S975-微波遥感-课件-第一章
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微波遥感
MICROWA VE REMOTE SENSING
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第一章微波遥感基础
1.1 引言
1.2 电磁波理论与微波
1.3 微波与物质的相互作用1.4 无线电谱与微波谱
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
微波遥感
利用微波传感器接受地面各种地物发射和反射的微波信号，藉以识别、分析地物、提取所需的信息。
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雷达定义
RADAR: Radio Detection And Ranging PPI: Plan Position Indicator SLAR: Side-Looking Airborne Radar SAR: Synthetic Aperture Radar
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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雷达发展历史
?1923，雷达相关的概念被提出；?1930s 发明了雷达系统
–A high powered, radio transmitter/receiver system was
developed that would transmit a signal that was reflected
from a distant object, and then detected by the receiver –RADAR’s initial function was to detect and determine the
range to a target
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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NRL originated the radar PLAN-POSITION INDICATOR (PPI)-the well-known radar scope with the round face and the sweeping hand-between 1939 and 1940.
雷达发展历史
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
为什么采用侧视？
雷达在“距离”向上有一个视觉，所以必须在旁边进行观测，如果垂直照射地面，那么总会有两个点具有相同的距离，轨迹的每一边
一个，于是图像自身就会折叠，轨迹右边的点和相应左边的点就会混在一起。
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全天时
主动被动微波遥感都不依赖太阳
1.1 引言
第一章微波遥感基础
一、微波遥感的优势
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
云对微波透射率的影响
雨对微波透射率的影响
全天候
一、微波遥感的优势遥感信息工程学院潘斌
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一定的穿透能力
波长越长、湿度越小，穿透越深
1.1 引言
第一章微波遥感基础
一、微波遥感的优势干沙可以穿透几十米冰层可以穿透100m 左右
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
影像大小50 km*19 km 。红= CHV; 绿= LHV; 兰= LHH
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提供特殊信息
海面形状, 海面风速, 土壤水分
1.1 引言
第一章微波遥感基础
一、微波遥感的优势
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
一、微波遥感的优势 提供特殊信息
海面形状, 海面风速, 土壤水分
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提供相位信息
高程信息, 地形形变信息
1.1 引言
第一章微波遥感基础
一、微波遥感的优势遥感信息工程学院潘斌1.1 引言
第一章微波遥感基础
提供相位信息
高程信息, 地形形变信息
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
M w 6.6 Bam (Iran), 2003
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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c = f * l = 3 *108 米/ 秒
1mm ——300 GHz 1m ——0.3 GHz
成像雷达、散射计与微波辐射计
雷达遥感不仅可以记录电磁波振幅信息，还可以记
录电磁波相位信息，用于获取高精度的DEM 。
1.1 引言
第一章微波遥感基础
二、波长与频率
三、主动与被动工作方式
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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
尤其雷达影像
1.1 引言
第一章微波遥感基础
四、微波遥感的不利之处
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
四、微波遥感的不利之处
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
四、微波遥感的不利之处
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叠加
两波相遇点上的物理量等于各个波的物理量之和相干性
两波相遇时出现波的叠加
（相位/相位差/ 频率/ 振动方向相同）相干波矢量和非相干波
代数和
单色波都是相干波
1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
波的相干条件
?频率相同
?相位相同或者相位差恒定?在叠加处振动方向相同
满足相干条件的波称为相干波。发出相干波的波源称为相干波源
能引起干涉现象的光源称为相干的，相干波可以是任意一种波（如机械波，电磁波，声波等）
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
波的干涉
频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些
区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。
产生干涉的一个必要条件是，两列波的频率必须相同或者有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波源没有固定的相位差
（相差），相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的，没有振动总是加强或减弱的区域，因而不能产生稳定的干涉现象，不能形成干涉图样。
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
波的干涉
干涉是一种现象，而相干则是反映了两个波源之间具有可以发生干涉现象的一个条件
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
波的衍射
波的衍射指波在传播过程中，遇到障碍物后，绕过障碍物或缝隙时传播方向发生变化的现象，是波的重要特性之一。
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极化
电场场强振动方向的变化趋势
1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
参考平面入射波方向和地表法线方向
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
●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
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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相对于单极化，多极化提供更多的信息:
–散射体类型（三面角，两面角，偶极子）–视向散射方向(-90°≤ψ≤90°)–椭圆率：散射体对称的程度–熵：极化信息的重要性
Targets with high polarimetric significance indicated by low entropy
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
四种线极化方式
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多普勒效应
由于传感器的运动导致发射和接受频率发生变化
假设发出时频率f 接收时f ′如果朝向目标运动：f ′> f 如果背离目标运动：f ′< f
目标与接收天线的连线垂直于飞行方向f ′= f
1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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1.2 电磁波理论与微波
第一章微波遥感基础
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雷达电磁波基础
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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雷达电磁波基础
波长范围描述
Ka, K, and Ku Bands 波长非常短，用于早期的机载雷达，现在很少用
X-band 广泛用于机载系统和高分辨率星载SAR 系统，用于军事侦察和地形成图
C-band 常用于许多机载研究系统(CCRS Convair-580 和NASA AirSAR) 以及星载系统(包括ERS-1、2 和RADARSAT). S-band
前苏联ALMAZ 卫星，我国的HY-1C.
L-band 美国的SEASAT ，日本的JERS-1卫星以及NASA 机载系统。
P-band
最长的雷达波长, 用于NASA 实验机载系统
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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雷达电磁波基础
X-波段：2.5-3.75cm ，8-12GHz ，GSD:1-3m C-波段：3.75-7.5cm ，4-8GHz ，GSD:3-5m S-波段：7.5-15cm ，2-4GHz ，GSD ：5-8m
L-波段：15-30cm ，1-2GHz ，GSD:8-10m
按照波长（频率）来分类，波长（频率）与地面分辨率有密切的联系。
GSD:Ground Sample Distance
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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1.1 引言
第一章微波遥感基础
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大气对微波的干扰
?一般很小?主要在毫米波
?波长越短，大气衰减越显著
大气衰减作用主要表现在两方面：吸收和散射。吸收中心波长: 氧
2.53mm 和5.0mm 处水
1.6mm 和13.5mm 处
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
一、微波与大气遥感信息工程学院潘斌
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
●瑞利散射：微粒半径小于波长●米氏散射：微粒半径大于波长
水云微粒半径小，其散射作用小于吸收。
散射
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
降水云层中的微粒半径与微波波长相近，形成米氏
散射。
小于2.81cm 散射作用小于吸收；大雨、暴雨时，散射作用不能忽略。
云层对微波除了散射和吸收作用外，本身也会发射出微波辐射而呈现为亮度温度
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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由于大气的吸收和散射作用，微波遥感通常采用如下窗口：? 2.06~2.22mm
? 3.0~3.75mm ?7.5~11.5mm ?20mm 以上
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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在1～300GHZ 的频带内，随着波长愈来愈短，微波与大气的相互作用有两个重要的转变：?
大气对微波能量传播的衰减作用由弱到很强
?
云层微粒和雨微粒对微波的吸收和散射作用从轻微到十分显著
微波段的重要价值
?对于地面与空间的通信和从空间对对面的观测，云雨的影响可减至最小
?如果对云层进行观测，则可得到关于云层含水量和分布范围的信息?
即使在有云层的情况下也可进行除云层参数以外的大气性质的测量
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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微波辐射计?吸收?
发射
成像雷达?
反射
?透射?
散射
二、微波与地物
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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反射地表平滑
极化方式与入射波相同反射方向 散射地表粗糙
主要散射分量，保持相干特性
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
二、微波与地物
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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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
折射
波的分解T E （水平）TM （垂直）反射系数表达式说明信号的不同
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
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●微分散射系数
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
当电磁波入射到粗糙的地物表面时，既有镜面反射分量，也有漫反射分量
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入射方向的功率密度地表A 接收能量S 0 A
在方向上的投影面上，接收的能量：
散射方向距A 为R 处的功率密度S S
若漫反射在以A 为中心，距A 为R 的球面上的散射能量总和
入射方向：接收的信号主要在后向散射方向
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
000:(,)S θ?00(,)θ?00
cos S A θ(,)s s θ?24s
R S π遥感信息工程学院潘斌
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地表微分散射系数
单位投影面积内的散射率:地表单位面积散射系数:
1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
20000
4()cos s
s s R S S A πγθ?θ?θ
=20
04(0,)s
R S s S A
πσ=
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散射截面:
是度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，简称RCS 。
它是目标的假想面积，用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示，该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号σ表示目标的雷达散射截面。
1.3 微波与物质的相互作用第一章微波遥感基础
20
4s
R S S 遥感信息工程学院潘斌
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1.3 微波与物质的相互作用
第一章微波遥感基础
对于粗糙地物表面，散射的镜面分量的极化方式与入射波的极化方式相同，漫反射的极化分量一部分与入射波相同，另一部分为正交极化。