磁导率；代表介质的介电常数；代表电流密度矢量；代表海水电导率。
二、电磁波在海水中传播特性的特性分析（一）从具体的参数变化分析海水中电磁波的传播特性电磁波在海水中的传播特性要通过多种参数进行集中反应，目前以下几种因素是评估电磁波传播特性过程中最常用的参数。
海洋遥感ppt05 海洋遥感的微波基础
5.1 微波遥感的天线
Satellite Oceanic Remote Sensing
5.1 微波遥感的天线
Satellite Oceanic Remote Sensing
5.1 微波遥感的天线
Satellite Oceanic Remote Sensing
抛物面天线结构图
5.1 微波遥感的天线
可得到如下形式的雷达方程 ΦR /ΦT = σG0A/(4π)2R04
该式表明雷达天线接收功率和发射功率的比与斜距的四次方 成反比，因此雷达系统必须具备功率强大的发射机以及灵敏 的接收机。
为从上式中去除天线孔径A，根据增益为G0= 4πA/λ2，上 式可改写为
ΦR /ΦT = σ [G02 λ2/(4π)3R04] 因此，雷达散射截面σ可为
Satellite Oceanic Remote Sensing
5.1 天线的特性
常用的卫星雷达天线
1. 高度计是天底指向、抛物天线及圆形视场。其天线的半 功率波束宽度为 HPBW ～ λ / D
2. 侧视的抛物天线其视场为椭圆形。 3. 矩形的侧视雷达天线其长轴与飞行方向平行。这种天线
结构主要应用于合成孔径雷达SAR。矩形天线在垂直轨 道方向产生宽波束，而在沿轨道方向产生窄波束。 4. 以散射计为代表的高纵横比棒装天线，这种类型的天线 能够产生长而窄的视场，并且视场的长轴与天线的长度 方向垂直，而短轴与天线的宽度方向垂直。
σ = [ΦR /ΦT] [(4π)3R04 / G02λ2]
Satellite Oceanic Remote Sensing
5.2 雷达方程和散射截面
当天线用于观测海洋时，天线的半功率视场AFOV包含面积 比较大的散射和反射表面。如果在整个视场内，海洋的空 间特性是均匀的，则σ与AFOV是线性成正比。
海洋遥感知识点总结
海洋遥感知识点总结本文将从海洋遥感技术的基本原理、常用遥感技术和海洋遥感的应用领域等方面进行详细的介绍，并结合一些实际案例，希望可以为读者对海洋遥感技术有一个更全面的了解。
一、海洋遥感技术的基本原理海洋遥感技术是通过传感器对海洋进行观测和测量，然后将获取到的数据传输到地面处理系统进行分析，从而得到关于海洋的信息。
传感器可以是搭载在卫星上的遥感仪器，也可以是在飞机、船只等平台上安装的探测设备。
遥感技术主要依靠电磁波在大气和海洋中的传播和反射特性来获取海洋信息。
具体而言，通过用不同波段的电磁波对目标进行监测和探测，再利用电磁波与目标反射或散射作用时的特性来获取目标物体的信息。
遥感技术主要包括被动遥感和主动遥感两种方式。
被动遥感是指通过接收目标物体所发出的自然辐射或反射的电磁波，比较常用的是太阳辐射。
而主动遥感是指通过发送特定频率的电磁波到目标物体上，然后将目标物体发射的辐射或反射返回的信号进行分析。
被动遥感和主动遥感一般配合使用，可以获取更加全面的目标物体信息。
二、常用的海洋遥感技术1. 被动微波遥感被动微波遥感是通过接收海洋表面微波辐射来获取海洋信息的一种遥感技术。
微波辐射可以在大气中穿透，因此即使在云层遮挡的情况下，也可以对海洋进行探测。
被动微波遥感技术可以用来测量海洋表面温度、海洋表面风速、盐度等信息，对海洋动力学和大气海洋相互作用研究有着重要的意义。
2. 被动光学遥感被动光学遥感是通过接收海洋表面反射的太阳光来获取海洋信息的一种遥感技术。
光学遥感可以测量海洋表面的叶绿素浓度、海水透明度、沉积物含量等信息，可以用于海洋生态系统监测和海洋污染监测等方面。
3. 合成孔径雷达遥感合成孔径雷达（SAR）是一种主动遥感技术，通过发送微波信号到海洋表面，然后接收被海洋表面物体反射的信号，来获取海洋表面的信息。
SAR可以用来监测海洋表面风场、海洋表面粗糙度、海洋污染等信息，对海上风暴预警、海洋污染监测等具有重要的应用价值。
介电常数及其测量方法概述
介电常数及其测量方法概述作者：秦鸿瑜来源：《科教导刊·电子版》2013年第18期摘要介质介电常数描述了电磁波与介质的相互作用及变化，为了划分不同介质，提出了采用介电常数来划分不同介质的的方法。
本文介绍了介电常数的基本知识及测量方法，介绍了实验室的几种测量方法：时域反射法（TDR）、空间波法、同轴线法、谐振环法，为实验测量提供参考。
关键词介电常数空间波同轴线中图分类号：TB30 文献标识码：A1 介电常数的基本概念2介电常数测量方法介电常数测量方法有传输线法、同轴线法、波导法、探针法、谐振腔法和空间波法。
实验室测量方法有时域反射法（TDR）、空间波法、探针法、同轴线法等。
传输线法简便易行，但在tan€%]€%^较小时，测得的介电常数误差较大；探针法使用结构简单的单极振子，通过传输、反射的测量得出谐振参数，反演得到介电常数；谐振腔法采用高品质因数的谐振腔体测量低损介质，技术复杂，不易操作；空间波法通过测量地面目标体的微波反射系数，再通过反射系数来求得复介电常数。
2.1 时域反射法时域反射法（TDR）类似于雷达系统，首先向待测物发射电磁波，通过记录分析反射波形来确定待测物的距离，进而判断待测物特性。
TDR信号中包含介电常数和电导率信息，一般被测物体的阻抗是连续的，信号没有反射，如果有阻抗变化，就会有信号反射回来，频率范围从1兆赫到几兆赫。
时域反射系统由一个信号发生器、传输线传感器和一个接收器组成。
根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，利用电磁波在探头中的旅行时间可得到介质的介电常数。
2.2 空间波法2.3 同轴线法2.4 谐振环法谐振环法是基于传输线理论得到介电常数变化的方法。
谐振环法可以通过反射信号和发送通过介质的信号来测量介电常数。
发送信号和接收反射信号这两种测量方法相比，发送信号测得介电常数变化更灵敏。
谐振传感器的测量精度相对较高，但与待测媒质的导电性密切相关。
3 总结本文介绍了介电常数的基本概念及几种测量方法，并对这几种常见的方法进行了分析和比较。
微波遥感中的介电常数
植被介电常数
• 植被介电常数是一张量，其分量与入射场 方向相对于组成部分各介质体的方向有关。 在植被层中，有些介质体如叶子是任意指 向的，而茎在特定方向（竖直方向）上。 因此问题可简化为两个标量植被介电常数： 一个与垂直极化波有关，另一个与水平极 化波有关，每一个量都是波与垂直方向 （树干方向）所组成的夹角的函数(Ulbay等， 1984；王丽巍，1995)。
复介电常数的产生
• 交变电场 • 内电场跟不上外加电场变化，出现 相位差。
• 电磁波能量出现损耗，引入介电常 数虚部，用以表示损耗
土壤介电常数
土壤混合物的介电常数一般受下列因素影响：
1）频率、温度和盐度； 2）总体积含水量； 3）自由水和束缚水的相对分量，其影响单位体积下土壤 表面积； 4）土壤容重； 5）土壤颗粒形状； 6）水分子夹杂物（water inclusion）的形状
sin
2
sin
2
RT theory
dB = ( k a J a + k s J s ) dr - ( k a + k s ) B dr
Rayleigh and Mie theory
ka 1
ks
8 3
π n 0 ( k ') a
6
εs ε εs 2ε
介电常数的作用
应用两相混合物折射模型，植被介电常数可写作（Ulaby等，1987）：
ε c ε a ir v v ( ε v ε a ir )
也有利用线性混合模型计算植被介电常数的，但 结果表明利用折射模型与双频散模型计算的散射 与吸收系数与实测数据更为吻合
微波遥感——精选推荐
微波遥感微波遥感⼀、微波遥感概述1、微波微波是指波长1mm——1m（即频率300MHz——300GHz）的电磁波，包括毫⽶波、厘⽶波、分⽶波，它⽐可见光-红外（0.38——15µm）波长要⼤的多。
最长的微波波长可以是最短的光学波长的250万倍。
常⽤的微波波长范围为0. 8～30厘⽶。
其中⼜细分为K、Ku、X、G、C、S、Ls、L等波段。
微波遥感⽤的是⽆线电技术。
微波遥感：是传感器的⼯作波长在微波波谱区的遥感技术，是利⽤某种传感器接受地理各种地物发射或者反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取地物所需的信息。
微波遥感系统有主动和被动之分。
所谓主动微波遥感系统，指遥感器⾃⾝发射能源。
“雷达”是⼀种主动微波遥感仪器。
雷达是⽤⽆线电波探测物体并测定物体距离的，这⼀过程中需要它主动发射某⼀频率的微波信号，再接收这些信号与地⾯相互作⽤后的回波反射信号，并对这两种信号的探测频率和极化位移等进⾏⽐较，⽣成地表的数字图像或者模拟图像。
微波辐射计是⼀种被动微波遥感仪器，记录的是在⾃然状况下，地⾯发射、反射的微弱的微波能量。
2、微波遥感的历史微波遥感的发展可以追溯到20世纪50年代早期，由于军事侦察的需求，美国军⽅发展了侧视机载雷达。
之后，侧视机载雷达SLAR 逐步⽤于⾮军事领域，成为获取⾃然资源与环境数据的有⼒⼯具。
1978年美国发射的Seasat海洋卫星以及随后发射的航天飞机成像雷达计划、苏联发射的Cosmos1870，标志着航天雷达遥感的开始。
20世纪90年代以来各国相继发射了⼀系列的星载雷达，单波段单极化雷达遥感得到了很⼤的发展。
进⼊21世纪以来另有⼀系列先进的雷达遥感计划得以实施，使得多波段多极化雷达遥感得到了很⼤的发展。
这⼀系列计划的实施⼤⼤地推动了极化雷达和⼲涉雷达等新型雷达的发展，使卫星雷达遥感进⼊了⼀个新时代。
我国的微波遥感事业起步于上世纪70年代。
在国家历次科技攻关中，遥感技术都作为重要项⽬列⼊。
第二章海洋遥感原理与基础海洋遥感
n n in
Snell折射定律： n sin 1 / sin 2 c / v
n′表示电磁波在界面处传播速度和方向的变化，
在可见光范围可用折射仪测得； n〞表示电磁波在
介质中传播的衰减程度， n〞=kλ/4π 。
2024/3/15
2.1 与海洋遥感相关的基本概念
1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制
（2）海洋辐照度模型
太阳
b. 穿过海面的总下行辐照度模型
Ed ( ,0 ) Edd ( ,0 ) Eds ( ,0 )
大气
Edd ( ,0 ) Edd ( ,0 )(1 d )
d dsp f
1
2
dsp ( v h )
对于零度角入射：
入射角与折射角之和为90度
（入射角53.1度时出现）：
2024/3/15
dsp
与折射率和入射角有关
(n 1) 2
v h
(n 1) 2
dsp
1 (n 1) 2
2 (n 1) 2
2.2 电磁波与海水相互作用机制
2024/3/15
海表
2.2 电磁波与海水相互作用机制
1.反射波段(VIS-VNIR)的相互作用机制
（2）海洋辐照度模型 – a.海面上到达海面的下行辐照度模型
• 到达海面的瑞利散射：
Lr ( ) E0 ( ) cos s toz ( ) t w ( ) to ( ) t aa ( )(1 t r0.95 ) 0.5
Rh
Evi cos n 2 sin 2 cos r sin 2
海洋微波遥感
中国地质大学研究生课程论文封面课程名称遥感图像处理原理及应用教师姓名高伟研究生姓名黄永威研究生学号120080232研究生专业地图制图学与地理信息工程所在院系地球科学学院类别: B.硕士日期: 2009年1月9 日评语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
海洋微波遥感12080232 黄永威地球科学学院1. 微波及微波遥感电磁波谱中，波长在1mm-1m的波段范围称微波，对应频率从300MHz到300GHz，占据了电磁波段的三个数量级。
微波比可见光－红外波长要大得多。
微波遥感即通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物及其特性的技术。
微波遥感与可见光－红外遥感在技术上有很大差别。
可见光－红外遥感用的是光学技术，通过摄影或者扫描来获取信息；而微波遥感要求不同的设备和技术，它使用有源或者无源系统，收集和记录目标、背景在微波波段内的电磁波辐射、散射能量，经信号处理来识别目标物体或现象的有用信息。
微波遥感分为主动微波遥感和被动微波遥感两类。
主动式微波遥感器，又称有源微波遥感器。
主动微波遥感特征是，由微波遥感器发出探测用的微波照射被测目标物体，与被测目标物体相互作用，发生反射、散射或穿透一定深度，然后接收被测目标物体散射的微波信号，通过监测、分析回波信号来确定目标物体的各种特性。
常用的主动微波传感器有：真实孔径雷达、合成孔径雷达、雷达高度计和微波散射计。
被动式微波遥感器本身不发射电磁波，只接收被测目标、背景辐射的微波能量来探测目标物体特性。
被动式微波遥感器，也称无源微波遥感器。
常用的被动式微波传感器：微波辐射计。
2. 水体微波辐射特征海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一是海面及一定深度的复介电常数。
它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。
高频电磁波在海水中的传播特性
80
100
频频/MHz
图 6 海水衰减常数随频率变化
海水衰减常数受外场频率影响较大，且衰减常 数随着外场频率的增大而增加。在频率范围为 1MHz—100MHz，海水的衰减常数从 0.71 Np/m 增 加到 2.77 Np/m，在海水中的穿透距离从 1.4m 下降 到 0.36m。
4 结论
海水介电参数的计算在海洋遥感、水下传输特 性研究、粗糙海面散射等方面均有应用，本文借助 Debye 型公式下的 stogryn 模型计算了频率范围 1MHz—100MHz，温度范围-2℃—30℃下的海水复 介电参数、电导率、衰减常数及电磁波传播速度。 计算结果表明：在高频电磁波段，海水复介电参数 实部计算值大约为 80.90，随频率增加，其实部在 小数点后第三位缓慢变小；复介电参数虚部随频率 升高而减小，且变化迅速，从 103 量级下降到 101
为海水在无限大频率时的介电常数，普遍认为
ε∞ (S,T ) 与 温 度 及 含 盐 量 均 无 关 系 ， 可 取 常 数
4.9[5]；τ (S,T ) 为弛豫时间，它表示海水从开始极化
到达到极化的最终状态所用时间； σ (S,T ) 为海水
中溶解盐的离子电导率，单位为 mho / m 。
德拜模型仅在外场频率小于 2.66GHz 时有效。 在外场频率更高情况下，此模型就不再适合，需要
2 电磁波在海水中的传播速度
电磁波在介质中的传播速度可以由下式得出：
1
v=
ε 0ε r μoμr
(5)
其中海水是非磁性物质， μr =1。图 4 给出了高
频电磁波传播速度随频率的变化规律。
x 107 3.3353
电电右传电电传海频频海右
3.3353 3.3353
卫星海洋资料整理
1雷达极化的作用，为什么用？（不太确定）电磁波的传播和散射都是矢量现象，而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征。
极化合成孔径雷达在不同收发极化组合下，测量地物目标的极化散射特性，并用极化散射矩阵的形式表示。
由于电磁波的极化对目标的介电常数、物理特性、几何形状和取向等比较敏感，因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力。
2由于海洋环境的复杂性，影响微波辐射的因素很多，其论述有哪些主要因素是会对微波辐射有比较大的因素，是如何影响的？答：取决于两个主要因素：(1)海面及一定深度的复介电常数①它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定②海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体③从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电溶液④海水的介电常数是海水温度、盐度的函数因而海洋微波遥感可以测得海面及水下一定深度的温度和含盐度等信息(2)海面粗糙度：海面至一定深度内的几何形状结构。
从这一角度可将海面分成4类：①平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平坦海面，以静面反射为主。
②风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏得粗糙面。
此时电磁波在界面上产生复杂多变的反射和散射，散射回波增强。
同时，大风浪海面往往伴有泡沫带（含大量气泡和水滴）。
它的特征除与辐射亮度温度有关外，还与海浪谱、海面风速等有关。
③污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。
油膜使海面趋于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。
④冻结海面：海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异。
3海洋风速多组解的问题？P229因为散射计测量的直接要素并不是风，而是海面上风诱导的重力毛细波。
散射计发出的电磁波与这些风诱导的重力毛细波产生布拉格共振。
首先，在检测返回的电磁波信号时人们发现逆风和顺风方向的探测获得的返回信号的差别不明显。
其次，风速和风向不是一个未知量，它们构成两个未知量。
微波遥感海洋应用(高度计)
W (t ) PFS (t )
qs (t )
p (t )
PFS (t ) A exp( t ) I 0 (t )U (t )
1/ 2
其中
P (t ) 1海面的雷达脉冲响应
FS
ln 4 c 1 cos(2 ) 2 sin ( / 2) h (1 h / R) ln 4 c 1 [ ]1/ 2 sin(2 ) sin 2 ( / 2) h (1 h / R)
海况的影响(SWH)
Mean Sea level Mean Scattering Surface Median Scattering Surface
是高度计距离测量中最大的误差来源 （5cm）。 都是海面的非高斯分布造成的。
– Electromagnetic(EM) bias(2%- 5% of SWH)
1 2
A (2hct ' )
'P
其中:
16h12/ 3 In 2 t 'p2 t 2 p c2
脉冲时间τ与平滑海面的相互作用。图的下方表示受照区的轮 状形，右边表示回波信号的强度。
回波波形的产生(Pulse Limited)
海面参数的反演
理论上的回波波形及相应的反演参数
1有效波高（SWH）的测量
0 (0)-ocean surface backscattering cross section
at normal incidence Lp -two way propagation loss over and obove the free-space loss
-antenna beamwidth -off nadir angle
微波遥感
遥感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:高度计,散射计和成像雷达.高度计和散射计的空间分辨率较粗.雷达(Radar - Radio Detection and Ranging)微波遥感波段微波遥感波段:300MHz到300GHz(波长从1mm到1m) 被无线电界划分为:甚高频(VHF),特高频(UHF),超高频(SHF)和极高频(EHF).微波遥感波段5.75—10.90X56.0—100W4.20—5.75C46.0—56.0V1.550—4.20S36.0—46.0Q0.390—1.550L10.90—36.0K0.225—0.390P频率区间(GHz)波段名称频率区间(GHz)波段名称微波遥感波段地球资源应用中的常用波段:X, C,L波长增加,穿透能力增加.在晴朗天气状况下,大气对于波长小于30mm的微波略有衰减.随波长减小,衰减增大.波长小于10mm时,暴雨呈现强反射(用到了机载天气探测雷达系统)微波遥感波段ERS及RADARSAT利用C波段,日本的JERS利用L波段.C 波段可以用来对海洋及海冰进行成像,而L波段可以更深地穿透植被,所以在林业及植被研究中更有用.较长的波长可以穿透的更深,在冠层,树干及土壤间发生多次散射.微波遥感极化极化:电波的振动仅在单一平面水平极化:电场振动方向平行于水平面("H"极化)垂直极化:电场振动方向垂直于水平面("V"极化)微波遥感极化HH or VV imagery are referred to as 'like-polarised';HV or VH are 'cross-polarised'.与地表发生作用后,极化状态可能改变.背向散射通常为两种极化的混合.传感器可以设计成只探测H或V极化的背向散射.依据发射的及接收的极化的差别,可以有四种组合:HH,VV,HV,VH地物的微波辐射地物的微波发射热扫描波段8-14 m300K黑体辐射曲线1 m10 m100 m1000 m1000mm被动微波光谱辐射波长(λ)地物的微波辐射传感器所接收的被动微波信号由很多来源的信号(发射的,反射的和透射的)所组成1 目标的发射;2 大气的发射;3 地表的反射4 从地表下的透射4132被动微波传感器地物的微波辐射特点:辐射源多且微弱,需要很大面积的地表来提供能量,图像细节少;来自地面的信号受大气干扰小;不同物体的微波发射率差别往往比红外波段发射率差别大(如海水的微波发射率一般为0.4,陆地的微波发射率为0.8 )依据微波辐射鉴别地物波长范围:0.15 ~ 30 cm频率范围:1~200GHz中心频率:1, 4, 6, 10, 18, 21, 37, 55, 90, 157, 183 GHz地物的微波辐射应用:植被与空地想比,植被表面的发射较低.而且当植被覆盖度增加时,微波辐射的水平极化和垂直极化的差别减小.评估植被覆盖度.海洋水的微波辐射通常比较低,发射率随温度及盐分变化.监测海冰,估计海温.土壤湿度液态水吸收微波辐射.因此,湿润的土壤的微波辐射主要来自表面薄层.对于干燥的土壤,微波辐射可以来自10倍波长甚至100倍波长深的地里.对于雪和冰,微波可以透过,我们可以获得被雪或冰覆盖的地物的信息.地物的微波辐射北极地区海冰图.左图:冬季;右图:夏季利用被动微波遥感海冰地物的微波辐射利用被动微波估计陆地及海洋亮温美国南部陆地及墨西哥湾海水温度地物对微波的反射散射镜面反射角反射地物对微波的反射地物对微波的反射对于长波雷达,地表较光滑,背向散射小.同样的地表对于短波雷达就显粗糙,在雷达图像中由于背向散射强而显得亮.微波散射与表面粗糙程度的关系地物对微波的反射微波散射与入射角的关系入射角:雷达入射波束与地表法线的夹角ERS SAR 数据的入射角是23o,适合探测海洋波浪及其他海洋表面特征.大的入射角可以增加林地及空地的对比度.同一地区不同的入射角可以形成立体图像.地物对微波的反射微波散射与入射角的关系地物对微波的反射微波散射与地物的介电常数的关系介电常数: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.自然界一般物体在干燥时,其介电常数在3~8之间,而水的介电常数接近80.岩石的介电常数差别很小,很难依据介电常数来区别不同的类型.介电常数增加,反射增加.土壤含水越多,反射越强.金属物体有很大导电率,故雷达回波信号也很强.地物对微波的反射冠层的背向散射与下列因素有关:散射几何(specular---diffuse)散射体尺寸分布冠层下表面反射率叶面积(density of scattering elements per unit volume)极化(垂直极化的背向散射较强)行结构及方位冠层背向散射与极化的关系(L-band at 1.5 GHz, C-band at 5 GHz, X-band at10.5 GHz)地物对微波的反射土壤的背向散射与下列因素有关:散射几何(specular---diffuse)雷达俯角(多数土壤近镜面反射)与土壤含水量正相关不同土壤湿度时背向散射的变化地物对微波的反射液体水的背向散射:水的介电常数依赖于:温度——波长大于10-15cm时,0摄氏度时的介电常数大于20度.波长——波长小于10-15cm时, 介电常数迅速减小盐分——波长大于3-5cm 时,纯的H20比海水的介电常数更大雷达是倾斜照射,水面平静时,背向散射很小,雷达图像上通常很黑.但当波浪的尺度足够大时,图像也可以探测到.地物对微波的反射冰的背向散射:冰的介电常数很低(e.g. 2.5-6.0)海冰的介电常数与盐分含量直接相关(greater salinity = greater dielectric constant)海冰的介电常数与温度直接相关(higher temperatures associated with greater dielectric constants)淡水冰的介电常数非常低,容易被雷达穿透可以识别冰下物质(water vs regolith)可以探测冰川内部结构地物对微波的反射雪的背向散射:干雪的背向散射比湿雪更大波长较短时,雪的背向散射大,长波的背向散射小.L波段基本看不到雪.对于干雪, 雪水当量与背向散射有强的正相关.利用雷达制作雪水当量图必须选在夜晚(since it is wet during the day)地物对微波的反射总的来说,背向散射需考虑以下因素:Physical factors such as the dielectric constantof the surface materials which also depends strongly on the moisture content;Geometric factorssuch as surface roughness, slopes, orientation of the objects relative to the radar beam direction;The types of landcover (soil, vegetation or man-made objects).Microwave frequency, polarisation and incidence angle. 微波对物体的透射微波辐射透入物体的深度和介电常数,电阻率及频率有关金属有良好的导电性能,微波的穿透系数等于0.冰和雪是不良导体,因此微波能穿透冰和雪的覆盖,以探测冰,雪覆盖下的地面情况.水的介电常数大,微波很难透射.微波遥感器Microwave radiometer:测量微波区域地球的热辐射.强度与目标的温度与发射率,反射率及透射率有关.波长较短.由于能量较低,图像相对'noisy',空间分辨率低,解译复杂.可以测量视场中大气总的含水量,进行海—冰制图,估算其他海洋参数(比如表面风及降雨速率)Radar altimeter非成像雷达垂直入射及接收高度可以从发射及接收脉冲的时间延迟来推断微波遥感器Microwave scatterometer非成像测量背向散射在两个或更多方向扫描地表(usually by multiple sensors) 主要应用为测量海洋表面的风矢量(that is, speed and direction) .基本原理是海洋表面粗糙度的变化由风引起. 虽然不能成像,但也可以在很大的尺度上重建全球的风速图.微波遥感器成像雷达(真实孔径雷达—RAR;合成孔径雷达—SAR) 一般结构发射机转换开关天线接收机记录显示器脉冲发生器脉冲回波发射脉冲微波遥感器(1) 脉冲发生器产生微波脉冲(2) 发射机(3) 双向通讯器(转换开关)(4) 方向天线把脉冲聚焦成一束(5) 返回的脉冲被天线接收,发送到接收器,进行转换,放大为视频信号.(6) 数字式记录或实时显示过程微波遥感器分辨率(1)距离分辨率在垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力(所能分辨的目标间最小距离).由脉冲宽度(脉冲持续时间)决定.微波遥感器地距分辨率Rg斜距分辨率Rsθd: Depression angleθ1: off-nadir angleRs: slant-range resolution2CRsτ=Rg: ground-range resolutiondgCRθτcos2=C: speed of lightτ: pulse widthR: slant-range脉冲宽度τ,则在一个脉冲宽度内,电磁波往返距离:2Rs = Cτ微波遥感器距离分辨率的物理含义:脉冲时间为t, 两个不同距离的目标产生两个回波,要使两个回波不完全重叠,才能分清是哪一个回来的信号,必须有τ< 2 r/C距离分辨率与距离无关.若要提高距离分辨率,需要减小脉冲宽度.脉冲宽度小,则S/N降低,需加大发射功率,造成设备庞大,费用昂贵.目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率.微波遥感器脉冲压缩技术(Pulse compression/ De-chirping)对宽脉冲进行线性调频调制(啁啾—Chirp),随时间的变化频率增加.接收时采用匹配滤波器对先收到的低频信号进行延迟,实现叠加增强,但脉冲宽度降低.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,也可以被分开.微波遥感器(2)方位分辨率由波束宽度与目标的距离决定.波束宽度由天线大小及波长决定.微波遥感器方位分辨率与天线大小,波长,距离有关,要提高方位分辨率,需采用波长较短的电磁波,加大天线孔径和缩短观测距离.这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制.目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率.微波遥感器合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar -- SAR)特点:在距离向上,采用脉冲压缩(与真实孔径雷达相同)在方位上,采用合成孔径原理合成孔径基于多普勒效应Doppler effect:当目标与观测者之间有相对运动时,观测者接收到的频率与波源发出的频率不同,二者之差为多普勒频移.互相接近时,频率增加,远离时频率减少.θ波源θcos'CVffffd = =VV << C微波遥感器合成孔径原理方位压缩微波遥感器实际波束宽度:β= λ/ D实际分辨率: L = βR= Ls(合成孔径长度)合成波束宽度:βs= λ/ 2Ls= D/2R合成分辨率: Ls= βsR = D/2微波遥感器合成孔径雷达的方位分辨率与距离远近无关,因此可以用于高轨道卫星;分辨率的大小为小天线的一半,这将提供很高的分辨率.天线不能太小,因为合成孔径技术的基本原理是:小天线+信号处理=大天线缩小天线带来的一切技术问题都由星上的信号处理系统去解决,这对于星载的信号处理设备要求是很高的,使之技术复杂化.微波遥感平台典型的微波遥感平台:卫星:SAR sensors have been used on a number of satellites, (Seasat, ERS-1/2, JERS-1, RADARSAT)航天飞机:SIR-A, SIR-B, SIR-C/X-SAR微波遥感平台ERSEuropean Remote Sensing Satellite, European Space Agency微波遥感平台ERS-1 was launched in July 1991 and ERS-2 in April 1995. ERS-1 uses a SAR instrument to acquire images of ocean, ice and land regardless of cloud and sunlight conditions.Other microwave instruments measure sea state, sea surface winds, ocean circulation, sea and ice levels, as well as the sea's surface temperature.Near polar sun-synchronous orbitPrimarily oriented towards ocean and ice monitoring, but with an all-weather high resolution microwave imaging capability over land and coastal zones.微波遥感平台ERS-2 is practically identical to ERS-1, with the addition of the GOME sensor for global ozone monitoring.The orbits of ERS-1 and 2 are such that ERS-2 follows the same ground track as ERS-1, except for a 1-day delay. This provides an opportunity to obtain tandem interferometric data of an area using the SAR on the two satellites. The tandem data has better coherence property than the data obtained from 35-day repeat passes of a single satellite.Currently, only ERS-2 remains in active operation.微波遥感平台ERS-1,2 OrbitTypeSun-SynchronousAltitude782 kmInclination98.5 degPeriod100 minRepeat Cycle35 days微波遥感平台ERS SAR Instrument CharacteristicsFrequency5.3 GHz (C band)PolarisationLinear VVBandwidth15.55 MHzPeak power4.8 kWAntennae size10 m x 1 mIncidence angle23onominalSwath width100 kmResolution30 m (azimuth), 26.3 m (range)微波遥感平台RADARSATRADARSAT, Canada微波遥感平台RADARSAT is a Canadian satellite operated by the Canadian Space Agency (CSA)/Canadian Center for Remote Sensing (CCRS) for gathering global data on ice conditions, crops, forests, oceans and geology.The satellite was launched in November 1995, with the launch service provided by NASA, USA.Using a single frequency (C-Band), the RADARSAT SAR has the unique ability to shape and steer its radar beam over a 500 kilometre range. Users can have access to a variety of beam selections that can image swath from 35 kilometres to 500 kilometreswith resolutions from 10 metres to 100 metresrespectively. Incidence angles range from less than 20 degrees to more than 50 degrees.微波遥感平台RADARSAT OrbitTypeSun-SynchronousAltitude798 kmInclination98.6 degPeriod100.7 minRepeat Cycle24 days微波遥感平台SensorSAR(Synthetic Aperture Radar): The SAR is able to operate in several beam modes:Standard: Seven beam modes with incidence angle ranging from 20 to 49 deg nominal, 100 km swath width and 25 m resolution.Wide: Three beam modes with varying incidence angles,150 km swath width.Fine: Five beam modes with 50 km swath width and resolution better than 10 m.Scansar: Wide swath width (300 - 500 km) with a coarser resolution of 50 to 100 m.Extended mode.微波遥感平台RADARSAT Operating Modes微波遥感平台MODEResolution (m)Range x azimuth(m)LOOKSWIDTH(km)INCIDENCEANGLE(degrees)Standard25 x 28410020-49Wide - 148-30 x 28416520 - 31Wide - 232-25 x 28415031 - 39Fine resolution11-9 x 914537 - 48ScanSAR narrow50 x 502 - 430520 - 40ScanSAR wide100 x 1004 - 851020 - 49Extended (H)22-19 x 2847550 - 60Extended (L)63-28 x 28417010 - 23RADARSAT Operating Modes微波遥感平台Frequency/wavelength5.3 GHz (C band)/ 5.6 cm PolarisationLinear HHBandwidth11.6, 17.3 or 30.0 MHzPeak power5 kWAntennae size15 m x 1.5 mIncidence angleMode dependentResolutionMode dependentRADARSAT SAR Instrument Characteristics微波遥感平台JERS-1JERS-1 (Japanese Earth Resource Satellite), JapanJERS-1 was launched in February 1992 by NASDA (Japanese Space Agency).This satellite carries a L-band SAR and an optical sensor for generation of global data set in order to survey resources andto establish an integrated Earth observation system.微波遥感平台JERS-1 OrbitTypeSun-SynchronousAltitude568 kmInclination97.7 degPeriod96 minRepeat Cycle44 days微波遥感平台SensorsSAR(Synthetic Aperture Radar)OPS(Optical Sensor)JERS-1 SAR Instrument CharacteristicsFrequency1.275 GHz (L band)PolarisationLinear HHBandwidth15.55 MHzIncidence angle35onominalSwath width75 kmResolution18 m (azimuth, 3 looks), 18 m (range)微波遥感平台SEASATUSASeasat was the first Earth-orbiting satellite designed for remote sensing of the Earth's oceans and had onboard the first spaceborne synthetic aperture radar (SAR).Seasat was managed by JPL and was launched on June 28, 1978 into a nearly circular 800 km orbit with an inclination of 108 degrees.Fourteen Earth orbits were completed each day.The Seasat SAR operated for 105 days until October 10, 1978, when a massive short circuit in the satellite electrical system ended the mission.微波遥感平台Satellite Altitude800 kmRadar Frequency1.275 GHz (L-band)Radar Wavelength23.5 cmSystem Bandwidth19 MHzTheoretical Resolution on the Surface25 m (azimuth) x 25 m (range) Number of Looks4Swath Width100 kmAntenna Dimensions10.74 m x 2.16 mAntenna Look Angle20 degrees from verticalIncidence angle on the surface23 degrees 3 degrees across the swath PolarizationHorizontal transmit, Horizontal receive (HH) Transmitted Pulse Length33.4 microsecondsPulse repetition frequency (PRF) 1463-1640 HzTransmitted peak power1.0 kWData recorder bit rate (on the ground)110 Mbits/s (5 bits/word) Seasat参数雷达图像的特点目标物反射的回波强则影像呈浅色调,反射的回波弱则呈深色调.因此影像色调深浅与地物反射回波的强弱有关.但地物对微波的反射能量大小又与地物本身的导电率,表面粗糙度,入射波的角度以及极化波长等因素有关.入射角太小,距离分辨率低,入射角太大则镜面反射强,故目前大多采用10~50度入射.雷达图像特点雷达图像的特点雷达图像的变形:像片上呈正方形的田块,在雷达图像上往往被压缩成四边形或长方形.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.由于透视收缩,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.雷达图像的特点雷达阴影透视收缩及顶底位移雷达图像特点雷达图像上显示的透视收缩雷达图像特点雷达图像解译从下图中判断第一年的冰和多年的冰:第一年的冰通常薄且光滑,反射大部份雷达波.多年的冰经过断裂及再结冰,表面粗糙,背向散射强.雷达图像解译One property of radar pulses gaverise to an extraordinary imageacquired from SIR-A in November,1981. The color scene below is aLandsat subimage of the SelmaSand Sheet in the Sahara Desertwithin northwestern Sudan.干沙的介电常数比较低,雷达穿透深(约10英尺).雷达条带显示了沙下的地形.雷达图像解译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),空地及水面色调很暗(镜面反射)雷达图像解译SPOT Multispectral image in Natural Colour(pixel size=20 m)雷达图像解译This SAR image shows an area of the sea near a busy port. Many ships can be seen as bright spots in this image due to corner reflection. The sea is calm, and hence the ships can be easily detected against the dark background.雷达图像解译Dry Soil: Some of the incident radarenergy is able to penetrate into the soilsurface, resulting in less backscatteredintensity.Wet Soil: The large difference inelectrical properties between waterand air results in higherbackscattered radar intensity.Flooded Soil: Radar is specularlyreflected off the water surface, resulting in low backscattered intensity. The flooded area appears dark in the SAR image.微波遥感应用利用雷达立体像对及干涉原理构建DEM微波遥感应用微波遥感应用进一步与光学遥感图像结合微波遥感应用变化检测微波遥感应用监测热带雨林Multiseasonal ERS-1SAR image (May 92,Dec. 92, April 92 inR,G,B).。
第四章 海面微波散射
8k21coscosspq2W(kxksin,ky)
其中 W (k x,k y) 2 1 (u ,v )e x p ( jk x u jkyv )d u d v
海谱，波高谱：是表面相关函数的傅立叶变换
(u,v) 表面相关函数 后向散射系数为（φi=0）
• 对于海面，比较有效的粗糙面散射计算解析法是 双尺度法 （ TSM ）和小斜率法（SSA）。
• KA即切平面近似，适用于平均曲率半径远大于 波长的情况。它能反映镜像散射的效应，但缺乏 极化敏感性，即在后向散射时，HH与VV的散射 系数完全一样。
• SPM适用于均方根高度远小于波长，且均方根斜 率较小的情况，它具备极化敏感性，（但不能考 虑镜像反射？应为： 1阶SPM不能考虑镜像反射， 而0阶SPM就是平面的镜像反射，）
相对平面分界面的微波反射，粗糙海面的微波散射较复杂。 尤其是海面波谱的复杂性使得电磁边界条件的应用非常困难。 以下将讨论几种粗糙面散射的方法。
4.3 粗糙面散射
• 粗糙面散射的精确解是不存在的，现在使用的 所有闭式解析解都是在一定近似条件下的近似 解。
• 最经典的方法是基尔霍夫近似法（Kirchhoff，简 称KA）和小扰动法（SPM）。
( ) 表面相关函数
3.2 经典的粗糙面散射方法之二－SPM
• 它要求表面标准离差小于电磁波波长的5%左右。
界面可用随机函数 z ( x , y )来描述，它可进行傅里叶变换，即：
Z z (( k x x,,k y y )) 2 1 2 1 Z z ( (k x x ,,y k )y e )x e p x ( p (jjk k x xx x jjk k y yy y ) )d d k x x d d y k y
海洋微波遥感中的介电常数
海洋微波遥感中的介电常数
张德海;张俊荣
【期刊名称】《南海研究与开发》
【年(卷),期】1994(000)004
【总页数】11页(P19-29)
【作者】张德海;张俊荣
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P714.1
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3.微波遥感典型地物介电常数实地测量 [J], 张俊荣;张德海
4.微波遥感及其在海洋测绘中的应用 [J], 滕惠忠;李秉秋
5.微波遥感中的介电常数 [J], 张俊荣;张德海;王丽巍
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