微波遥感基础第一次大作业

微波遥感基础

大作业

学院：电子工程学院

一. 微波传感器与光学或红外相比的优缺点？

答：优点:

（1）能够全天候、全天时工作

微波具有穿透云层、雾和小雨的能力，而且太阳辐射对辐射测量没有太大的影响。因此微波辐射测量既可在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，具有较强的全天候、全天时的工作能力，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。

（2）对地物有一定的穿透能力

微波对地物的穿透深度因波长和物质不同有很大差异，波长越长，穿透能力越强。同一种土壤湿度越小，穿透越深。微波对干沙可穿透几十米，对冰层能穿透100m左右，但对潮湿的土壤只能穿透几厘米到几米。a.微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。b. 微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量，密度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。

（3）对某些地物具有特殊的波谱特性

比如微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可用于测定大地水准面；还可以利用微波探测海面风在可见光、红外波段所观测的颜色基本上取决于植被和土壤表层分子的谐振特性，而微波波段范围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体的几何特性以及体介电特性，这样，将微波、可见光和红外辐射配合运用，就能够研究表面上几何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。另外，微波还可以提供某些附加的特性，这使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影响可以探测海水的含盐度等等。

（4）具有多极化特性

不同的极化特性，表现更加丰富的目标特征信息。HH 极化方式，VV 极化方式， HV 极化方式，VH 极化方式。

（5）雷达可以进行干涉测量

微波遥感的主动方式即雷达遥感不仅可以记录电磁波的振幅信号，还可以记录电磁波的相位信息，通过相位信息可以进行雷达干涉测量。例如：可以实现地形主动干涉测量，微波遥感的主动方式可进行干涉测量对地形变化进行监测，实现InSAR地形测量

缺点：

（1）SAR一般是侧视成像，侧视SAR图像具有阴影、迎坡缩短、顶底倒置等几何失真。

（2）光学成像通常是一次成像，而SAR是多次扫描后的叠加成像，成像的效果与雷达的一些实际状态有关。

（3）相干斑现象严重，解译困难。

（4）微波传感器的空间分辨率要比可见光和红外传感器低。

（5）其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困难些。

（6）与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致。

二.同光学与红外相比微波遥感的意义和应用？

答：意义：

（1）可以进行全天时、全天候的对地观测；具有一定的穿透能力，因此微波信号可以穿

透云层，便于从空间进行对地面目标的探测，可以获得地下或水下浅层目标的信息。（2）电磁波穿透目标媒质表面并在其中传播的能力随频率的升高而降低，在微波频率的低端，电磁波可以穿透表面，具有进行次表层观测能力，在干燥的

沙漠地区，L 波段的雷达可以获得穿透几米的地下信息，而可见光和红外则

只能获得目标的表层信息。

（3）有源微波遥感对阳光辐射的依赖性弱，具有全天时工作的能力。由于频率较低化接收、相干接收和幅相，能够进行极矢量接收。

（4）微波波段的频率远低于可见光和红外波段，对于发射、接收和处理系统的响应速度的要求要比可见光和红外波段低得多，所以能够实现更高的系统

性能；在微波波段，发射和接收天线容易实现单一极化方向，所以极化信息

在微波遥感中得到很好的应用。而多数的光学遥感器，必须在探测前进行

特殊的处理，才能产生偏振信号；电磁波的特征参数包括幅度、相位、频

率和极化信息。

（5）微波、毫米波遥感对气体成分有敏感的谱线，便于进行对这些气体成分

探测，进而通过对某些气体成分异常分布的测量进行地震预报、资源探测等。气体分子转动产生的电磁能量发射主要分布在微波、毫米波波段，这种发射

形成表征体组分的谱线；由于微波接收机可以同时获得较高的频率分辨率，

能够比较准确地跟踪和鉴别不同成分的谱线，是目前主要的遥感手段。

应用：

（1）在海洋、大气、冰雪研究方面应用广泛。

（2）地理测绘和农业与土壤应用方面。

（3）可以实现通过信号编码调制技术，获得更高的信噪比；可以进行深层次的信号处理，便于提取更多的信息，提高系统的性能。

（4）在微波波段可以通过极化接收获得极化信息；可以通过相干接收获得相位信息。上述特点是可见光和红外遥感所难以提供的。

（5）大气降雨、大气可降水量、云中液态水含量，海面风场、台风、海冰的监测，陆地土壤湿度、积雪、干旱洪涝灾害、陆地水文、植被与农作物生长监测等都有重要的应用。同时，还可在土地利用、地质资源与探矿、地下目标探测、大地河口与海岸监测、城市发展管理、海流与海面污染、海面舰船或地面目标的识别等民用和国防技术中有十分重要的关键性的应用。

三、从参考文献或参考书目中，了解现有星载微波遥感的各种工作模式、应用范畴以及趋势？

答：工作方式：星载微波遥感器一般分为两类,一是有源微波遥感器,二是无源微波遥感器。有源微波遥感器：凡是由微波遥感器发出探测用的微波照射在被测目标物体, 与被测目标物体相互作用,发生反射、散射或穿透一定深度,然后接收被测物体散射(或反射)回来的微波信号,通过检测、分析回波信号确定物体的各种特性。这类微波遥感器称为有源微波遥感器,或称主动式微波遥感器。星载SAR、高度计、散射计是目前三类有源微波遥感器。

无源微波遥感器：又称被动式微波遥感器。遥感器本身不发射电磁波,只接收被测目标背景辐射的微波能量来探测目标物体特性。微波辐射计属无源微波遥感器。

星载SAR：

应用：海洋应用、地理测绘等发展趋势：1978年6月发射的“Seasat一A”的SAR,是第一个从空间对地球进行成像探测的雷达系统,拍摄了地球表面1亿多平方公里的陆地、海洋图像,显示了微波遥感的潜在价值,打开了从空间监视我们星球的遥感频谱新领域。90年代初,星载SAR进入应用阶段,开始了永久性沿轨道运行的SAR的新时代，1991年标志着SAR永久在空间的开端,相继发射了Almaz 一1、RS一E1、JERS一、RADARSAT等。

未来SAR的发展趋势为: 频段扩展,几个频段组合使用,多种极化,具有不同分辨率(3om一2 50m),不同幅宽(30km一500km ),可在 15~ 500范围内选择入射角及其可调,多种成像模式。计划在本世纪末上天的EOS一SAR选用3个频段(L,C,X),多种极化成像(L:正交极化;C:双极化) ,电子束控制,将获取多种入射角度和扫描SARX数据。它具有3种成像模式:局部高分辨模式(分辨率: 20m一30m,幅宽:30km一50km);区域测绘模式(分辨率50m一100m ,幅宽10 0km ~ 200km)和全球测绘模式(分辨率:250m,幅宽:360km)。这将代表下世纪初星载SAR 的技术发展趋势。

星载高度计(Altimeter)：

应用：海洋、地质探测、军事跟踪发展趋势：高度计实质上是一个短脉冲高分辨雷达,通过精密测量发射脉冲的往返时间,获取飞行器轨道各点到地面的垂直距离,并能沿星下点轨迹测量有效波高度,从而提供了沿星下点轨迹来测量海面形状的方法。高度测量数据已被广泛用于大地测量学、深海测量学、中尺度海洋学、潮汐、海冰地形学、海风海浪等的研究。世界上第一种星载高度计Skylab 的S一193高度计是1973年发射的,此属概念性演示第二种星载高度计是1975 年4月发射的GEOS一C卫星上的高度计,是第一个应用型专用高度计。第三种就是1978年6月发射的 Seasat一A卫星高度计,是海洋卫星专用设备之一,也是第一个试图从轨道上获得10cm精度的高度计,其主要任务是测量海面平均高度、有效波高和风速。

星载高度计的技术发展为:测高精度越来越高,由Seasat一A的10em精度, 提高到TOPEx/P oseidon的24em的精度。采用脉冲压缩技术,自Skylab之后,各系统都使用了脉冲压缩技术,压缩比从80提高到32768降低峰值功率,前几个系统采用的都是2kw的栅控行波管,工作寿命1一3年,TOPEx使用了长寿命、低功率(20w)的行波管。峰值功率的降低是通过把非压缩脉冲的宽度增加到了102.4 以及改善低噪声前置放大器的噪声系数来实现的,且Poseidon 采用了固体放大器,功率更小,只有4w。双频工作以提供电离层修正,在TOPEX设计中,增加了5.3G Hz第二信道。全去斜率处理技术的采用,用接收的海面回波信号代替发射脉冲信

号与本振信号混频,经混频处理后,将海面上分离的距离转换为分离的频率, 即将时域测量转换到频域测量,测量频率比测量时间来得容易。这种技术的优点要求把处理回波信号的带宽压缩(把Chrip脉冲的320MHz带宽压缩到1.25MHz带宽),便于全数字信号处理,能实现频域的高精度跟踪。

星载微波散射计(Seatterometer)

应用：气象、地理、海洋

发展趋势：微波散射计是专门用来测量分布目标后向散射系数和点目标雷达横截面σ的有源微波遥感器,实质上是一种定量测量目标背景后向散射回波功率的雷达。散射计是海洋测量的重要工具,根据回波功率与风速风向的关系,可进行洋面矢量风的测量,具有其他遥感器不可替代的作用。由于散射计不用于成像, 因而对空间分辨率要求不一。

Seasat一A散射计(SASS)采用扇行波束,4副天线,前后两个方位角同时观测, 多普勒单元分辨,固定多普勒频率滤波器组滤波技术,获取星下点两侧750km幅宽的海面风速风向。测风速精度士2cm/s。RS一1散射计增加了一个中间扇形波束,以E消除风向模糊。同时采用距离单元分辨测量技术,以获取散射回波频率。在Adeos一I装载的散射计(NSCAT),6副扇形波束天线,3个方位角同时观测星上首次采用了先进的数字滤波器代替了固定频率多普勒滤波

器,将分辨单元由50m 提高到25km ,将测风速范围从3m/s一25m/s提高到3m/s一30m/s。上述星载散射计都采用了扇形波束天线固定入射角工作方式。

缺点：

一是幅宽不能连续覆盖,星下点两旁有一定的间隙。

二是天线尺寸长, 发射时需折叠,轨道上需展开。

三是由于地球自转,同一时间前后天线波束不能完全覆盖,且天线在地面的投影经纬度不一致,导致星上处理很复杂。为克服上述不足,美国人More提出了点波束圆锥扫描体制。

微波辐射计其技术正向多频、多极化、多视角、亚毫米波方向发展。空间分辨率和频率分辨率不断提高,增强了辐射计的数据收集能力。多频、多波束、多极化高性能扫描天线技术将是发展无源微波遥感的关键,而研制工作在毫米波和亚毫米波段的辐射计的准光学器件,是发展无源微波遥感向电子学提出的挑战。这些技术的突破,将把辐射计的应用扩展到一个新的领域。

四、通过本章的学习，请您谈谈您对“微波遥感”的理解？

答：微波遥感是传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，是利用某种传感器接受地理各种地物发射或者反射的微波信号，藉以识别、分析地物,提取地物所需的信息，相较于红外和可见光的传感器而言有着明显的优势在近些年来取得了巨大的发展。