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。

2002年，神舟四号多模态微波遥感系统的成功在轨飞行实现了我国航天微波遥感零的突破，使我国进入了航天微波遥感时代；2006年中国遥感卫星一号的成功发射实现了我国航天微波遥感全模态工作。

多模态微波遥感器上天，推动了我国以微波遥感器为主要载荷的一系列应用卫星的发展。

3、微波遥感的优势与劣势
微波遥感的优势主要在于以下几个方面：
（1）微波遥感具有全天时、全天候的工作能力。

雷达遥感不依赖于阳光，而利用自身发射的电磁波，因此可以昼夜全天时工作；微波对大气衰减小，能在任何气候条件下全天候工作。

（2）微波具有很强的穿透能力，不仅能穿云破雾，而且能穿透一定厚度的植被、土壤、冰雪等，提供部分地表以下的信息。

（3）主动微波遥感（SAR）记录电磁波的后向散射强度（振幅）、极化、相位（是干涉测量基础）三方面的信息。

（4）对地表粗糙度、地物几何形状、介电性质（土壤水分等）敏感。

（5）可获得多波段、多极化、多角度的散射特征。

（6）主动微波遥感（SAR）可用于精确测距、定位；且不依赖于距离，可获得高空间分辨率数据。

（7）对海洋遥感具有特殊意义，适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。

微波遥感可通过测量目标在不同频率、不同极化条件下的后向散射特性、多普勒效应等，来反演目标的物理特性——介电常数、湿度等，以及几何特性——目标大小、形状、结构、粗糙度等多种有用信息，从而成为对地观测中十分重要的前沿领域。

它在地质构造、找矿，海洋、海冰调查，土壤水分动态监测、洪涝灾害调查，干旱区找水，农、林、土地资源调查研究以及军事研究等方面越来越显示出广阔的应用前景。

微波遥感的劣势主要在以下几个方面：
空间分辨率；影像几何变形大,处理困难；不易解译；与可见光红外影像在几何上很难一致。

4、微波遥感传感器的分类
1、雷达（侧视雷达）：成像
主动方式2、微波高度计：不成像
3、微波散射计：不成像
被动方式：主要为微波辐射计
二、微波遥感原理
微波是比光波波长大得多的电磁波。

它具备电磁波的基本特征，如叠加、干涉、衍射、偏振等；微波在与目标的相互作用中也存在着散射、吸收、透射、发射等物理过程。

波的极化是指空间某点的电场强度矢量随时间的变换规律。

波的极化用电场强度矢量的端点在空间随时间变化所画的轨迹来表示。

极化方式包括：线极化（水平极化、垂直极化）、圆极化、椭圆极化。

参考平面——入射波方向和地表法线方向。

水平极化(振动方向与参考平面垂直)。

垂直极化(振动方向与参考平面平行)。

1、微波与地表的相互作用
1、反射：地表光滑，极化方式与入射波相同。

关键是反射方向。

光滑平面
2、散射：地表粗糙主要散射分量保持相干特性。

关键是后向散射（逆入射方向的散射分量）一部分为同极化,与入射波极化方式相同，一部分为正交极化。

单位投影面积内的散射率：
地表A单位面积散射系数：指单位面积上雷达的反射率或者单位照射面积上的雷达散射截面。

它是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度量。

散射截面：即散射波的全功率与入射功率密度之比。

物理意义：目标的散射强度可用一表面面积度量，其大小为在观察点处所截得的功率与散射场相同时所需截面的大小。

（貌似是散射截面越大，散射能力越强）。

1、表面散射
微波的散射
2、体散射
表面散射：指在介质表面产生的散射。

影响表面散射的因素有介电常数和表面粗糙度。

自然表面可以分解为一系列具有小尺度几何形状（即粗糙度）的平面元。

对于这种表面小尺度的几何形状可以用统计学中的高度标准差和表面相关长度来表示，它们分别从垂直和水平方向上对粗糙度进行描述。

表面散射的强度随介质表面的复介电常数的增加而增大，其散射角特征由表面的粗糙度决定。

在表面散射中，散射面的表面粗糙度影响微波能量的反射。

体散射：体散射指在介质内部产生的散射，为经过多次散射后产生的总有效散射。

在介质不均匀或不同介质混合下，往往发生体散射，如降雨（属多个散射体分布）、土壤或积雪内部、植被等。

体散射的强度与介质内的不连续
性和介质密度的不均匀性成正比。

它的散射角度特性取决于介质表
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。

散射截面：指散射波的全功率与入射功率密度之比，用有效散射面积表示，单位为m2 。

雷达散射截面又称后向散射截面，是雷达入射方向上目标散射雷达信号能力的度量。

散射系数：指单位截面积上雷达的反射率，或单位照射面积上的雷达散射截面。

3、透射：主要在长波，复介电常数小，较干燥地物结构疏松，如沙，复介电常数大则无透射如水面、铜。

雷达信号的穿透深度与地物（介质）的介电常数ε成反比，与雷达波长λ成正比。

湿度和波长是影响穿透深度的关键因素。

土壤含水量越大，其介电常数越大，穿透能力越弱。

所以说潮湿的土壤，岩石等穿透能力很弱。

雷达信号的穿透能力也与地表粗糙度、入射角有关。

一般来说，入射角越小，穿透能力越强，在雷达图像上近射程点穿透能力最大，远射程点最小。

观察高透射能力的最佳条件是在干旱区，用长波段的雷达系统。

微波遥感信息不仅反映地球表面、植被冠层的信息，还可以在一定程度上反映地表以下，植被冠层以下的信息，较可见光、红外遥感有更大的优势。

4、折射：波的分解T E（水平）TM（垂直）。

2、微波与大气的相互作用
1、微波的大气散射
由于雨滴、冰粒、雪花、冰雹等粒子组成，其直径超过100μm,满足米氏散射的条件，所以大气对微波的散射作用一般不能忽略
2、微波的大气吸收
大气对微波的吸收主要是氧分子和水汽所致。

3、微波的大气衰减
只要不处于微波的大气吸收阶段，大气对微波的吸收与散射作用就很小，一般情况下忽略大气对微波传输的影响。

微波对大气有较好的穿透性，能够在任何气候条件下进行全天候的工作，弥补了可见光、红外波段的不足，保证了地面数据的连续采集。

3、雷达成像原理
侧视成像雷达是一种主动微波遥感系统。

是测量目标物对雷达波束后向散射回波强度的成像设备。

一个雷达成像系统基本包括发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。

用于成像的侧视雷达有真实孔径雷达（RAR）和合成孔径雷达（SAR）两种。

由于真实孔径雷达的分辨率较低，目前已不再作为成像雷达使用。

现在的侧视雷达一般指视野方向和飞行器前进方向垂直，用来探测飞行器两侧地带的合成孔径雷达。

飞行器上的侧视雷达包括发射机、接收机、传感器、数据存贮和处理装置等部分。

早期使用真实孔径雷达探测目标，它借直接加大天线孔径和发射窄脉冲的办法来提高雷达图像分辨率。

60年代后，采用合成孔径技术，使雷达探测分辨率提高几十倍至几百倍。

现代侧视雷达在1万米高度上的地面分辨率已达到1米以内，相当于航空摄影水平。

合成孔径雷达的基本原理是用一个小天线沿飞行方向作直线运动，在移动中相隔一段距离发射一束微波，并接受地面目标对该发射位置
的回波信号（包括振幅和相位）。

飞行器飞行时，发射机不断向天线所扫掠的狭长地带发射强功率的窄脉冲波，天线接收从地面反射回来的回波，接收机输出视频信号。

雷达方程是描述由雷达天线接收到的回波功率与雷达系数参数及目标散射特征（目标参数）的关系的数学表达式。

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。

雷达方程：
式中，W r为接收功率；W t为发射功率；
G为天线增益（指某方向上的天线损耗，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；
A r为接收天线孔径的有效面积，A r=Gλ2/4∏
对于点目标，雷达天线收到的回波功率又可表示为：
对于面目标，σ=σo A,回波功率可用积分形式表示为：
式中，σo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。

由雷达方程可知，当雷达系统参数W t、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（W r）与后向散射系数（σo）直接相关。

侧视雷达工作原理与过程：
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。

三、雷达图像特征
1、高空间分辨率
1、雷达遥感可以获得高分辨率的雷达图像
（1）雷达以时间序列来记录数据，不像相机、光机扫描仪是根据多波长透视镜的角距离来记录数据。

成像雷达由于反射和接收信号的时延正比于到目标的距离，因此只要精确地分辨回波信号的时间关系，即使长距离也能够获得高分辨率的雷达图像。

（2）地物目标对微波的散射好，而地球表面自身的微波辐射小。

这种微弱的微波辐射对雷达系统发射出的雷达波束及回波散射干扰小。

（3）除了个别特定的频率对水汽和氧分子的吸收外，大气对微波的吸收和散射均较小，微波通过大气的衰减量小。

雷达图像的分辨率一般表示为距离分辨率乘以方位分辨率，可称为面分辨率。

它代表地面分辨单元的大小。

距离和方位
2、距离分辨率：又称射向、横向或侧向分辨率，是指沿距离向可分辨的两点间的最小距离。

脉冲的带宽是决定脉冲分辨相邻目标能力的关键。

雷达在射向上的距离分辨率R r，可由下式表示：
3、方位分辨率又称航向、纵向或集合分辨率，是指沿一条航向线可以分辨的两点间的最小距离。

对于真实孔径雷达来言：
2、穿透能力
微波不仅可以反映地球表面的信息，还可以在一定程度上反映地表以下物质信息。

雷达信号的穿透深度与地物的介电常数ε成反比，与雷达波长λ成正比。

3、立体效应
雷达散射及雷达波束对地面倾斜照射，产生雷达阴影，即图像暗区。

此明暗效应能增强图像的立体感。

这种明显的地形起伏感，对地形、地貌及地质构造等信息有较强的表现力和较好的探测效果。

雷达视向对目标的表达色调与形状影响很大，尤其是雷达图像上的线性行迹。

若两者垂直，则明暗效应最明显，信息被突出；两者平行则相反，信息被减弱。

因而对同一地区通常采用多视向观测，以提高图像对目
标的检测能力。

4、斜距图像的比例失真
雷达侧视带状成像，发射脉冲与接收回拨之间有个时间滞后，雷达回波信号的间隔直接与相邻地面特征的斜距成正比。

在斜距图像上各目标点间的相对距离与目标间的地面实际距离并不保持恒定的比例关系，图像产生不均匀畸变。

透视收缩：是面向雷达波束的斜面投影到斜据图像上被压缩。

收缩意味着回波能量相对集中，回波信号更强。

叠掩现象：雷达脉冲的曲率使近目标先到达，远目标回波后到达。

因而顶部先成像，并向近射程方向位移。

在图像的距离方向，形成顶底倒置，这种雷达回波的超前现象，被称为“叠掩”。

其位移方向与航空摄影图像正相反。

只有当α+β>900时才产生叠掩现象，因此叠掩现象多在近距离点发生。

叠掩现象
四、微波遥感的应用
1、可用于海洋应用研究，随着资源与环境问题日益尖锐，海洋资源探测、海洋环境监测和海洋要素调查等需求日益迫切。

2、冰雪方面的研究，研究和探测冰雪分布、生成、消融及演变十分重要，它关系到海洋洋流分析、水源水害分析、大气环流分析和气候演变分析，对人类生存环境和农业生态、经济发展关系极大。

3、大气方面的研究，灾害性天气预测、大气含水量测量、大气温度探测和大气成分探测是大气科学研究的主要工作，微波辐射计可以在这方面发挥重要的作用。

4、农业方面的应用，微波遥感在农业方面的应用主要涉及对农作物的识别、农作物生长状况的估计及土壤湿度的分析等。

5、灾害的实时监测，由于微波遥感具有全天时、全天候的特点，因此可以在对突发性灾害的实时监测方面发挥重要的作用。

6、外星球探测等。