2016-2017(1)微波遥感-1.1引言
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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
4
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？
31
西安电子科技大学 理学院
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
西安电子科技大学 理学院
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。
10
西安电子科技大学 理学院
△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。
2016-2017(1)微波遥感-1.3微波与物质相互作用
( )
1
4
1
2
( ) 1
散射率与波长的关系
水云对微波的散射作用-瑞利准则
n
n
云粒子不超过100um， 比微波小一二个数量级。 衰减系数（米氏）：
4.36 M 10[ 0.0122( 291T ) 1]
K
n n
2
(dB / km)
M为云的含水量g/m3 在一定的温度和波长下， 与云层含水量成线性
1.3.2 微波与地物
n
反射与散射
斯涅耳反射
q q q
光滑表面 粗糙表面 极粗糙
后向散射
朗伯余弦 前向散射
n
透射深度（趋肤深度） 介质衰减常数，dB/m 微波角频率HZ 铜：30cm，d=2um 介质磁导率HZ/m 金属及导体不透明 介质电导率s/m 穿透深度的物理意义：当入射电磁波在有耗介质中 中传播距离为d时，其场强将减小到它在介质表面时 的1/e,37%,而功率将降低到入射功率的1/e2,13.5%.
雨对微波的散射作用
n
降水云层中的粒子主 要有雨滴、冰普、雪 花和干湿冰雹。直径 均大于100um，mmsized（雨滴）,cmsized（冰雹）,符合米 氏散射。
Setzer,1970
n n
n
1971年J.E.Paris对雨的微波吸收与散射研究： 当微波频率小于10.69GHZ（2.81cm）时，水 滴的散射逐渐小于吸收；当微波频率为 1.805GHZ(6.3cm)，散射作用只有吸收的十分 之一；微波频率大于10.69GHZ（2.81cm）时， 散射作用不能忽略。 如果不是暴雨和大雨，雨滴直径不会超过 2.5mm，而频率不大于19.35GHZ（1.55cm） 时，则雨滴的散射作用将近是吸收作用的十分 之一。
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散射率与波长的关系
水云对微波的散射作用-瑞利准则
n
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云粒子不超过100um， 比微波小一二个数量级。 衰减系数（米氏）：
4.36 M 10[ 0.0122( 291T ) 1]
K
n n
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(dB / km)
M为云的含水量g/m3 在一定的温度和波长下， 与云层含水量成线性
1.3.2 微波与地物
n
反射与散射
斯涅耳反射
q q q
光滑表面 粗糙表面 极粗糙
后向散射
朗伯余弦 前向散射
n
透射深度（趋肤深度） 介质衰减常数，dB/m 微波角频率HZ 铜：30cm，d=2um 介质磁导率HZ/m 金属及导体不透明 介质电导率s/m 穿透深度的物理意义：当入射电磁波在有耗介质中 中传播距离为d时，其场强将减小到它在介质表面时 的1/e,37%,而功率将降低到入射功率的1/e2,13.5%.
雨对微波的散射作用
n
降水云层中的粒子主 要有雨滴、冰普、雪 花和干湿冰雹。直径 均大于100um，mmsized（雨滴）,cmsized（冰雹）,符合米 氏散射。
Setzer,1970
n n
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1971年J.E.Paris对雨的微波吸收与散射研究： 当微波频率小于10.69GHZ（2.81cm）时，水 滴的散射逐渐小于吸收；当微波频率为 1.805GHZ(6.3cm)，散射作用只有吸收的十分 之一；微波频率大于10.69GHZ（2.81cm）时， 散射作用不能忽略。 如果不是暴雨和大雨，雨滴直径不会超过 2.5mm，而频率不大于19.35GHZ（1.55cm） 时，则雨滴的散射作用将近是吸收作用的十分 之一。
2016-2017(1)微波遥感-2.1非成像微波传感器
静止气象卫星云图和微波辐射计
n
目前，常见的方法是将卫星散射计资料与静止气象卫星 云图和微波辐射计SSM/I图象相互补充。静止气象卫星 (如GMS)资料，具有较高的时间分辨率，每隔15～ 20min接收一次温度和水汽的图象数据。卫星散射计资 料具有较高的精度和空间分辨率。SSM/I也具有较高的 时间分辨率(每3天覆盖全球一次)。
q
ERS-1星载散射计介绍
n n
n
n
ERS-1，全称为European Space Agency Remote Sensing Satellite，简 称“欧洲遥感卫星1号”。 以研究海洋为主，进而服务于全球气候学研究 的实用卫星。 ERS-1核心仪器为：（1）主动式微波仪（AMI），C波段（5.3GHz）， 具有成像、测风和测浪3种工作模式，相当于一部合成孔径雷达和两部散 射计的组合，但3种工作模式只能择一工作；（2）雷达高度计（RA）， Ku波段（13GHz，7GHz，K波段中最长的）； （3）沿轨迹扫描辐射计 （ATSR），由微波探测仪和红外辐射计组成。 ERS-1星载的主动微波遥感仪器（Active Microwave instrumentation）， 其中的AMI Wind Mode即散射计。散射计利用微波雷达的后向散射信号， 可以确定平均海面雷达反射率。然后，使用经验模式反演出海平面风场特 性，如海平面的风速大小、风向。为了消除散射计数据解译时的风向模糊， ERS-1卫星上的散射计采用前、中、后不同角度的三根单极化天线，使用 C波段，三个天线分别从45°、90°、135°三个方向上进行海面雷达后向散 射截面的测量， 刈幅为500km。 此资料包括了风速、风向等信息。风速范围1-24m/s, 误差精度2m/s, 风向 范围0-3600，误差精度200。风场产品是一组分布在500*500km海域内 19×19个格点的风矢量，其空间分辨率为25×25公里。
第一章微波遥感基础
第20页
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。
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。
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。
《微波遥感》课件 (2)
四、微波遥感的发展趋势
1 超高分辨率微波成像技术
2 微波辐射监测技术
3 微波遥感与人工智能的结合
五、总结
1 微波遥感在地球科学中的重要性和应用 2 探讨微波遥感未来的发展方向
前景
六、参考文献Βιβλιοθήκη 《微波遥感》PPT课件 (2)
这是《微波遥感》PPT课件的第二部分，将深入探讨微波遥感的定义、基本原 理和在地球科学中的应用。
一、引言
1 微波遥感的定义和基本原理
2 微波遥感在地球科学中的应用
二、微波遥感的技术
1 微波辐射的特性和测量参数 2 微波传输模型 3 微波成像技术
三、微波遥感的应用
1 土壤湿度遥感监测 2 天气预报和气候研究 3 海洋遥感监测
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。
《微波遥感》PPT课件
应用范围
微波被动遥感对于水特别敏感，因此在区域 和全球性水圈遥感中起着十分重要的关键作用。
比如，探测大气温度、水汽廓线，大气降雨、 大气可降水量、云中液态水含量；反演海面风 场(风速、风向)、台风、海冰的监侧；获取陆 地面温度、土壤湿度、积雪深度与水当量、干 旱、洪涝、沙漠，陆地水文与地理环境、植被 生物量、农作物生长评估及其在空间尺度上的 分布与时间尺度上变化等。
1.1.1 微波遥感的学科地位、优越性
微波在电磁波谱中的位置-长波端
1）波长范围
微波遥感载波波长1-1000mm
微波的频谱与能量谱(1焦耳=107 耳格)(MKS制-CGS制)
2）波段划分
微波波段
毫米波 厘米波 分米波
Ka K,Ku,X,C,S
S,L,P
3）微波波段名称与相对频率、波长
X
C
S
2）全天时工作Day/night capabilities
雷达是有源传感器（自己提供照射）并不依赖于日光。
在汶川地震遥感监测中，高分辨率SAR发挥了重要作用。 在5月13日至5月15日，灾区一直是阴雨天，光学遥感（卫星和航
空）都无法得到图像，通讯也基本中断，5月13日日本方面ALOS PALSAR首先获得ScanSAR模式的图像，但是分辨率为100米，无法 应用；意大利的COSMO SkyMed首先得到都江堰3米和1米分辨率的 SAR图像；5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5米的灾区SAR图 像。 5月底直升飞机失事，在找寻飞机残骸的过程中，P波段和L波段的 雷达也发挥了重要的作用。
《微波遥感》PPT课件
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参考书目：
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；
6.微波遥感
入辐射计的最小温度变化所产生的直流输出功率变化。它应大于
或等于接收机的均方根噪声起伏输出功率。 空间分辨率是指仪器分辨相邻很近两个相同辐射体的能力。用可
分辨两点源相对天线的夹角表示。当两点源相对于仪器的张角大
于天线波束角半功率宽度，则定为可分辨。将天线波束角半功率 宽度确定为分辨率的度量。该角度与辐射波长成正比，与天线口
由树顶、树干反 射的信号
2. 微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有 关。
不同类型土壤的趋肤深度与土壤湿度的关系
5.2 微波遥感系统
在海洋，陆地和大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器包括下 列五种： （1）散射计 （2）高度计 （3）无线电地下探测器 非成像系统
（4）微波辐射计
（5）侧视雷达 成像系统
中 等 尺 度 涡 流 旋 研 究
大 洋 边 界 流 研 究
全 球 海 平 面 变 化
厄 尔 尼 诺 与 南 方 涛 动
海 浪 与 风 速 场
海 冰 及 极 区 冰 盖
成像雷达微波传感器
微波辐射计
• 微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。 表征微波辐射计性能的主要参数是空间分辨率（角分辨率）和温 度分辨率（灵敏度）。 温度分辨率是指辐射计探测目标最小温差的能力，其定义是为输
卫星高度计
时间延迟
海面高度 海面有效波高 海面风速
海面回波波 形强度
大地水准面
海洋动力地形
海面回波波形 的前沿速率
海洋地球物理应用
海洋动力学应用
海洋环境监测
海 洋 测 深 无 图 区 测 绘
海 洋 岩 石 圈 结构 特 性
地 球 引 力 场 模 型 改 善
海 洋 潮 汐
2016-2017(1)微波遥感-2.3天线和雷达方程
单位立体角辐射功率
n n
天线发射的电磁波是球面波。 以球面坐标系表示辐射能量的空间分布。
n
球面坐标系中r表示距离，θ为仰角，φ为方 位角。则辐射方向图F(θ,φ)即表示了在 (θ, φ)方向每单位立体角内的辐射功率。
n
n
通常对F(θ,φ)按其最大值作归一化处理，这 时的方向图Fn(θ,φ)称为归一化方向图： Fn=(F(θ,φ)/ F(θ,φ)max)(单位分贝)
发射增益 接收增益
传输吸收 回波吸收
到达面积
目标
回波面积
1 2 6
8 7
3
5
发射-发射增益-传输 吸收-到达-回波吸收 -接收面积-接收增益 -接收总功率。
4
各向同性、点源辐射、理想雷达方程推导
顾及系统和传输损耗的雷达方程
THE RADAR EQUATION
n
Pt G 22 (4 )3 R 4 Pt
p
新型天线
n n n
超宽带天线 波导缝隙天线 薄膜天线
AN/APG-77 F-22
AN/APG-81 F-35
AN/APG-80 F-16/18
波导缝隙天线
薄膜天线
SIR C/X-SAR
相控阵雷达
AN/FPS -117; 24.75kW/5kW 5600-7000km (L wave) AN/FPS -85; 32MW/400kW 5600-7000km (P wave) AN/FPS-108; 15.4MW/1MW 3600-7000km(L wave)
Hen House; 10MW 6000-7000km
Dog House; 20MW 3000-km
二、雷达方程
n
2016-2017(1)微波遥感-3.4典型地物的散射特性
作业
n n n n n n n
9，为什么植被含水量越大，其图像灰度值越大，而 湖水在图像上却很暗？ lo，不同粗糙度土壤的散射系数曲线的交点说明了什 么? 11，为什么逆风观测海面的散射系数一般比顺风观测 时大? 12，为什么裸土的粗糙度越大，归一化天线温度越高? 13，为什么含水量越大，土壤发射率越小? 14，为什么有植被覆盖的土壤亮度温度与无植被土壤 相比要高一些? 15，试说明无风浪时海水亮度温度随辐射计工作频率 增大而上升的原因。
土壤表面发射率： 水平极化和垂直极化 发射曲线随均方根高 度增大而上升。粗糙 度越大两种曲线间隔 越小，趋向与极化无 关。
er ( ) 1 r e
h‘
cos 2
粗糙度参数
n
土壤含水量决定 介电常数，正相 关。
复介电常数 实部
n
不同含水量， 光滑表面归一 化天线温度。
n
植被覆盖下，土 壤辐射亮度温度 随土壤含水量增 加而减小的变化 幅度要小的多。
第三章微波图像的特点
§3.4 典型地物的散射特性 §3.5 典型地物的亮度温度
§3.4 典型地物的散射特性
1. 2. 3. 4. 5. 6.
农作物和草地 森林 土壤 岩石 海风 冰雪
( ) (0) cos
0 0
农作物和草地
n
n
n
同极化散射特 性差异较小； 一般地，散射 为植物与土壤 的信号叠加； 与作物叶型， 密度，方向， 含水量相关。
冰雪
n
光滑冰面后向散射系数 小于积雪冰面。
n n
雷达波可以穿透干雪； 积雪厚度探测可以指导农业、水利、预测洪涝。
§3.5 典型地物的亮度温度
n n n n
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。
2016-2017(1)微波遥感-3.1侧视雷达参数
local incidence angle
当地入射角
n
n
n
The incidence angle is the angle between a vertical plane and the radar beam from the antenna to the ground surface (A top). The incidence angle increases in the range direction (becomes more shallow)入射角（ ERS-1/2 平均23 ） 是垂直平面与从天线到地面的雷达 波束间的角（上图A）。入射角在距 离方向增大（变得更浅） The local incidence angle is the true incidence angle of the radar beam at any point in the terrain (A bottom) 当地入射角是雷达波束在地面上任 一点的真正入射角（下图A） 俯角depression angle 67(90-B)
RrRs A N near
far
Rv RrRsRg
符号意义
λ
wavelength central frequency system bandwidth sampling frequency Nyquist frequency off-nadir angle local terrain slope (range) platform altitude slant range resolution
n
n
Research SAR systems tend to have multiple polarizations, e.g. HH, HV, VV, VH Multiple polarizations help to distinguish the physical structure of the scattering surfaces:
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。
经过若干阶段的发展，近年来已取得了技术、理论及应用研究的全面发展。
微波遥感
12
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• 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
HH or VV 称为通向极化，VH 和HV 称为垂直极化。
10
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
5
波段名称 K Q V W
频率区间 （GHz）
10.90—36.0 36.0—46.0 46.0—56.0 56.0—100
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）
17
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影像。
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• 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
HH or VV 称为通向极化，VH 和HV 称为垂直极化。
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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
5
波段名称 K Q V W
频率区间 （GHz）
10.90—36.0 36.0—46.0 46.0—56.0 56.0—100
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）
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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影像。
2016-2017(1)微波遥感-1.2电磁波理论与微波介绍
³
平面波与球面波
³
电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上， 该平面所有点上电场或磁场的相位都是相同的（等相位 面）。
E
Z
H
³
波面是一系列相互平行的平面的波。在离点波源较远处， 沿波的传播方向取一局部范围来看，在这范围内的波面都 是平行的，这样的波可近似看成平面波。如射到地面的太 阳光波可看成平面波。
（1）微波的叠加原理
Electromagnetic wave superposition principle
p当两列波在同一空间传播 时，空间尚各点的振动为 各列波单独振动的合成。 p任何复杂的电磁波都可以 分解成许多比较简单的电 磁波； p比较简单的电磁波也可以 合成为复杂的电磁波。
（白光的色散和合成，计算机显 示器的工作原理， 混合像元的分 解）
³
如果两个波是非相干的，则叠加后的 合成波振幅是各个波的振幅的代数和， 交叠区不会出现振动强弱交替的现象。 一般说来，凡是单色波都是相干的。 微波雷达发射的电磁波和激光器产生 的激光就是这样。从远处两个靠得较 近的物体反射回来的波是高度相干的。 因而用这类电磁波的遥感器进行成像 时，获取的图像上有的地方可能没有 接收到任何功率，有的地方从这两个 物体接收到的反射功率则可能是其中 一个物体的平均反射功率的四倍。 正因为波的相干性，微波雷达图像的 像片上会出现颗粒状或斑点状的特征， 这是一般非相干的可见光像片所没有 的，也是对解译很有意义的信息。
1.2.1 电磁波基本特征与微波
³
1）电磁波 2）电磁波基本要素 3）电磁波基本特征 (叠加原理, 相干与非相干性，衍射穿透性，偏振与极化，多普勒效应)
³
1.2.2 电磁辐射与微波散射特征
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m
m
SWISS DAY/NIGHT IMAGE
3）一定的穿透性
m m m m
Surface penetration capabilities
穿透深度与 土壤湿度、 频率、土壤 类型的关系
L C X
对干沙可以穿透 几十米，对冰层 能穿透100m左右
SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）
Shuttle Imaging Radar
各种形变监测技术比较
SRTM全球地形三维测量
航天飞机雷达地形测绘任务 Shuttle Radar Topography Mission
2000年2月11日，11天生成全球80%陆地表面DEM（30m,16m）和SAR图像（30m），完成 了 人类有文明以来5000年未能完成的使命。
河南省SRTM DEM
微波的频谱与能量谱(1焦耳=107 耳格)(MKS制-CGS制)
2）波段划分
毫米波
0.1-1.0mm
Ka
微波波段
厘米波
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0.1-1.0cm
K,Ku,X,C,S
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)频率 0.23 0.39 1.56 4.20 5.75 10.90 36.00 46.00 56.00 0.39 1.55 4.20 5.75 10.90 36.00 46.00 56.00 100.00 Λ(mm)波长 1333.33 769.23 192.93 71.43 52.17 27.52 8.33 6.52 5.36 769.23 193.55 71.43 52.17 27.52 8.33 6.52 5.36 3.00 Λ(cm) 133.33 76.92 19.29 7.14 5.22 2.75 0.83 0.65 0.54 76.92 19.35 7.14 5.22 2.75 0.83 0.65 0.54 0.30
6）深空探测的主要手段
m m
行星际探测 金星表面温度（1967），月面地形，火星地形，火星水冰， 宇宙背景微波辐射。 水遥感：干旱与洪涝、积雪冻土、海冰海洋监测、大洋水 准面测量精度7cm 天气雷达
m
m
moon
Mars
Earth
m
通过对探测数据的 处理，还获得了其 它探测仪器的一些 初步科学成果，比 如：干涉成像仪获 取的光谱图、干涉 图，激光高度计获 取的测距值，γ/X 射线谱仪获取的能 谱图，微波辐射计 获取的月表亮温变 化趋势图，空间环 境探测仪获取的粒 子计数图等。
P L S C X K Q V W
4）常见雷达卫星载波
卫星 1 2-3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18,19 SAESAT SIR-A,SIR-B SIR-C/X-SAR Lacrosse 1-5 ALMAZ ERS-1/2 JERS-1 RADARSAT-1 X-SAR/SRTM ENVISAT ALOS PALSAR RADARSAT-2 COSMO Sky-med 1-4 Terra SAR-X 1-2 SAR-Lupe 1-5(Germany) TecSAR(Israel) ALOS-2/Sentinel-1A 发射 1978 1981,1984 1994 1988-2005 1991 1991/19952011 1992 1995-2011 2000 2002-2012 2005-2011 2007200720072006-2008 2008 2013/2013 波段 L L L/C/X L、X L、S C L C C C L C X X X X L/C 波长(CM) 23.5 23.5 23.5/5.8/3.1 23.5/3.0 10 5.7 23.5 5.7 5.7 5.7 23.5 5.7 3.1 3.1 3.1 3.1 23.5/5.7 1.278/10 3.1 5.25 1.275 5.25 5.25 5.25 1.275 5.25 10 10 10 10 26*28 30 30 Shuttle Radar Topography Mission 30 30 3.0 1.0 1.0 0.7 0.1 1/5 1 频率(GHZ) 1.275 1.278 分辨率（M） 30 Shuttle Imaging Radar
m m m
雷达是有源传感器（自己提供照射）并不依赖于日光。 在汶川地震遥感监测中，高分辨率SAR发挥了重要作用。 在2008年5月13日至5月15日，灾区一直是阴雨天，光学遥感（卫星 和航空）都无法得到图像，通讯也基本中断，5月13日日本方面 ALOS PALSAR首先获得ScanSAR模式的图像，但是分辨率为100米， 无法应用；意大利的COSMO SkyMed首先得到都江堰3米和1米分辨率 的SAR图像；5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5米的灾区SAR图 像。 5月底直升飞机失事，在找寻飞机残骸的过程中，P波段和L波段的 雷达也发挥了重要的作用。 在2008春节期间我国南方地区的冰雪灾害过程中，在历次洪涝灾害 过程中，在我国南方地区农作物生长的关键时刻，经常是阴云密布， 或大雨滂沱，只有SAR能够工作得到遥感图像。
开采沉陷：实践证明InSAR技术用于开采沉陷监测可以达到 厘米级的分辨率，完全满足精度要求，未来将是一种行之有 效的开采沉陷监测方法。 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 滑坡监测：目前已有采用InSAR手段研究滑坡的先例。如对 法国南部SaintEtienne de Tinee的滑坡现象应用 DInSAR技术进行监测，几十个干涉图序列中提取位移梯度图， 利用它们模拟该地区的变形模型，处理结果与常规离散监测 方法吻合程度很高。
Ionosphere opaque
sterilizat ion
TerraSARX,Cosmo-skymed ENVISAT, RADARSAT, ERS1-2 ALOS, JERS1
(After Chuck Wicks)
1）波长范围
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可见光-近红外遥感载波波长0.38-0.76um 热红外遥感载波波长0.76-1000um 微波遥感载波波长1-1000mm
4）不同于可见光和红外遥感的信息
m
微波高度计：大地水 准面测量，内波，海 面风场，海浪高度测 量 合成孔径雷达：内波， 海底地形，海洋溢油， 舰只潜航尾迹，相位 变化测量
m
5）相位测量-合成孔径雷达干涉测量
m m
SRTM全球地形三维测量 Landers地震同震形变场
Soufriere Hills volcano, Montserrat，UK
7）缺点与不足
m m m
雷达图像分辨率较低 雷达成像处理困难 数据源较少
1.1.3微波遥感的分类与应用 (主/被动微波遥感)
m 微波被动遥感：微波辐射计
m
根据普朗克定律，任何地物在一定温度下，不仅向空 间发射红外辐射，而且还发射微波辐射，地物的微波 辐射基本上和红外辐射相似，符合热辐射定律。但微 波是低温状态下地物的重要辐射特性，其特点是地物 的温度越低，微波辐射也就越明显。 尽管微波辐射比红外辐射能量要弱得多，但可以用无 线电技术经调谐和放大线路来接收。目前，微波辐射 在地学等领域正作为有力的探测手段，加速进行研究。
1.1.2 优越性-全天候，全天时，穿透性
m m m m m
微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力。 全天时工作能力。 微波对地物具有一定穿透性。 微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的信息。 微波遥感的主动方式不仅记录电磁波振幅信号，而且可以 记录电磁波相位信息。 行星际探测的主要手段。
m
m
基础参考书
微波遥感原理 舒宁 武汉 合成孔径雷达图像理解与 大学出版社 (2000-03出版) 应用 (2008出版)
进阶参考书
高级应用参考书
授课过程中的一些变化
v
第一章 微波遥感原理
m
§1.1 引言
空间遥感是在空间(卫星)平台上用电磁波与地球大气、地表、海洋环境相互 作用的散射与辐射来进行观测。它从可见光摄影开始，经过红外热辐射探测， 到20世纪70年代已发展到微波、毫米波遥感。 由于微波的全天候特点，能穿过云层，还可能探测地下结构，随着空间分辨 率的不断提高，高分辨率合成孔径雷达(SAR)与多通道成像辐射计(SSM/I)的 发展，以及多源、多极化、多通道、多视角、多用途、主动 与被动、多系列、 连续多年的空间遥感计划的进行，已使微波遥感成为空间遥感发展最前沿的 技术。 微波遥感技术,已使以往受昼夜云雾影响的光与红外遥感获取全球环境35% 的 信息，增加到全天候地获取全球环境95%的信息，凸现了以微波遥感为主的发 展态势。
1）全天候工作能力All weather capabilities
m
对云的透过性
m
（全球日平均 云层覆盖率为 40%-60%）
X
C
S
m
对雨的透过性 当波长大于3cm 大雨倾盆的地区 对微波影响很小。
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X
C
S
(After Saich)
2）全天时工作 Day/night capabilities
Landers earthquake 1992，《nature》
海冰与冰川研究
相位测量的应用领域
m m
m
m
地震形变：地震形变监测是InSAR技术应用最为成功的 领域之一。 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的火山运动形变量， 无论在热带雨林（如印尼的Merapi地区）还是在北极冰 雪地带（北极Katmai地区），SAR图像均能保持令人满 意的相干性。 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。 地壳运动：用InSAR技术研究地壳运动及板块漂移在国 外已多有研究，其中规模最大的当属美国国家科学基金 会(NSF)、地质调查所(USGS)和国家航空和航天局(NASA) 联合发起的“地球探测”(Earthscope)计划.