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；
Wr =
W tG
4π R 2
σ
1
4π R 2 A r
雷达方程
雷达天线发射的是以天线为中心的球面波，地物目标反射 的回波也是以地物目标为中心的球面波。若忽略大气等因素 影响，雷达天线接收到的回波功率可表示为：
目标单位 面积上的 接收功率
Wr
=
WtG
4πR 2
σ
1
4πR 2
Ar
目标的 散射功率
接收天线单位 面积上的回波 功率
天线接收的 总回波功率
式中，Wr 为接收功率；Wt 为发射功率； G 为天线增益（指某方向的天线损耗，被定义为该天线辐射的功率
密度与相同输入功率下无损各向同性天线辐射的功率密度之比）；
R 为目标离雷达的距离；σ 为目标的雷达散射截面；
Ar 为接收天线孔径的有效面积， Ar = Gλ2 / 4π
对于点目标，雷达天线接收到的回波功率又可表示为：
不同散射面的后向散射分布
1）表面散射- Surface Scattering
在表面散射中，散射面的介电常数和表面粗糙度影响微波能量
的反射，因而影响地物的亮度。 A - 光滑表面（Smooth）几乎反射所有来自雷达的入射能量，并在
雷达图像上呈现黑色，即“镜面反射”（specular）； B - 粗糙表面（Rough）在多个方向散射能量，即“漫射”（diffuse）； C - 角反射器（Corner reflectors）由两个或三个相互垂直的反射面
雷达回波强度的影响因素
雷达回波强度取决于雷达遥感系统参数、地表特性。 当雷达遥感参数（波长/频率、入射角/俯角、极化方式/探测 方向等）确定后，则雷达回波强度主要与地表特性有关。
• 地表特性：物理特性-- 介电常数、表面粗糙度、 散射特点（表面散射与体散射）；
几何特性--- 雷达图像获得时的几何关系， 坡度、形状、局地入射角、 阴影、叠掩（顶、底位移）等。
1．典型地物的散射特性 2．雷达图像的处理
概况
地物的微波反射、发射与可见光、红外波段的反射、发射完 全不同。 可见光-红外遥感： （光学技术）
波长 0.38～18μm，以光和热的视角去观察世界； 每景图像都是一幅反映地面特性的图像（与人的视觉效果类似）；
微波遥感： （无线电技术） 波长 1mm～1m（频率0.3～300GHz），人眼无法感受；雷达
• 非常干燥土壤、沙地表层、冰雪等。
土壤表面 干沙土
由于微波的体散射特征以及微波通过介质（土壤、水、积雪、岩 石等）时有能量衰减，因此，微波辐射亮度不仅与介质表面粗 糙度有关，也与厚度等于辐射深度的内层物质的介电特性、密 度和均匀性有关。
体散射的强度与介质 体内的不连续性和介质 密度的不均匀性成正比。 体散射的散射特性取决 于介质表面的粗糙度、 介质的平均介电常数及 介质内的不连续性与波 长的关系。
• 地表特性：物理特性-- 介电常数、表面粗糙度、 散射特点（表面散射与体散射）；
几何特性---即 雷达图像获得时的几何关系， 坡度、形状、局地入射角等。
其中任何一个参数的变化都可能影响到后向散射的强 度，即造成图象亮度的变化。
1、雷达遥感系统参数 --- 1）波长 / 频率
从雷达方程可知，雷达 回波强度与入射波长直接 相关。
雷达波以光速（3×108ms-1）近直线传播。雷达与目标 的距离（斜距），可通过发射脉冲到接收回波的时间（行程 时间J/2）与电磁波传播速度（C）的乘积得到，即斜距 = CJ/2，所以侧视雷达系统又是个测距系统。
雷达发射出来的波束照在目标不同部位时，要有时间先后 差异，以保证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。
频 率ν=cλ-1
（MHz）
40,000 - 26,500 26,500 - 18,000 18,000 - 12,500 12,500 - 8,000
8000 - 4000 4000 - 2000 2000 - 1000 1000 - 300
雷达遥感系统参数 --- 2）入射角（θ） / 俯角（α）
• 雷达系统的极化方式，影响到回波强度和对不同方位信息的 表现能力，致使图像之间产生差异。如 海水和海冰在HH图 像比VV图像更易区分，冰在两种图像中都表现得比较明亮， 而水面在HH图像中更暗。
利用不同极化方式图像的差异，可以更好地观测和确定 目标的特性和结构，提高图像的识别能力和精度。
SIR-C的多波段、多极化图像
地物在不同极化的图像地物显示不同
微波遥感课
探测方向 ---- Look direction
• 同样的地物（特别是排成一组线状的农作物或地质构造）， 从不同的方向进行探测时，雷达图像差别很大 - 探测方向与线状垂直时，后向散射较强，图像较亮； - 探测方向（距离方向）与线状平行时，后向散射较弱， 图像较暗；
Wr
=
W tG 2λ 2σ (4π )3 R 4
对于面目标，σ = σ ° A ，回波功率可用积分形式表示为：
∫ Wr =
A
WtG 2λ2 (4π )3 R4
σ
°dA
式中，σ°为后向散射系数，A 为雷达波束照射面积，即一
个地面分辨单元。
从雷达方程可知，当雷达系统参数Wt、 G、λ，及雷达与目
标距离R 确定后，雷达天线接收的回波功率（Wr）与后向散
射系数（σ°）直接相关。
第5章 微波遥感
（一）微波遥感原理 --- 雷达成像原理
二、雷达成像原理
距离方向
脉冲发 器
脉冲信
号
脉
冲度
发射具
波
波脉冲
发射脉冲
发射/接收 转换4)
山
河 影
视频 回 信号 波 强 度
分辨单元 方位方向
数据记录
波束宽度
脉冲宽度
图像
视
像
雷达（RADAR）：Radio Detection and Ranging 无线电检测与测距
《 遥感原理与方法B 》
第五章 微波遥感
（一） 微波遥感原理
一、基本概念 1. 微波的散射
2. 雷达方程
二、雷达成像原理
三、雷达回波强度的影响因素
1. 雷达遥感系统参数
2. 地表特性
（二） 雷达图像的特点与解译
一、雷达图像的特点
1．空间分辨率 2．穿透能力 3．立体效应 4．几何特性
二、雷达图像的解译与处理
与传统的光学遥感相比，微波遥感的独特优势： • 全天时（不依赖日光）、全天候（受大气影响小）； • 穿透性（可提供部分地物表面以下的信息）； • 对地表粗糙度、地物几何形状、介电性质（土壤水分等）敏感； • 多波段、多极化的散射特征； • 不依赖于距离的高分辨率； • 干涉信息的利用、大入射角立体像对等。
G(rNoAunDdITRr)ack
向的尺度； E -方位（Azimuth )：沿轨迹
的方向；
斜距（ Slant Range ）与 地面距离（ Ground Range ）
• 斜距：雷达与目标的距离，即发射雷达脉冲与接收它从地 面点返回的信号间的时间间隔，是天线到这些点的距离的 直接度量；
• 地面距离： 雷达的星下点到地面点 的水平地面距离，即斜距 在地平面的投影。
微波遥感是遥感技术研究的重要领域，在对地观测中发 挥特殊而重要的作用。
第5章 微波遥感
（一）微波遥感原理 --- 基本概念
一、基本概念 1、 微波的散射 1）表面散射 2）体散射 3）散射截面与散射系数 2、 雷达方程
1、 微波的散射
表面散射 ---- 指在介质表面产生的散射。自然表面可以分 解为一系列具有小尺度几何形状的平面元。
射强度构成一个立于地面的（散射分布）椭球体，θ→小 （或α→大），则回波强度I→大。
根据瑞利准则， 入射角不同还会影 响到入射波的表面 粗糙程度，从而影 响到表面的后向散 射特征。
回波强度与入射角的关系
照射带宽度 ---- Swath width