05第四章 微波遥感

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第四章 微波遥感
微波传感器工作原理
•过程
(1) 脉冲发生器产生微波脉冲
(2) 发射机 (3) 双向通讯器（转换开关） (4) 方向天线把脉冲聚焦成一束 (5) 返回的脉冲被天线接收，发送到接收器，进行转换、 放大为视频信号。 (6) 数字式记录或实时显示
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第四章 微波遥感
微波传感器的分辨率
第四章 微波遥感
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地物的微波辐射
利用被动微波遥感海冰
北极地区海冰图。左图：冬季；右图：夏季 第四章 微波遥感
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地物的微波辐射
利用被动微波估计陆地及海洋温度
美国南部陆地及墨西哥湾海水温度
第四章 微波遥感
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地物对微波的反射
角反射 散射 镜面反射
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第四章 微波遥感
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第四章 微波遥感
地物对微波的反射
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第四章 微波遥感
土壤对微波的反射
土壤的背向散射与下列因素有 关: • 散射几何 (specular--diffuse) • 雷达俯角（多数土壤近 镜面反射） • 与土壤含水量正相关
不同土壤湿度时背向散射 的变化
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第四章 微波遥感
水对微波的反射
液体水的背向散射: 水的介电常数依赖于： • 温度——波长大于 10-15cm时,0摄氏度时的介电常数大 于20度。 • 波长——波长小于10-15cm时, 介电常数迅速减小 • 盐分—— 波长大于3-5cm 时，纯的 H20比海水的介电常 数更大 雷达是倾斜照射，水面平静时，背向散射很小，雷达影 像上通常很黑。但当波浪的尺度足够大时，影像也可以 探测到。
微波散射与表面粗糙程度的关系
对于长波雷达，地表较光滑，背向散 射小。
同样的地表对于短波雷达就显粗 糙，在雷达影像中由于背向散射 强而显得亮。
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第四章 微波遥感
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。
第四章 微波遥感
微波遥感分类
主动微波遥感 信号来源： 系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回 来的电磁波。 构成： 一部发射机，一部接收机，（通常共用一幅天线） 典型传感器： 高度计、散射计和成像雷达。 高度计和散射计的空间分辨率较粗。 雷达（Radar – Radio Detection and Ranging），无线 电测距和定位。
(1) 距离分辨率 在垂直于飞行方向上对目标物的分辨能力（所能分辨 的目标间最小距离）。 由脉冲宽度（脉冲持续时间） 决定。
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第四章 微波遥感
微波传感器的分辨率
地距分辨率Rg 斜距分辨率Rs qd: 俯角（Depression angle） q1:天底角 off-nadir angle Rg: 地距分辨率 ground-range resolution
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第四章 微波遥感
微波遥感常用波段
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第四章 微波遥感
微波遥感波段
ERS及RADARSAT利用C波段，日本的JERS利用L波段。 C 波段可以用来对海洋及海冰进行成像，而L波段可以更深地 穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。
较长的波长可以穿 透的更深，在冠层、 树干及土壤间发生 多次散射。
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第四章 微波遥感



金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强。
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第四章 微波遥感
植物对微波的反射
冠层的背向散射与下列因素有关: • 散射几何 (specular---diffuse) • 散射体尺寸分布 • 冠层下表面反射率 • 叶面积 (density of scattering elements per unit volume) • 极化 (垂直极化的背向散射较强) • 行结构及方位 冠层背向散射与极化的关 系（ L-band at 1.5 GHz, Cband at 5 GHz, X-band at 10.5 GHz）
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。
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第四章 微波遥感
微波散射与地物的介电常数的关系
介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射 率）。通常定义为物体电容与真空电容之比。

自然界一般物体在干燥时，其介电常数在3~8之间， 而水的介电常数接近80。
岩石的介电常数差别很小，很难依据介电常数来区别 不同的类型。 介电常数增加，反射增加。 土壤含水越多，反射越强。
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第四章 微波遥感
冰对微波的反射
冰的背向散射: • 冰的介电常数很低 (2.5-6.0) • 海冰的介电常数与盐分含量直接相关 (greater salinity = greater dielectric constant) • 海冰的介电常数与温度直接相关 (higher temperatures associated with greater dielectric constants) • 淡水冰的介电常数非常低，容易被雷达穿透 可以识别冰下物质 (water vs regolith) 可以探测冰川内部结构
微波遥感极化
极化：电波的振动仅在单一平面 水平极化：电场振动方向平行于水平面（“H”极化） 垂直极化：电场振动方向垂直于水平面（“V”极化）
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第四章 微波遥感
微波遥感极化转变
• 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。
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第四章 微波遥感
微波传感器类型
3、Microwave scatterometer（微波散射仪） • 非成像 • 测量背向散射 • 在两个或更多方向扫描地表（usually by multiple sensors） • 主要应用为测量海洋表面的风矢量（风向、风速，基本原 理：海洋表面粗糙度的变化由风引起）。 • 虽然不能成像，但也可以在很大的尺度上重建全球的风速 图。
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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
被动微波传感器
2 3 1 4
1 目标的发射; 2 大气的发射; 3 地表的反射 4 从地表下的透射
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第四章 微波遥感
地物的微波辐射
波长范围： 0.15 ~ 30 cm 频率范围：1~200GHz 中心频率： 1, 4, 6, 10, 18, 21, 37, 5Байду номын сангаас, 90, 157, 183 GHz
微波对物体的透射
微波辐射透入物体的深度，可表示为：

c 2b
c—真空中的光速； b—物体的导电率； —物体的导磁率； —电磁波的圆频率，=2f 。 • 金属有良好的导电性能，微波的穿透系数等于0。 • 冰和雪是不良导体，因此微波能穿透冰和雪的覆盖，以 探测冰、雪覆盖下的地面情况。
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
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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）
• 距离分辨率与距离无关。 • 若要提高距离分辨率，需要减小脉冲宽度。 • 脉冲宽度小，则频率增加，需加大功率发射器，造成 设备庞大，费用昂贵。 • 目前一般采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。
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第四章 微波遥感
微波传感器的分辨率
Pg
c
2 cos
为脉冲宽度 C为波速
俯角大 距离分辨力低
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第四章 微波遥感
微波背向散射的影响因素
总的来说，背向散射需考虑以下因素: • 物体本身：物体表面的介电常数，常与湿度 有很大关系； • 几何因素：物体表面的粗糙度、倾斜度、 排 列方向与雷达波束所成的方向； • 下垫面类型（土壤、植被、人工建筑）； • 微波频率、极化方向和入射方向；
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第四章 微波遥感
• 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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第四章 微波遥感
地物的微波辐射
300K黑体辐射曲线 光 谱 辐 射 热扫描波段 8-14m
被动 微波
1m
10m
100m 1000m 波长（）
1000mm
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第四章 微波遥感
微波传感器的分辨率
（2）方位分辨率
•由波束宽度与目标的距离 决定。
•波束宽度由天线大小及波 长决定。
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第四章 微波遥感
方位分辨力Pa
雷达发射的微波向四面八方辐 射，呈花瓣状，称波瓣，但以 一个方向为主，称为主瓣，其 他方向辐射能小，形成副瓣， 其中β 角称波瓣角。要使雷达 的方向性精确，就要尽量增大 主瓣功率和减少波瓣角。波瓣 角与雷达发射的微波波长λ 成 正比与雷达的天线孔径D成反 比：β =λ /D
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第四章 微波遥感
雪对微波的反射
雪的背向散射: • 干雪的背向散射比湿雪更大 • 波长较短时，雪的背向散射大，长波的背向散射小。 L 波段基本看不到雪。 • 对于干雪, 雪水当量与背向散射有强的正相关。 利用雷达制作雪水当量图必须选在夜晚 (since it is wet during the day)
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第四章 微波遥感
微波传感器工作原理
成像雷达（真实孔径雷达—RAR；合成孔径雷达—SAR）
Real Aperture Radar, Synthetical Aperture Radar
• 一般结构 天线
脉冲发 转换 雷达接收到的回波中，含有多种信息：如雷达 发射机 生器 开关 到目标的距离、方位、雷达与目标的相对速度( 作相对运动时产生的多普勒频移)，目标的反射 脉冲 发射 特性等。 记录 显示器 接收机 回波 脉冲
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第四章 微波遥感
微波传感器类型
1、Microwave radiometer（微波辐射计） • 测量微波区域地球的热辐射。强度与目标的温度与发 射率、反射率及透射率有关。 • 波长较短。由于能量较低，影像相对噪音大 ，空间分 辨率低，解译复杂。 • 可以测量视场中大气总的含水量，进行海—冰制图， 估算其他海洋参数（比如表面风及降雨速率） 2、Radar altimeter（雷达测高计） • 非成像雷达 • 垂直入射及接收 • 高度可以从发射及接收脉冲的时间延迟来推断
第四章 微波遥感
微波遥感分类
被动微波遥感、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（用亮温表示）。 – 典型传感器： • 传感器一般为微波辐射计，辐射精度目前约 1k，空间分辨率一般都在公里级(卫星遥感)或米 级(航空遥感) 。
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第四章 微波遥感
微波遥感波段
微波遥感波段：300MHz到300GHz（波长从1mm到1m）
被无线电界划分为：甚高频(VHF)、特高频（UHF）、超高频（SHF） 和极高频（EHF）。
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第四章 微波遥感
微波遥感波段
波段名称 P L S C X
第四章 微波遥感
频率区间 （GHz）
0.225—0.390 0.390—1.550 1.550—4.20 4.20—5.75 5.75—10.90
特点： 辐射源多且微弱，需要很大面积的地表来提供能量， 影像细节少； 来自地面的信号受大气干扰小； 不同物体的微波发射率差别往往比红外波段发射率 差别大（如海水的微波发射率一般为0.4，陆地的微 波发射率为0.8 ）依据微波辐射鉴别地物
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第四章 微波遥感
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 冰覆盖的地物的信息。
C Rg 2 cosq d
Rs: 斜距分辨率 slant-range resolution
Rs
C
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C: speed of light : pulse width
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脉冲宽度，则在一个脉冲宽度内，电磁波往返距离: 2Rs = C
第四章 微波遥感
微波传感器的分辨率

距离分辨率的物理含义：脉冲时间为t, 两个不同距离 的目标产生两个回波，要使两个回波不完全重叠，才 能分清是哪一个回来的信号，必须有t < 2Dr/C