5.1 极化SAR原理与应用

5 极化SAR原理与应用

回顾-InSAR 原理与应用

复数影像匹配

干涉图生成与滤波

数据要求

应用 1 InSAR 技术与应用

2 D-InSAR 技术与应用

3 PS-InSAR 技术与应用

4 InSAR 技术研究进展

相位解缠 新方法

主要内容

§ 5.1 极化SAR基本理论

§ 5.2 极化目标分解

§ 5.3 极化SAR信息提取

§ 5.4 极化SAR技术研究进展

5.1 极化SAR基本理论

主要内容

1 极化SAR简介

2 电磁波极化特性及其描述

3 目标极化散射特性的描述

电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁波的偏振

什么是“极化”？

E

H Z

E 线极化H Z

E 椭圆极化

H Z

E 圆极化

H Z

极化即电场振动方向的变化趋势，是电磁波的固有属性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

极化

•对于一平面电磁（EM）波，极化是指在垂直于传播方向的平面内电场矢量的轨迹

•极化描述了电场矢量末端轨迹的方向和形状

电磁波椭圆极化示意图

Polarization of Microwave

水平极化：电场矢量与入射面垂直 垂直极化：电场矢量与入射面平行

E

H

Z

垂直极化

目标

入射平面

同极化HH/VV 交叉极化HV/VH

同极化

like-polarized(同极化), e.g. HH, VV

VV对研究作物和海浪有利

HH对研究土壤湿度、船舶检测和区分水冰边界有利

cross-polarized（交叉极化）

; e.g. HV, VH

HV和VH对区别植被和非植被边界、水体边界、土壤湿度和表面粗糙度有利

交叉极化

微波发送与接收的极化控制

极化特性

•依据发射/接收的极化不同，可以有四种组合：HH/VV/HV/VH

•与地表发生作用后，电磁波的极化状态可能改变

•后向散射通常为两种极化的混合

•不同的地物会反映出不同的极化特性

•不同极化的不同回波是电磁波与地物目标相互作用的结果

极化SAR原理

雷达发射的电磁波在目标表面感应电流而进行辐射，从而产生散射电磁波。散射波的性质不同于入射波的性质，这是由于目标对入射电磁波的调制效应所致。这种调制效应由目标本身的物理结构特性决定，不同目标对相同入射波具有不同的调制特性

目标在电磁波照射下，存在着变极化效应。也就是说，目标散射场的极化取决于入射场的极化，但通常与入射电磁波的极化不一致，目标对入射电磁波有着特定的极化变

换作用，其变换关系由入射波的频率、目标形状、尺寸、结构和取向等因素决定

极化SAR的特点

极化信息包含于介质的后向散射波中，

与介质的特性高度相关

几何结构、形状和方向；

湿度、粗糙度等地球物理属性，

等……

ERS-2 VV RADARSAT HH

Avon-Severn confluence

极化SAR 图像

稻田HH和VV极化SAR图像

某一日期的稻田制图

Illustration of how different polarizations (HH, VV , HV & colour composite) bring out different features in an agricultural scene HH VV HV

HH VV HV

极化SAR图像

光学影像极化RGB合成

|VV| |VV| |HV| |HH| Google Earth

极化的选择

常见的SAR系统为单极化，HH或VV

研究和发展的趋势，多极化，全极化HH/HV/VH/VV 多极化有助于区分散射表面的物理结构：

✓散射随机性（植被体散射HV）

✓角结构（HH，VV相位角）

✓ Brag散射（海洋，VV）

全极化的优势

可以得到每个像素的散射矩阵，Stokes矩阵和极化信号

✓综合多极化信息的分类

✓可视化人工解译和自动分类

由散射矩阵可以合成任意极化：

✓研究不同地表的散射特性

✓优化极化，最佳探测能力

电磁波极化特性及其描述

极化的描述

平面电磁波的电矢量在直角坐标系中可以分解为水平和垂直两个分量，而这两个分量之间的相对关系就构成了平面电磁波的极化方式

通常可以用极化椭圆、Poincare球和Stokes向量来描述平面电磁波的极化状态

()()()00cos ,cos 0x x y y E wt kz E z t E wt kz δδ-+⎡⎤⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦

时域电场矢量 由麦克斯韦方程，可求出平面波的解：

2222

2

00002cos sin x

y y

x x x y y E E E E E E E E δδ-⋅⋅+=极化椭圆方程

其中，

y x δδδ=-

φτ

椭圆倾角，

椭圆率角， 2

2

π

π

φ-≤≤

44

ππ

τ-≤≤其中

极化椭圆

x ασ=22

00x y

A E E =+002200tan 22

cos x y x

y

E E E E

φδ

=-002

200sin 22

sin x y x

y

E E E E

τδ

=+振幅

绝对相位 椭圆倾角

椭圆率角

几何参数