电磁散射与空间微波遥感理论研究进展

第十七部分

微　波　遥　感

2007年全国微波毫米波会议论文集

1728 电磁散射与空间微波遥感理论研究进展

金亚秋

复旦大学波散射与遥感信息教育部重点实验室，上海 200433

摘要：本文概述近年来本实验室在电磁散射与空间微波遥感理论研究的若干进展。包括：自然介质中电磁散射与传输、分层介质的电磁散射Mueller矩阵解、SAR遥感中的电磁散射理论建模、复杂自然场景极化SAR成像模拟、双站极化SAR成像模拟、多方位SAR图像中目标重构、粗糙面与目标复合散射建模与数值模拟、外星球微波遥感建模模拟与特征反演等。

关键字：电磁散射、空间微波遥感、理论建模、成像模拟、数值模拟、目标重构、特征反演

Research Progress of Electromagnetic

Scattering and Theory of Space-Borne

Microwave

Remote Sensing

Ya-Qiu Jin

Key Laboratory of Wave Scattering and Remote Sensing Information (MOE)

Fudan University, Shanghai 200433

Abstract: A brief report of recent research progress on electromagnetic scattering and theory of space-borne microwave remote sensing is presented. It covers the topics such as electromagnetic scattering theory in natural random and stratified media, modeling of SAR remote sensing and Mueller matrix solution, SAR image simulation of comprehensive scenario, bistatic SAR image simulation, reconstruction of targets from multi-aspect SAR images, numerical scattering simulation of rough surface and volumetric object, microwave remote sensing of extra-planets, etc.

Key Words: electromagnetic scattering, space-borne remote sensing, theoretical modeling, image simulation, numerical simulation, target reconstruction, characteristic inversion

1 引言

空间遥感是以电磁波与地球环境相互作用的散射辐射传输为基本的物理过程，研究复杂环境自然介质的电磁散射辐射传输是空间遥感的基础研究。由于微波遥感的全天候、全天时特点，能穿过云雨、植被，甚至浅层地表，使以往受昼夜云雾影响的可见光与红外遥感获取全球环境1/3的信息增加到全天候地获取全球环境90%以上的信息。微波遥感对目标的物理几何构造敏感，能实现多通道、多极化与极化合成，能

国家重点基础研究项目2001CB309400、国家自然科学基金项目40637033、60571050。实现多种物理特征的定量化。随着高分辨率极化成像技术的发展，以及世界各国多项微波遥感计划的实施，凸现了以微波遥感为主的发展态势，微波遥感已成为当今空间遥感与对地观测技术的前沿。

本文简要概述本实验室近年来以自然介质中电磁散射理论为基础，研究空间遥感信息获取与处理的若干进展[1-3]。包括自然介质中电磁散射与传输、分层介质的电磁散射、SAR遥感中的电磁散射理论建模、复杂自然场景极化SAR成像模拟、双站极化SAR成像模拟、SAR图像中目标重构、粗糙面与目标复合散射建模与数值模拟、外星球微波遥感建模模拟与特征反演等。

第十七部分 微 波 遥 感

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2 自然介质中电磁散射理论

当极化电磁波入射在地面上，散射场写为

i s E S E ⋅=，其中S 是2×2维复散射矩阵。以Stokes 矢

量表示，极化散射强度s I 表示成：i s I M I ⋅=，这里M 为4×4维Mueller 矩阵。S 与M 的建模、模拟、测量、分析、反演等组成了遥感中自然介质电磁散射的基本理论研究。如何从S 与M 中提取反映散射机制与散射目标特征的研究，是我们近年里的主要研究进展[1-3]。

3 分层非均匀介质中Mueller 矩阵

我们提出了混杂非球形粒子层与粗糙下垫面的地表植被参数化建模的全极化散射的Mueller 矩阵解; 特征指数基本理论、散射特征矢量去取向理论与新参数组对地表分类; 脉冲波入射下非均匀分层非球形粒子层的Mueller 矩阵解[1-3]。

4 复杂场景SAR 成像的模拟

模拟SAR 图像对于遥感成像机理、遥感器设计、图像数据预测与评估、信息获取与景像重构都是十分有意义的。模拟SAR 对复杂地物场景成像，包括了复杂场景电磁散射的建模与计算、模拟SAR 回波信号产生与成像处理[4-7]。

图1 非均匀分层模型

以Mueller 矩阵解为基础，我们建立了一种综合场景SAR 成像的模拟方法，由SAR 成像的几何关系考虑成像空间任意位置处的地物，将地物散射贡献累加映射到斜距平面（映射平面）上、将地物的衰减或阴影遮蔽累积投影到水平面（投影平面）上，给出散射传输成像的表达式。映射投影算法结合网格划分的综合场景，能快速计算自然地物场景的成像。

图2 非均匀分层植被脉冲回波与有效高度

图3 综合场景设计

图4 SAR 图像模拟

5. 双站极化SAR 成像的模拟

双站SAR （BISAR ）具有入射和散射角度不同、

发射和接收平台位置不同等特点，已成为空间遥感与对地观测的新兴技术。在单站SAR 复杂场景成像模拟的基础上，实现三维投影和映射的BISAR 成像模拟。利用条带式BISAR 成像的点目标响应解析表示式，在计算得到散射系数图后，模拟BISAR 原始信号的产生与压缩，以模拟BISAR 图像。经过对虚拟场景的BISAR 成像模拟，讨论BISAR 对比于单站SAR 对植被、建筑物等复杂地物观测将带来的不同之处。分析BISAR 图像上不同地物的极化特征，发现传统极化特征参数在BISAR 图像上不再有效地表现地物散射的极化特征。