51极化SAR原理与应用

5 极化SAR原理与应用
回顾-InSAR 原理与应用
复数影像匹配
干涉图生成与滤波
数据要求
应用 1 InSAR 技术与应用
2 D-InSAR 技术与应用
3 PS-InSAR 技术与应用
4 InSAR 技术研究进展
相位解缠 新方法
主要内容
§ 5.1 极化SAR基本理论
§ 5.2 极化目标分解
§ 5.3 极化SAR信息提取
§ 5.4 极化SAR技术研究进展
5.1 极化SAR基本理论
主要内容
1 极化SAR简介
2 电磁波极化特性及其描述
3 目标极化散射特性的描述
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁波的偏振
什么是“极化”？
E
H Z
E 线极化H Z
E 椭圆极化
H Z
E 圆极化
H Z
极化即电场振动方向的变化趋势，是电磁波的固有属性线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，分为水平极化和垂直极化
极化
•对于一平面电磁（EM）波，极化是指在垂直于传播方向的平面内电场矢量的轨迹
•极化描述了电场矢量末端轨迹的方向和形状
电磁波椭圆极化示意图
Polarization of Microwave
水平极化：电场矢量与入射面垂直 垂直极化：电场矢量与入射面平行
E
H
Z
垂直极化
目标
入射平面
同极化HH/VV 交叉极化HV/VH
同极化
like-polarized(同极化), e.g. HH, VV
VV对研究作物和海浪有利
HH对研究土壤湿度、船舶检测和区分水冰边界有利
cross-polarized（交叉极化）
; e.g. HV, VH
HV和VH对区别植被和非植被边界、水体边界、土壤湿度和表面粗糙度有利
交叉极化
微波发送与接收的极化控制
极化特性
•依据发射/接收的极化不同，可以有四种组合：HH/VV/HV/VH
•与地表发生作用后，电磁波的极化状态可能改变
•后向散射通常为两种极化的混合
•不同的地物会反映出不同的极化特性
•不同极化的不同回波是电磁波与地物目标相互作用的结果
极化SAR原理
雷达发射的电磁波在目标表面感应电流而进行辐射，从而产生散射电磁波。

散射波的性质不同于入射波的性质，这是由于目标对入射电磁波的调制效应所致。

这种调制效应由目标本身的物理结构特性决定，不同目标对相同入射波具有不同的调制特性
目标在电磁波照射下，存在着变极化效应。

也就是说，目标散射场的极化取决于入射场的极化，但通常与入射电磁波的极化不一致，目标对入射电磁波有着特定的极化变
换作用，其变换关系由入射波的频率、目标形状、尺寸、结构和取向等因素决定
极化SAR的特点
极化信息包含于介质的后向散射波中，
与介质的特性高度相关
几何结构、形状和方向；
湿度、粗糙度等地球物理属性，
等……
ERS-2 VV RADARSAT HH
Avon-Severn confluence
极化SAR 图像
稻田HH和VV极化SAR图像
某一日期的稻田制图
Illustration of how different polarizations (HH, VV , HV & colour composite) bring out different features in an agricultural scene HH VV HV
HH VV HV
极化SAR图像
光学影像极化RGB合成
|VV| |VV| |HV| |HH| Google Earth
极化的选择
常见的SAR系统为单极化，HH或VV
研究和发展的趋势，多极化，全极化HH/HV/VH/VV 多极化有助于区分散射表面的物理结构：
✓散射随机性（植被体散射HV）
✓角结构（HH，VV相位角）
✓ Brag散射（海洋，VV）
全极化的优势
可以得到每个像素的散射矩阵，Stokes矩阵和极化信号
✓综合多极化信息的分类
✓可视化人工解译和自动分类
由散射矩阵可以合成任意极化：
✓研究不同地表的散射特性
✓优化极化，最佳探测能力
电磁波极化特性及其描述
极化的描述
平面电磁波的电矢量在直角坐标系中可以分解为水平和垂直两个分量，而这两个分量之间的相对关系就构成了平面电磁波的极化方式
通常可以用极化椭圆、Poincare球和Stokes向量来描述平面电磁波的极化状态
()()()00cos ,cos 0x x y y E wt kz E z t E wt kz δδ-+⎡⎤⎢⎥=-+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦
时域电场矢量 由麦克斯韦方程，可求出平面波的解：
2222
2
00002cos sin x
y y
x x x y y E E E E E E E E δδ-⋅⋅+=极化椭圆方程
其中，
y x δδδ=-
φτ
椭圆倾角，
椭圆率角， 2
2
π
π
φ-≤≤
44
ππ
τ-≤≤其中
极化椭圆
x ασ=22
00x y
A E E =+002200tan 22
cos x y x
y
E E E E
φδ
=-002
200sin 22
sin x y x
y
E E E E
τδ
=+振幅
绝对相位 椭圆倾角
椭圆率角
几何参数
视线方向：波的传播方向
逆时针旋转 顺时针旋转
椭圆率角：
0τ>0
τ<π
π
τ-
≤≤
椭圆率角： 极化的旋向
水平极化垂直极化
线极化正交线极化
左旋圆极化右旋圆极化
椭圆极化正交椭圆极化
()()()00cos ,cos 0x x y y E wt kz E z t E wt kz δδ-+⎡⎤⎢⎥
=-+⎢⎥
⎢⎥⎢⎥⎣⎦
00x
y
j x j y E e E E e δδ⎡⎤
=⎢⎥⎢⎥⎣
⎦
时域电磁波
Jones 矢量
注意：Jones 矢量只适用于完全极化波
(a)完全极化波
(b)部分极化波
(c)非极化波
理想单色完全极化电磁波是不随时间而变化的，在实际情况中，一个辐射源产生的电磁波不可能是单色的，而是由一定的带宽（色散），电磁波的参量也不是常量，而是一些时间或空间的函数
电场矢量的端点在传播空间给定点处描绘出的轨迹也不再是一个非时变的椭圆，而是一条形状和方向都随时间变化的类似于椭圆的曲线，这种电磁波即为部分极化波
前面讨论的都是完全极化波，即波的两个正交极化分量的振幅和它们之间的相位差是常数。

对于不满足上述条件的电磁波称为部分极化波，George Stokes在部分极化(准
单色光)的研究，曾于1852年引入了表征一个波的振幅和极化的四个参数，称为Stokes参数
George Gabriel Stokes, 1819 - 1903, was a
Mathematical Physicist born in Screen, Ireland and
became a professor at Cambridge University.
Jones矢量Stokes矢量椭圆倾角和椭圆率角
水平极化垂直极化
线极化正交线极化
左旋圆极化右旋圆极化
椭圆极化正交椭圆极化
Stokes矢量
波的总强度
极化波的强度
可以看做半径为的球
对于完全极化波
对于部分极化波≥
可以用Poincare极化球来描述电磁波的所有极化状态。

任意极化状态都可以在Poincare球上找到对应的一点P P点的经度角和纬度角分别对应极化椭圆倾角、
椭圆率角的两倍
由于椭率角的符号代表极化椭圆的方向性，所以Poincare球的上半部分代表左极化，下半部分代表右
极化。

Poincare球赤道上的点表示线性极化，而在南
北两个极点位置上的点分别代表右、左圆极化Poincare球的半径大小则代表电磁波的传输功率大小
目标极化散射特性
的描述
前向散射坐标系统
后向散射坐标系统
单站散射坐标系统
注意
1.FSA较适合解决粒子或者非均匀介质的双基站散射问题
2.BSA较适合与解决给定目标或介质的雷达后向散射问题
3.目前大多数SAR系统都是单基站系统，采用MSA
极化散射矩阵
Sinclair矩阵
极化散射矩阵给出了
入射波Jones矢量与反射
波Jones矢量间的关系
2*2复散射矩阵。