武汉大学微波遥感复习要点

微波遥感复习要点
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第一章微波遥感基础
1、微波遥感：指利用波长1mm-1m电磁波（微波波段）进行遥感的统称。

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。

对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，又能夜以继日地全天候工作。

2、微波遥感传感器：主动式：侧视雷达（成像）、微波高度计（不成像）、微波散射计（不成像）被动式：微波辐射计（成像）。

3、微波遥感的优势：全天时：主动被动微波遥感都不依赖；全天候；一定的穿透能力：波长越长、、湿度越小湿度越小，，穿透越深穿透；提供特殊信息：海面形状, 海面风速, 土壤；提供相位信息：高程信息, 地形形变信息（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）
4、缺点：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。

5、成像模式：宽扫描模式：天线（雷达波束）在成像时沿距离向扫描，使观察范围加宽，同时会降低方位向分辨率。

聚束模式:对传统的SAR成像模式而言，其发射波束一般正交于卫飞行方向。

而对聚束模式而言，雷达波束可以前后“斜视”，偏离正方向。

采用这种方式，雷达波束对目标的照射时间将比传统成像模要长，从而提高分辨率。

通过聚束模式，将卫星分辨率提高到lm。

条带模式。

6、微波：1mm-1m(0.3GHz-300GHz),L波段（1-2GHz：15cm-30cm）
7、电磁波的基本物理量：频率、传播方向、振幅、极化。

传播过程遵循：反射、折射、衍射、干涉、吸收、散射等规律。

8、干涉的定义：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。

波的相干性导致微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征。

9、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)。

10、多普勒效应：当目标与观测者之间有相对运动时，观测者接收到的频率与波源发出的频率不同，二者之差为多普勒频移。

互相接近时，频率增加，远离时频率减少。

不仅使用与声波，也使用与电磁波。

11、大气对微波的衰减主要是吸收和散射，其中水分子和氧分子吸收毫米波；大气微粒（水滴、冰粒和尘埃）对微波进行散射作用。

12、微波与地物的相互作用：
反射：地表平滑 极化方式与入射波相同。

关键是反射方向。

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。

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）。

单位投影面积内的散射率:
002cos /4θπγA S S R S = 地表A 单位面积散射系数:
A S S R s S 02/4),0(0πσ= 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:
02/4S S R S π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）。

第二章 微波遥感系统
1、散射计（有源、非成像）：强度——后向散射系数，即定标后的雷达。

可运用不同波长、角度以及极化，测量地物散射特性及表面特征。

2、雷达高度计（有源，非成象）：发射和接收信号的时间延迟来测量距离。

3、微波辐射计（无源，成像型）：通过接受被测场景在一定频带内的电磁辐射，转换为输出的低频信号，来表述被测场景的地物信息。

4、工作基本原理。

波束宽度角：L /λ（L 为天线长度） 波束高度角：W /λ（Ｗ：天线宽度）。

5、距离向分辨率：地面可以分辨的两目标最短距离。

雷达发射的是短脉冲，信号之间必须相差一个脉冲长度才能分开来。

距离分辨率与飞机－目标之间的距离无关。

与俯角有关与航
空摄影相反。

斜距分辨率：2/τc R =∆ 地距分辨率：i c θτsin 2/
离地底点越近，入射角越小，分辨率越低；侧视时距离分辨率好，近似垂直时反而差 与航空摄影的情况相反，雷达成像必须侧视的原因。

6、方位向分辨率：在方位向所能分辨的两个目标的最小距离。

在航向上，两个目标要能区分开来，就不能处于同一波束内。

方位向分辨率等于雷达波束宽度所对应的弧长。

θλλβδcos /./..D H D R R A === 为了提高方位向的分辨率，采用合成孔径技术。

7、合成孔径雷达：利用雷达与目标的相对运动，把较小的真实天线孔径与数据处理方法合成一种较大的等效天线孔径的雷达。

d R S =方位向分辨率仅由雷达天线的长度所确
定？？？
8、雷达方程：描述了雷达发射机发射雷达波束后山地地物目标后向散射，雷达天线所接受到的回波功率。

A R R
G P t .41..4.22πσπ 24λπA G = 9、如果波束照射到地面的面积是Ａ，那么地物总的有效散射截面A .0
σσ=，所以分布目标的雷达方程应该＊Ａ。

由雷达方程可知：当雷达系数参数和目标距离确定后，雷达天线接收的回波功率与后向散射系数0σ有关。

10、灰度方程：表达了雷达回波功率转换为图像密度的过程。

第三章 微波图像的特点
1、侧视雷达的图像参数包括系统工作参数和图像质量参数：波长、俯角（入射角）、显示方式（地距显示方式和斜距显示方式：地距显示有利于分析判读，斜距分析有利于几何处理）、分辨率（空间分辨率、灰度分辨率、体分辨率）、灰度范围。

2、侧视雷达图像的几何特点：（1）斜距显示的近距离压缩：方位向比例尺是一个常量，距离向与俯角有关，距离天线越近则被压缩的程度越大。

为了得到距离向无几何失真的图像，
3、采用地距显示的形式。

成像时加延时补偿或几何校正（2）透视收缩与叠掩：透视收缩：当雷达波束照射到位于雷达天线的同一侧的斜面时，雷达波束到达顶部的斜距和到达底部的斜距之差要比斜面对应的地面距离小。

叠掩或顶部位移：对于朝向雷达波束的斜坡，当雷达波束先到达斜坡顶部晚到达斜坡底部的时候，顶部先于底部成像。

雷达阴影：在雷达影像上由雷达与目标之间的障碍物而出现的无回波区，即无讯号的区域。

当θα>时发生叠掩；当
βα>时发生雷达阴影。

俯角越大越容易产生叠掩，俯角越小越容易产生雷达阴影。

4、地物目标的几种类型：（1）点目标：尺寸远小于一个分辨单元，回拨信号很强，以亮点的形式表现在图像上（2）线目标：在图像上具有一定形状的亮（暗）线目标，如铁路、公路、桥梁、输电线等（3）面目标/分布目标：同类的点或物质随机分布，并且表面很粗糙的大块区域，如农田、草地（4）硬目标：既不占相当面积，又不局限在分辨单元，回拨信号在图像上表现为一系列亮点或一定形状的亮线，大多数人工建筑目标属于此类，例如桥梁、输电线和房屋，亮度一定非常强。

5、影响雷达图像色调的因素：（1）粗糙度：b l h sin 8<
，粗糙度与、是相对的。

波长越长，俯角越小，表面越光滑。

（2）复介电常数（介电常数和损耗因子）：介电常数高则反射作用大，穿透作用小。

复介电常数的大小取决于含水量，含水量高则复介电常数大，回拨信号强。

（3）波长：主要通过影响粗糙度和介电常数来影响图像色调的，波长，相当于表面光滑，介电常数大。

（4）入射角：小则粗糙度增加，大则粗糙度减小。

一般在陆地上空，雷达波束的入射角都在平直区范围内，平均后向散射系数变化不大，地物的回波强度随距离变化不大。

对于大尺度粗糙表面，平均后向散射系数处于近垂直入射区，图像上色调会变亮。

而背向雷达波束的坡面图像上色调会变暗。

海洋遥感，有时需要将入射角控制在近垂直入射区，如海洋油污检测。

粗糙表面的散射特性比较平滑，随入射角变化不大。

（5）极化方式：对于同极化，粗糙表面与比较光滑表面不同，HH<VV ；近垂直入射时，两种极化的差别很小。

但水面和城市情况不同。

对于交叉极化，通常回波比同极化低8-25dB 。

所以交叉极化接收机的增益要高些。

去极化（产生交叉极化的过程）q 由平均的平滑起伏表面上反射系数的差别引起的准镜面反射q 非常粗糙的表面引起的多次散射q 地表趋肤深度层内的非均匀物体引起的散射q 地物目标本身的各向异性产生的散射。

（6）次表面粗糙度与体散射：当电磁波穿透地物时，第二层介质的表面粗糙度称为次表面粗糙度。

第二层介质不均匀引起体散射体散射是当雷达波束穿透地物时，由于地物内物质的不均匀性，和不连续的空间位置分布，如树干、枝干、叶面等分布的随机性，引起体内散射的各向同性。

第二层介质均匀则只有表面散射无体散射。

面散射和体散射的区别：q 面散射的强度与表面复介电常数成正比，散射特性曲线的形状由表面粗糙度决定；q 体散射的散射强度与内部物质介质的不连续程度成正比，其散射曲线的形状由平均介电常数等因素决定。

（7）角反射器：回波信号很强，角反射器回波强度与材料有关。

金属角反射器>混凝土角反射器>木质角反射器。

6、雷达图像中的某些虚假现象：地物的反射、散射和多路径散射。

7、典型地物的散射特性：地物波谱特性主要表现为地物对于某一波长（包括不同极化方式）或某几个波长的雷达波束的不同散射特性。

粗糙表面的散射特性曲线是比较平滑的；同极化与交叉极化相差5-15dB；地面多为粗糙面对入射角不敏感。

（1）农作物与草地：1）不同同极化或不同交叉极化之间差异小2）同极化与交叉极化相差5~15分贝，曲线之间呈平行趋势3）一般对入射角不敏感水稻在近垂直入射区有较强回波（水）4）一般为土壤与植物回波叠加近垂直入射方向，土壤回波影响较大5）含水量不同影响较大多者回波越强6）不同波长回波不同，波长长者回波小7）不同的生长期、作物密度叶穗形状变化作物种植起垄方向均有影响。

（2）林地：1）密度不同，树种不同，回波各异。

落叶林回波强度大2）水平极化回波强度大3）不同波长穿透程度不同，体散射信号强度各异4）所处地形不同，回波不同。

（3）土壤：土壤的散射特性与入射角、地表粗糙度、含水量等有关。

1）入射角越大，散射系数越小2）粗糙度增加，散射系数曲线变得平缓3）特定入射角与粗糙度无关、仅与含水量有关，便于探测土壤湿度。

如1.1GHZ 7°4）散射系数与湿度呈线性关系。

（4）岩石：影响回波的因素：表面粗糙度，照射角取向，角反射效应，岩石构成元素，植被与土壤复盖，极化方式。

（5）海浪海风：海浪可看作是粗糙度比较均匀的表面，比较容易建立散射特性与粗糙度的关系，以便研究海浪和海风的状况。

1）风速越大海面粗糙度越大曲线越平缓2）观测方向与风向所成角度顺风表现为光滑逆风表现为粗糙侧向与逆风时比稍弱3）风浪大时VV/HH回波之间差异小(与农作物类似)海面平静时VV极化散射系数要大。

（6）冰雪:n 大面积冰层：表面光滑，回波弱n 融化时，海、河中大量浮冰增加了粗糙度，回波强预测河流的通航期。

n 雪层越厚，回波越弱穿透作用，反映地表的信息。

n 水量不同，回波各异n 波长长者、穿透愈深，回波愈弱n 雪层一般能穿透回波可反映雪层下地物信息。

第四章雷达图像的校准、定标和模拟
1、校准：雷达图像需要改正由于天线、发射机和接收机性能等的衰变造成接收信号的误差，改正由于环境干扰造成的信号混杂或噪声带来的误差，使雷达图像所反映的信号在最大限度上真实表现地物目标的回波强度。

校准大气干扰，噪声影响，系统性能。

定标即“反演”。

在校准后确定灰度——后向散射系数关系。

2、定标：对于校准后的雷达图像，建立起图像灰度与标准后向散射截面的关系。

3、内部校准：内部校准是为了克服信号获取过程中的系统误差，解决输出电压是否正确的
问题。

通过标定的发射功率来测试发射接受系统的传输函数。

4、校准器：规则形状回波强的人造目标作为校准器如角反射器，矩形板等
4、绝对校准：为了解决回波量测过程中的随机误差。

通过获得已知散射
截面的地面目标信号来进行。

利用理论计算散射截面和实际量测的散射截面的偏差。

5、雷达图像的定标：雷达图像的定标确定图像的灰度与标准雷达散射截面的关系。

定标是定量分析的前提，定标后，即可由雷达图像的灰度计算出地物目标回波的绝对值。

总体传递函数→定标
第五章微波图像的几何纠正
1、几何变形分析：斜距投影变形：dy = yp-yp'= f ( 1/ cosθ-tgθ) = yp{1 –sin [ arccos ( f / y
p)]} 地形起伏影响：没有地形起伏时P点坐标：
)
cos
(θ
λh
R
y
p
p
+
'
=
地球曲率的影响：
特殊的地形起伏大气折射的影响：大气折射和地球自转则只考虑地面点的位置，而没考虑大地基准面（主要是折射率引起的时间变化）外方位元素的影响：理想状态与实际状态的影响，外方位元素（位置和姿态的变化），对于SAR影像，航速变化会导致影像产生变形。

（见习题）
2、构像方程：成像几何关系的表达，影像点坐标与相应地面点地面坐标，由成像机理所形成的关系表达式。

用于几何变形分析，成像几何质量分析，影像几何校正。

基于多普勒的构像方程:三个方程式所组成的方程组就形成了基于多普勒方程的卫星雷达成像方程.相应于等效中心投影的雷达影像构像方程、konecny 提出的等效共线方程：前述等效共线方程以雷达影像平均比例尺为基础，仍是一种近似，事实上雷达影像各点处比例尺不尽一致。

3、雷达图像的几何纠正方法：（1）多项式方法。

前提：影像最好为地距显示方式；地面起伏不大；校正精度要求不高（局限于变形小，垂直下视图像，相对平坦）（2）利用构像方程：数学模型比较严密，每一点上要用高程信息（主要是基于多普勒方程的构像方程的几何校正，需要较高的星历精度）（3）雷达图像模拟：雷达图像的模拟是根据地面实际情况或其它资料（如地图或其它遥感资料），按照雷达图像的成像机理，用计算机产生一幅雷达图像，或根据已有雷达图像产生不同频率、不同极化的另外一种雷达图像，以供多种应用的技术。

需要的数据：知地理信息数据库：DEM，土地利用；地物目标散射特性数据库、雷达设备参量、成像参数等数据。

实施步骤：1）按分辨单元大小，根据飞行路线、俯角、照射带宽在地形图上确定格网2）计算每一格的实际面积和雷达波入射角（根据DEM）3）按每一格的地物（需土地利用数据）及其在不同条件下的散射系数（散射特性数据库）由雷达参数计
算回波功率4）计算每一格所对应的图上灰度。

第六章微波图像与测量
1、平面测量：①前提地面起伏较小，地距显示图像②光点尺寸补偿强信号减一弱信号
加一（原因：由于雷达图像记录了地面上每一分辨单元中的地物回波信号，若这一分辨单元中由某一地物回波信号很强，即使它在这一分辨单元所占的比例很小，依然能使所在分辨单元较亮，所以量测结果须减去一个分辨单元的长度，而对于无回波地物或阴影的长度计算则正好相反，须加上一个分辨单元的长度，因为其两端所处的分辨单元可能有回波信号较强的地物。

）高度量测：前提条件独立地物立体量测中的视差表示视差：同一地物在立体影像上的坐标差异。

立体相对要求左右入射角有较大的差别，缺点：左右影像的几何变形大，加上噪声斑点，使得影像的图像匹配困难。

第七章雷达图像的目视解译和计算机处理
1、雷达图像的解译标志特点：①解译标志主要在于色调、纹理、相对位置关系形状、大小由于受变形影响，很难利用②尽可能利用多极化图像，多时域图像和多频段图像。

③可与其它图像一起，结合地物的各种图像特点进行分析。

④注意季节的影响，注意影响回波的主要因素含水量，粗糙度，地物排列的方向性。

⑤与计算机处理结合起来如：去噪声、增强、彩色合成、影像融合。

⑥同一地物在不同情况下的色调不同。

如：铁路延伸方向，同距离向一致，暗线条，同航向平行，较亮线条。

2、色调：是回波强度的反应，与波长、入射角、极化方式、地物目标的方位、复介电常数、表面粗糙度、是否构成角反射器等有关。

形状：指地物的周界或轮廓构成的一种空间形式。

雷达图像上，大多数地物目标在雷达图像上的形状与其在人们的视觉中的形象相差很大，而且常常是实际目标的部分轮廓大小：与分辨率有关阴影：判读时需要注意阴影的背向。

3、图像变换、彩色合成与目标解译：多极化图像处理与分析1)将每一种图像进行逐一分析和对比分析，以求从对比中掌握某些具有规律性的信号特征，为某一专题信息的提取总结解译的方法。

2）假彩色合成，以便更好地突出地物差异细节，提取所需的目标信息。

2、图像变换与合成SAR与TM图像融合分析比值变换HIS变换。

4、计算机处理与识别：去噪、图像增强、计算机自动分类。

5、InSAR：是以SAR雷达天线记录到的回波信号为信息源，利用干涉测量技术获取地球表面的三维地形、地表形变和地物特征变化等信息的一种测量技术。

InSAR是SAR的一个新的应用领域。

有交轨、顺轨、重复轨道三种工作方式。

6、影响特征：振幅：目标物的反射特性，是雷达波参数和目标物参数的函数。

相位：雷达
天线与目标物间双程距离中不足整周的部分。

7、相位解缠：一切将相位由相位差值或主值恢复为真实值的过程。

解缠条件：一致性：任意两点间的相位差与路径无关精确性：解缠后相位忠实地恢复原始相位函数。