第4章 遥感传感器及其原理B-微波遥感与成像(3)

目的：提高微波影像在飞行方向的分辨率。
原理：用一个短的天线产生长孔径天线的效果。即用一个小
天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信 号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当 天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为L的天线阵 列所接收的信号非常相似。 39
微波遥感传感器分类--合成孔径雷达（SAR， Synthetic Aperture Radar）
• 由两个(或两个以上)频率、振动 方向相同，相位相同或相位差恒 定的电磁波在空间叠加时，合成 波振幅为各个波的振幅的矢量和 。因此，会出现交叠区某些地方 振动加强，某些地方振动减弱或 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。电波天线正是利用电 磁波的相干性制成的。
正因为微波的相干性，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 7 没有的，也是对解译很有意义的信息。
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微波辐射的特征--叠加
当两列波在同一空间传 播时，空间上各点的振动 为各列波单独振动的合成 。 任何复杂的电磁波都可 以分解成许多比较简单的 电磁波； 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）
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微波辐射的特征—相干
侧视雷达（SLR）工作原理
雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很 强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线 接收。 由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的 时间不同。 目标由近到远地记录在显示器、胶片上。由于是距离成像， 目标实际地面距离（地距）大于记录在显示器、胶片上的距离 （斜距）。
Rr = (100×10-9×3×108)/2 = 15m Ra = (3/900) ×5000/cos45 = 23m • 将其装在飞行高度为500千米的卫星上,则方位向分辨率 在45°角入射时退化为2.3千米。如果要通过减小天线 波束宽来改善方位分辨率, 在技术上是非常困难的,因此 真实孔径雷达只能是机载的。
被动方式
2、微波散射计：不成像
微波散射计：测量地物的散射或反射特性
微波高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确
得知地表高度变化，海浪的高度等参数。 24
微波遥感传感器分类
微波散射计
• • 测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。 组成：微波发射器、天线、微波接收机、检 波器和数据积分器。
合成孔径技术
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微波遥感传感器分类--合成孔径雷达（SAR， Synthetic Aperture Radar）
合成孔径雷达
合成孔径雷达与侧视雷达类似 , 也是在 飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂 直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接 收天线分成许多小单元 , 每一单元发射和接 收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记 录的回波相位和强度都不同。
基本原理：利用短的天线，通过飞行平台的移动及信号数据处理，产生很 长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。 在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在 一起。 在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度 不同，形成相干影像。经过复杂的处理，得到地面的实际影像。 40
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Q?：为什么目前真实孔径雷达只能是机载的
• 对于一部机载雷达,假设其脉宽为100纳秒,飞行高度为5 千米,天线波束宽度为3毫弧(也就是说其天线孔径长约为 波长的300多倍,如对X波段雷达,波长为3cm,天线长为 9m),可以算出斜距分辨率Rr约为15m,Ra方位向分辨率 在45°角入射时为23m。
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侧视雷达（SLR）工作原理
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侧视雷达（SLR）工作原理
方位分辨力Pa
沿航线方向的分辨率—方位分辨率、沿迹分辨率 Pa= *R 波束波瓣角， R天线到该像元的倾斜距离 =/l, 波长， l天线长度 Pa = (/l)*R 天线越长， Pa越小，方位分辨率越高
β
距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反。 提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离 合成孔径技术。
相位测量-合成孔径雷达干涉测量
• SRTM全球地形三维测量 • Landers地震同震形变场
Soufriere Hills volcano, Montserrat，UK
Landers earthquake 1992，《nature》
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
A：入射角; B：视角;
C：斜距; D：地距;φ：俯角 32
侧视雷达（SLR）工作原理
侧视雷达工作原理——距离分辨力Pg
在侧视方向的分辨率—距离分辨率 Pg=c /2cos 脉冲持续期(脉冲宽度)， 俯角，c光速 俯角越大， Pg越大，分辨率越 低
即：距离越近，距离向分辨率 越低。
A: 近射程(near range); B: 远射程(far range)
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侧视雷达（SLR）工作原理
平台向前飞行，天线交替发射和接收雷达脉冲；在波束宽度范围内， 地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波 的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。
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侧视雷达（SLR）工作原理
侧视雷达工作原理——有关术语
A：飞行方向；B：天底方向 E：方位向；D：距离向； C：扫描宽度
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。
4B.2、微波传感器及原理
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微波遥感传感器分类
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 1、微波辐射计：成像
电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使 观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。
类似声波的多普勒效应。
---（合成孔径雷达的工作原理）
多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。科 学家爱德文· 哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结 论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称 为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银 13 河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。
（a）TM影像
（b）SAR影像 18
SIR-A测绘沙特阿拉伯古河道（1981年）
Shuttle Imaging Radar
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不同于可见光和红外的独特探测能力
• 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
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如何提高雷达分辨率?
侧视雷达斜距向分辨率 侧视雷达地距向分辨率 侧视雷达方位向分辨率 Pr=c /2 Pg=c /2cos Pa = ( / l)*R
波束之脉冲时间τ越小，距离向分辨率 越高，但τ太小则发射功率下降，降低 后向散射的信噪比
<==
脉冲压缩技术
理论上增加孔径D就可以提高方位向分 辨率，但实际上难以实现，因为孔径的 <== 大小决定了天线几何尺寸的大小
第四章B 微波遥感与成像
1. 微波遥感及其优点 2. 微波传感器及原理 3. 侧视图像几何特性 4. 目标微波特性 5. 雷达图像特性 6. 雷达遥感系统及应用
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4B.1、微波遥感及其优点
• 微波波段的划分 • 微波辐射的特征 • 微波遥感的特点
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微波波段的划分
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常用雷达波段划分及命名
毫米波
微波波段 厘米波 分米波
微波辐射的特征--偏振与极化
极化即电场振动方向的 变化趋势，线极化是电
场矢量方向不随时间变 化的情况，分为水平极 8 化和垂直极化。
HH - for horizontal transmit and horizontal receive, VV - for vertical transmit and vertical receive, HV - for horizontal transmit and vertical receive, and VH - for vertical transmit and horizontal receive.
•
•
测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波 长变化的规律。
只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可 称做散射计。
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地基微波散射计应用实例
散射计-海风
散射计-小麦
散射计-积雪
散射计-玉米
微波遥感传 感器分类
微波辐射计
微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度 温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其发射强度 与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信号并换算成对应 的亮度温度图 , 对地面物体状况的探测很有意义。
L C X
对干沙可以穿透 几十米，对冰层 能穿透100m左右
16பைடு நூலகம்
Landsat and SIR-A images of Selima sand sheet, N.W. Sudan
penetration of clouds
穿透性
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穿透性
成像雷达是工作于微波波段，一方面大气对电磁波的衰 减与电磁波有关，波长越长，衰减越小。
0.1-1.0mm
0.1-1.0cm 0.1-1.0m
Ka
K,Ku,X,C,S S,L,P 4
常见雷达卫星载波
卫星 SEASAT SIR-A SIR-B SIR-C/X-SAR Lacrosse ALMAZ ERS-1/2 JERS-1 RADARSAT-1 发射 1978 1981 1984 1994 1988 1991 1991/1995 1992 1995 波段 L L L L/C/X L、X L C L C 波长(CM) 23.5 23.5 23.4 23.5/5.8/3.1 23.5/3.0 10 5.7 23.5 5.7 1.278/10 3.1 5.25 1.275 5.25 频率(GHZ) 1.275 1.278 1.282
极化的概念和极化类型 •水平极化：电磁波的电
场矢量与入射面垂直(入射波 与目标表面入射波处的法线 所组成的平面)。
•垂直极化：电磁波的电
场矢量与入射面平行。
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同一地区 同一波段 不同极化 的雷达图 像存在着 明显的区 别。 不同极化 的图像就 象不同波 段一样可 彩色合成。
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微波辐射的特征--多普勒效应
全天候/全天时工作能力
• 对云的透过性
（全球日平均云层覆 盖率为40%-60%）
• 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）
X C S
• 白天晚上工作
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一定的穿透性Surface penetration capabilities
• • • • 穿透深度与 土壤湿度、 频率、土壤 类型的关系
XSAR/SRTM
ENVISAT ALOS PALSAR RADARSAT-2 COSMO Sky-med Terra SAR-X
2000
2002 2005 2005 2007 2009
C
C L C X X
5.7
5.7 23.5 5.7 3.1 3.1
5.25
5.25 1.275 5.25 10 10
微波遥感的特点
1）、能全天候、全天时工作 2）、对某些地物具有特殊的微波特征： 在微波波段，水的比辐射率为0.4，冰的 比辐射率为0.99；而在红外波段，水的比 辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92。 3）、对冰、雪、森林、土壤等具有一定 穿透能力。 4）、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 5）、分辨率较低，但特性明显。 14
亮度温度是指辐射出与被测物体相等的辐射能量的黑体的温度。
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FY-3微波辐射计
微波遥感传感器分类
侧视雷达
• 侧视雷达在随飞行器前进过程中，向 垂直于航线方向（距离向range）发 射一个很窄的波束，这个波束在航行 方向（方位向azimuth）上很窄，在 距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄 的条带。 • 波束从飞行器较近的距离（近距点） 照射到离飞行器较远的距离（远距点 ）。 • 每个波束，由以一定时间间隔（脉冲 宽度）的具有特定波长的微波脉冲组 成。 雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同部位时，要 有时间先后差异，这样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。 29