微波遥感复习

第一章微波遥感基础

1、微波遥感的概念及分类

微波遥感是利用某种传感器接收地面各种地物反射或散射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需的信息。

主要分为主动微波遥感和被动微波遥感，被动微波遥感包括微波成像仪和微波探测仪；主动微波遥感包括雷达高度计、雷达散射计和成像雷达。

2、微波遥感的优越性

（1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时的工作能力，优于可见光和红外波段的探测能力

（2）微波对地物有一定的穿透能力，对地物的穿透深度因波长和物质的不同而有很大差异，波长越长，穿透能力越强。

（3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息，比如微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可以用于测定大地水准面，还可以利用微波探测海面风场。

（4）雷达可以进行干涉测量

3、微波遥感的不足

（1）微波传感器的空间分辨率要比可见光和红外传感器低

（2）其特殊的成像方式使得数据处理和藉以相对困难些

（3）与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致

4、合成孔径雷达（SAR）特性及优势

（1）全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限（2）全天时，主动遥感系统

（3）对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长

（4）对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角

（5）高分辨率，分辨率与距离无关

（6）独特的辐射和集合特性（7）干涉测量能力（8）多极化观测能力

5、极化，指得是电磁波的电场振动方向的变化趋势。极化方式有线极化、椭圆极化、圆极化。

第二章微波遥感系统

1、常见的微波遥感传感器

在海洋、陆地、大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器有五种：散射计、高度计、无线电地下探测器（以上为非成像系统）；微波辐射计、侧视雷达（以上为成像系统）。

2、散射计

微波散射计是一种有源微波遥感器，专门用来测量各种地物的散射特性。它是通过测量地物对微波的散射强度，达到测定地物的后向散射系数的相对值。

散射计按照观测方式可以分为以下四类：侧视观测散射计;前视（后视）观测散射计；斜视观测散射计；笔式光束环形扫描散射计。

散射计的主要应用：（1）全球海洋表面风速测定（2）海冰测量（3）土壤湿度测量（低频段）

（4）植被和作物生长情况测量（5）全球散射统计（6）降水测量（毫米波，亚毫米波）

3、高度计

高度计是一种主动式微波测量仪，它以飞行器的轨道为基准，测量与其垂直的地球表面的距离的遥感器，应用于包括海洋中规模现象的海洋动力学研究，大地水准面高程的研究，通过测量散射强度观测海面风速和浪高，以及观测海冰形状等，具有独特的全天时、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大的能力和特点。

高度计测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的雷达高度计向海面发射微波信号，该雷达脉冲传播到达海面后，经过海面反射再返回雷达高度计。

根据回波理论，返回到高度计后可以得到三种观测量：

①卫星高度的测量值——雷达脉冲行程于卫星-海面-卫星的往返时间；

②回波信号的波形——包括回波信号的前沿上升区、平顶区和后沿衰减区；

③回波信号的幅度——信号的自动增益控制值。

雷达高度计可以测量的三个基本观测量：卫星高度的测量值——海面高度的信息；回波信号的波形——海面有效波高的信息；回波信号的幅度（或强度）——海面风速的信息。

雷达高度计的应用：

（1）根据高度计发射雷达脉冲至收回海面回波脉冲的时间间隔获取海面动力高度。

（2）利用所得到的海面动力高度同化反演海洋重力场、流场、潮、大地水准面、海洋重力异常。 （3）根据回波强度获取风速资料。

（4）根据回波波形前沿斜率获取海面有效波高。 4、微波辐射计

微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。他通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮度温度。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率（灵敏度）和空间分辨率（角分辨率）。温度分辨率是指辐射计探测目标最小温差的能力，空间分辨率是指仪器分辨相邻很近两个相同辐射体的能力。

微波辐射计类型主要有：全功率型（Total Power ） 狄克型（Dicke-type ） 噪声注入零平衡型 双参考自动增益控制型

主要星载微波辐射计

名称

辐射计通道及工作频率应用领域

MSU 4个50-60GHz 探测大气垂直温度分布

AMSU

20个23.8-183GHz 探测大气垂直温度分布和大气垂直湿度分布ATMS 22个23.8-183GHz SSM/T-17个50-60GHz 大气垂直温度分布SSM/T-2

5个91-183GHz 大气垂直湿度分布SSM/I

7个19-89GHz

对地成像观测SSMIS 24个19.3-183GHz CMIS 22个

2009年发射

AMSR

14个6.9-89GHz 多频率、双极化AMSR-E 12个6.9-89GHz 多频率、双极化

MTVZA

26个18.7-183GHz MTVZA-OK

30个6.9-183GHz

俄罗斯MTVZA

日本AMSR系列

美国国防气象卫星系列美国诺阿系列

微波辐射计的应用领域

（1）海洋探测 包括○1海洋表面温度（SST- Sea Surface Temperature ），是一个重要的海洋环境参数，是海洋环

境重要的基础信息。从卫星遥感来测定SST 的方法有热红外测量和被动微波幅射测量。

○

2海水盐度（SSS- Sea Surface Salinity ）海水是一种复杂的电解液，海水的含盐量的变化，会改变海水的介电常数，从而影响海水的微波辐射特性。盐度测量的波段选在低频率，L 波段是用来进行盐度测量的保护波段，微波辐射计为一种有效测定海水盐度的传感器。 ○

3海面风场（Ocean Winds ） ○4海冰测量（Sea Ice ）依据水和冰的发射率差别很大，反射率不同 （2）陆地应用 包括地物分类（依据不同地物的折射率、介电常数、标准反射率、亮度温度不同）；土壤湿度；积雪；植物生长量等。

国外微波辐射计的发展方向：①向越来越高的频率发展 ②向更细化探测通道发展 ③向一体化发展（多频率多极化） ④向更高的地面分辨率发展 5、成像雷达

（1）真实孔径雷达 顾名思义其雷达天线长度是实际长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示记录中。

工作原理：天线发出的一束无线电（或微波）辐射射向目标，电磁辐射与目标发生相互作用，其中有一部分背向散射返回到天线。雷达接收机探测到回波，从中可以知道目标的方位、距离和飞行速度等信息。

真实孔径雷达分辨率分为距离向分辨率和方位向分辨率，且两者互不相关。距离向分辨率指在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。方位向分辨率是在与辐射波束垂直方向（方位向）上相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。

（2）合成孔径雷达 是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。合成孔径雷达与真实孔径雷达有许多共同点，其主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。

工作原理：发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，天线接收的地面回波信号，经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存

储器的信号经成像后形成雷达图像。

合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达距离向分辨率相同。但真实孔径机载雷达一般用短脉冲来实现距离向分辨率，而合成孔径雷达通常用带宽（脉冲频率的变化范围）为B 的线性调频脉冲来实现作用距离向的良好分辨率。合成孔径雷达的方位向分辨率与距离、波长无关，平台飞行高度无关，理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度D 的一半。 6、天线、雷达方程

（1）天线：在自由空间传播的电磁波与在传输线中传播的导波之间过渡或转换的区域。分为线天线和面天线。 与天线有关的重要参量：

①天线辐射方向图：天线辐射能量的空间分布

F(θ,φ)表示在（θ,φ）方向上单位立体角内的辐射功率。

()()()max

,,,φθφθφθF F F n =

归一化辐射方向图 ②立体角和波束效率

在较窄的θ范围内天线的辐射强度很强，对应这个角度范围的窄立体角内辐射出大部分天线的辐射功率，这部分天线波束称为天线的主波束或者主瓣。随着θ角增加相继出现一些峰值和谷值，并且这些峰值和谷值随θ的增加而减小，这些部分被称为旁瓣，紧邻主瓣的第一个峰形成的旁瓣成为第一旁瓣，其他为次旁瓣。θ﹥±90°的部分称为背瓣

。

不同情况下天线方向图的主瓣有效宽度可分别用方向图立体角p Ω ，主瓣(或主波束)立体角m Ω和旁瓣立体角

s Ω来描述：??Ω=

Ωπ

φθ4

),(d F n p ??Ω=

Ω主瓣

),(d F n m φθ m p Ω-Ω=Ωs

?θθd d d s i n =Ω

方向图立体角max

44

max 4),(),(),()

,(),(φθφθφθφθφθπ

π

πF d F d F F d F n p ??????Ω=Ω=

Ω=

Ω

在相同的辐射总功率下，天线辐射到空间的辐射功率愈集中在某一方向上，则此方向上的辐射强度愈强，天线

辐射方向图立体角也愈小。

主波束立体角??

Ω=

Ω主波束

),(d F n m φθ 主波束范围由辐射方向图()φθ,n F 下降到第一谷点时所包括的空

间范围确定。主波束立体角同样可以理解为天线主波束内的辐射功率与最大辐射强度的比值。

主波束效率p

m m

ΩΩ

=η ()()()????????Ω

Ω=

ΩΩ

=ππ

φθφθφθφθη4

主波束4

主波束,,),(,d F d F d F d F n n m 主波束效率是主波束内辐射功率

与天线辐射总功率的比值。天线的旁瓣电平愈低，辐射能量愈集中在主波束内，主波束效率愈高。

③波束宽度

为了表征天线辐射方向图某一剖面的波束宽度，根据不同的归一化辐射强度所对应的方位角，定义下述波束宽度：半功率波束宽度（HPBW ），是主波束为峰值一半的点。半功率波束宽度也常用作天线的分辨力的量度。

10dB 主瓣宽度，是主瓣最大辐射方向两侧的两个十分之一功率点的矢径之间的夹角。 第一零点之间的波束宽度，此值表示主瓣的总宽度。 ④方向性系数

在某个给定方向

()φθ,天线的方向性系数用()φθ,D 表示，

它是这个方向上的归一化辐射强度与4π空间内归一化辐射强度平均值的比值：()

()

()??Ω

=

πφθπ

φθφθ4

,41

,,d F F D n n

⑤有效面积

天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。

⑥辐射效率 它表征表征天线能否有效地转换能量，定义为天线的辐射功率P0与输入到天线上的功率(输入功率) Pt 之比：l

t l P P P P P +=

=

00

0η 式中的Pl 表示天线的总损耗功率。通常，发射天线的损耗功率包括：天线导体中的热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等。

⑦增益 在某一规定方向上天线增益()φθ,G 的定义是被测天线辐射的功率密度()φθ,r S 与相同供电功率下无

耗各向同性天线辐射功率密度S ri 的比值：()()ri

r S S G φθφθ,,=

天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围的能力。

（2）雷达方程 雷达方程的推导：

?当雷达发射机的发射功率为t P ，天线增益为t G ，地物目标在与天线相距R 处接收到雷达球面波，则在地物目标处单位面积上所接收到的能量为2

4R

G P P t

t or π=

?地物目标在获得这一能量后向雷达天线方向再反射回去（这里未计入大气衰减的影响），如果其有效的反向散射面积为σ，则它向雷达天线反射的总的回波功率为σπ2

4t

t

t oe R G P P =

?回波同样是球面波，只不过是以地物目标为中心的球面波。这样在雷达接收天线处单位面积上的回波功率即为2

241

4r

t t t rr R R G P P πσπ=

?如果接收天线的有效面积为Ar ，那么接收机所接收的回波的总功率r r

t t t r A R R G P P 2

241

4πσπ=

接收天线增益与接收天线有效面积和波长的关系为2

4λ

πr

r A G =

所以，有()σπλ2

2

3

2

4r

t r t t r R R G G P P =

这称之为雷达方程，它描述了雷达发射机发射雷达波束后由地物目标反

向散射，雷达接收天线所接收到的回波功率。

一般雷达方程

第三章 微波图像的特点

1、雷达系统的工作参数有：雷达波长或频率、极化方式、视角、俯角、入射角、照射带宽、雷达视向与地物走向、地距显示与斜距显示、升降轨、飞行高度。

图像质量参数：

空间分辨率是指雷达图像上可区分的两个地物目标的最小距离，它包括方位分辨率和距离分辨率。 灰度分辨率是可以分辨出两个地物目标的最小灰度对比度。在区分各类地物时，通常是区分其平均灰度值，即以其平均回波功率作为识别依据，所以灰度分辨率常指可以区分的平均回波功率的最小差值。

体分辨率：g a g v R R δδ=

几何精度：三个重要方程 距离方程 2ct

R R R t s =

-=

多普勒方程 ))((2

t s t s d R R V V R

f

--=

λ

椭球方程 1)])(1

1[()

(2

2

2

2

2=+-

+++h R f

Z h R Y X e t e t t

2、 斜距显示的近距离压缩

一般规律：在斜距影像上，相同长度的地物目标，近距端的目标比远距端的目标的影像短，近距离端被压缩。 这导致图像比例尺从近距端到远距端是变化的，近距端图像比例尺小，远距端图像比例尺大。 透视收缩

在雷达图像上，所量得的山坡长度按比例尺换算后总比实际长度要短，称透视收缩。产生：透视收缩是在影像中斜面的长度被缩短，当波束与入射面垂直时，透视收缩最严重。其规律是：（1）透视收缩现象仅发生在距离向（2）透视收缩是入射角的函数，入射角越小，透视收缩现象越严重。

叠掩（顶底位移）

由于坡度大，雷达波束先到坡顶，最后到坡底，因而所显示的影像上顶部与底部是颠倒显示的。叠掩处的幅度影像亮度一般都很高。产生的必要条件：（1）当雷达波束的俯角与山坡坡度角之和大于90度时，才会出现叠掩。（2）叠掩多出现在近距端。

雷达阴影

阴影产生的条件：（1）背坡（2）坡度角α＞俯角β 阴影产生的规律：（1）雷达阴影在距离向上产生与地形相关；（2）雷达阴影的大小与雷达的俯角和地形的坡度有关；（3）远距离地物产生阴影的可能性大，与产生叠掩的情况正好相反。

阴影的利：（1）适当的阴影能够增强图像的立体感，丰富地形信息，对于了解地形地貌是十分有利（2）根据阴影判断雷达视向/飞行方向（3）根据阴影长度测量地物的高度

阴影的弊：在地形起伏较大的山区，可能会造成信息丢失（为了补偿阴影区丢失的信息，也可以采用多视向雷达技术，使在一种视向的阴影区目标可在另一种视向的雷达图像上看到） 3、侧视雷达图像的几何特点

（1）垂直飞行方向（y ）的比例尺由小变大

（2）山体前倾，朝向传感器的山坡影像被压缩，而背向传感器的山坡被拉长，与中心投影相反，还会出现不同地物点叠掩现象

（3）高差产生的投影差亦与中心投影影像投影差位移的方向相反，位移量也不同 4、侧视雷达图像的信息特点

侧视雷达图像上的信息是地物目标相对于雷达波束的反应，主要是地物目标后向散射形成的信息。

地物目标分为：分布目标，点目标（是指比分辨单元小得多的地物目标），硬目标（图像中的一些孤立的很强的散射体）。

地物目标在被雷达波束照射后，可能的发生的反应：反射、散射、穿透、吸收。通常地物目标对雷达波束的反应是散射（或反射）、穿透、吸收三种情况并存，这时就要看哪种情况起主导作用，这由目标的性质和电磁波的波长等决定。

5、影响雷达图像色调的因素

后向散射系数

0A σ

σ=

),,,,,,,(210V P f ΓΓ=ε?θλσ 其中λ是波长，θ是入射角，P 极化，ψ是地物目标的参数方位角，ε是复介电常数，Γ1是表面粗糙度，Γ2是次表面粗糙度，V 是体散射

（1）表面粗糙度的影响 这里的表面粗糙度指的是小尺度的粗糙度，即尺度比分辨单元的尺寸要小得多的地物表面粗糙度，它是由细小的物质如叶面，砂石等所决定的粗糙度。一般这种粗糙度分为三种情况，即光滑表面

)sin 25/(βλ

)sin 4.4/(βλ>h 。从以上的准则可见，粗糙度不仅取决于h ，它还与波长和俯角（或入射角）有关。

（2）介电常数的影响 一般说来，复介电常数越高，反射雷达波束的作用越强，穿透作用越小。

（3）波长的影响 波长是通过两个方面影响回波信号的，其一，按波长去衡量地物表而有效粗糙度，对于同一实物表面粗糙度．波长不同，其有效粗糙度不同，即对于雷达波束的作用不同。其二，波长不同，目标的复介电常数不同。

（4）入射角的影响 入射角的减小(即俯角的增大)会使目标表面有效粗糙度的增加

（5）极化方式的影响 成像雷达一般发射水平极化波，当电磁波与地表相互作用时，会使电磁波的极化方向产生不同程度的旋转，形成水平和垂直两个分量，可用不同极化的天线去接收

（6）亚表面粗糙度和体散射的影响 当电磁波能穿透地物时，第二层介质的表面粗糙度即亚表面粗糙度和第一层介质及第二层介质的体散射才会产生作用；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。

（7）角反射器效应的影响 当地物目标具有两个互相垂直的光滑表面或有三个互相垂直的光滑表面时就是所谓角反射器。可构成的角反射器：陡峭的壁与地面；建筑物外墙与地面；河岸与河床等都可构成角反射器；路旁的行树与路面可构成角反射器

6、侧视雷达探测土壤湿度的依据是对于雷达各波段都存在一入射角，对于该入射角，裸露土壤的散射特性与粗糙度无关，仅与地面含水量有关，在侧视雷达图像上可将已知土壤含水量的各点图像密度作为参照，来量测其它点处的土壤表层的含水量。

合成孔径雷达进行海洋溢油监测的依据是由于油污对表面张力波的阻尼作用，减弱了雷达回波信号，在图像上呈黑色。

第四章微波图像的校准、定标与模拟

雷达图像模拟

是根据地面实际情况或其他资料，按照雷达图像的成像机理，用计算机产生不同频率、不同极化的另外一种雷达图像，以供多种应用的技术。

雷达图像模拟的价值：（1）是雷达系统最优化方案的依据（2）用于图像的几何校正（3）用于培训图像判读分析人员（4）可以把模拟图像作为参考，在利用真是图像的时候，进行定量分析（5）在军事上用于无人驾驶飞行器的导航、制导等

模拟的基本步骤：（1）分辨单元和本地入射角的计算（2）图像灰度计算（3）光斑效应的计算（4）分布目标的模拟（5）硬目标的模拟（6）雷达图像几何特征的模拟（7）图像模拟数据库

第五章微波图像的几何校正

雷达图像的几何校正方法

1、利用多项式的几何校正方法

基本思想：把雷达影像的总体变形，用一个适当的多项式来表达，即用一个适当的多项式来表达校正前后影像相应点的坐标关系。

适用范围：适合于各类航天传感器影像的几何校正和几何配准，最适合于平坦地区的航天影像的几何校正，对地形起伏地区，精度较低。

多项式校正法原理简明、使用方便，在实际工作中应用广泛，但影响雷达影像畸变的因素太多，用一个简单的多项式模型来逼近不同地区、不同传感器构像的几何变形，带有一定的盲目性和局限性。

2、利用模拟图像的几何校正方法

3、利用构象方程的几何校正方法

第六章微波图像与测量

1、雷达干涉测量

合成孔径雷达干涉测量技术（INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar；简称：雷达干涉测量）是以同一地区的两张SAR复图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。

2、InSAR数据处理步骤

（1）几何分析（2）高精度配准（3）生成干涉纹图（4）去平地效应（5）相位滤波（干涉条纹图的增强）（6）相位解缠（7）Convert Unwrapped Phase to Height （8）地形校正（9）利用高度图像的gcp纠正水平和垂直偏差

第七章雷达图像的目视解译

1、雷达影像的主要解译标志

（1）色调（2）形状（3）大小（4）阴影（5）纹理（6）相对位置（7）模式

2、雷达图像的地物解译

（1）植被影响植被回波的主要因素有：含水量、粗糙度、密度、结构等。

（2）土壤土壤的回波主要与土壤的含水量、粗糙度和土壤颗粒结构类型有关。

（3）岩石与地质构造识别和分析岩石类型，主要利用岩石的表面粗糙度、风化特点和地貌形态。

（4）水（5）冰雪（6）房屋与城市（7）公路、铁路与桥梁（8）干沙

第八章雷达遥感的应用与研究

1、测绘方面的应用

地形图测量、水下地形图测量、DEM制作、城市三维地图、地表微小形变监测

雷达立体测量与雷达干涉测量的区分

相同点：

都是采用两幅雷达图像（不同摄站获取的），求取的都是地面点的高程信息

?不同点：

工作原理不同

采用的数据不同

数据处理过程不同

求取DEM的精度不同

2、海岸带和海洋方面的应用

（1）海浪利用SAR获取海浪方向谱信息，进而可导出波长、波向、波的折射和绕射等海浪信息。SAR海浪信息可用于以下海浪预报、海洋工程和物理海洋学等方面。

（2）海面风场海面风场SAR反演是利用SAR影像提取海面风场的风速和风向信息。利用SAR影像获取的风场信息可用于数值天气预报、海气耦合模式以及溢油扩散等海洋其它研究方面中。

（3）内波内波在SAR影像中清晰可见，利用SAR影像可获取内波波长、波向、传播速度和周期等信息（4）中尺度涡利用SAR影像可识别中尺度涡，并提取出中尺度涡的形态参数、涡的大小、涡的旋转方向和涡的类型等信息。

（5）水下地形（6）水面船舰

★（7）溢油监测正常海面上因海面微尺度波的存在而使得海面SAR影像中有杂波存在，而当海面有油膜存在时，油膜可以抑制海面粗糙度，使得SAR影像中海面出现“暗区”，这使得溢油可在SAR影像中观测。

★（8）海冰利用SAR监测海冰，可以获取海冰边缘线、密集度、冰龄以及浮冰大小和分布状态等。

3、农业方面的应用

识别农作物的类型、作物状况估计、土壤湿度的确定

4、森林方面的应用

（1）识别监测森林类型（2）森林调查（林分高、森林蓄积量、森林生物学量、林分年龄等）（3）森林灾害、森林砍伐（4）森林分布图的提取（5）森林资源动态监测

5、地质方面的应用

地质构造图测绘、岩性成图测绘、土地测绘、构造和地表的SAR响应、基本图件绘制、地质条件评价

6、水文方面的应用

洪水测图、土壤湿度探测与流域径流、雪和新鲜水冰的测绘

7、土地利用状况调查

包括城市测绘、土地覆盖测绘、

8、海冰调查

一般来说，冰层为光滑表面，因镜面反射而呈黑色；融冰期水面的浮冰破坏了镜面反射使雷达回波显著增强，在雷达图像上呈黑色条带或斑块上夹杂着亮点的影像特征。