微波遥感基础
第二章微波遥感的基本原理
或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电
磁波称为相干波或相干辐射。电波天线正是利用电磁波的相
干性制成的。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波的
振幅是各个波的振幅的代数和，交叉区域不会出现振动强弱
交替的现象。
如果两个独同时投射到探
测器，其合成波的振幅为
f(t)+g(t)，则瞬时功率为
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对于灰体
在一定温度下，任何灰体材料的发射率等于它的吸收率。 也表明，一个好的辐射体也一定是一个好的吸收体，反之亦 然。
对于不透明材料
透明材料？
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发射率是遥感研究中地物的重要参数，它给出了辐射体在球 面空间内的发射本领，如与方向无关称为半球发射率。材料 的发射率也可能随测量方向而变，特别是表面磨光的金属或 者光滑平面，此时需要分析材料的定向发射本领。它是与辐 射表面的法线成θ角的小立体角内所测到的发射率。
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给定波长上的工程最大值的温度Te，比物理最大值的温度 Tm要高27.6％，相应地，对应于工程最大值的温度下的谱 辐射通量密度也要大11.6%。 四、非黑体辐射
一切能发射电磁辐射能的真实物体统称为非黑体
Me和Me(λ)分别为非黑体的总辐射通量密度(即辐出度)和 辐射通量密度(即单色辐出度)；e(λ)为一与波长、物质的性质、 温度等有关的系数，称为谱发射率或谱发射射本领。
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△E不同，辐射的光子频率也不同，△E为1-20eV时，可 产生波长为0.2-1.0μm的辐射， △E为为0.05-1．0eV时，可 产生波长为1-25μm的辐射， △E为0.03-0.05eV时，可产生 波长为25-300μm的辐射；能量再低也可辐射少量微波。不同 的物质，其发射、吸收和散射电磁辐射的能力是不同的，电磁 辐射的频率、极化和电磁能量随入射角变化的关系，因不同的 物质而异。这种差异，既与物质表面和其内部的几何结构有关， 又与物质本身的介电常数和温度的空间分布有关。正是基于这 种差异，才有可能达到遥感不同物体的目的。
2.2 微波遥感基础原理
Cτ
2 cosβ λH λR Δ L = βR = = (方位向分辨率) d sinβ d
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真实孔径雷达的分辨率 综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr*Ra
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真实孔径雷达的分辨率
w
w
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真实孔径雷达的分辨率
Δt
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距离向分辨率
β cosβ
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距离向分辨率
距离向分辨率与飞行器-目标之 间距离无关。同样的地距，同样 的脉冲宽度，俯角越大分辨率越 低，垂直入射角（俯角=90o）， 分辨率最差。
β
距离向分辨率与俯角的关系
脉冲宽度越小，俯角越小， 距离分辨率越高，俯角太 小地形影响严重，当俯角 一定时，减小脉冲宽度可 以提高距离分辨率，所以 合成孔径雷达在距离向采 用脉冲压缩技术chirp （距离压缩）
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距离向分辨率 脉冲长度（亦称脉冲宽度）τ与雷达波长λ不同 脉冲宽度越大，距离向分辨率越低
在地面可以分辨的两个目标最短距离就是侧视 雷达图像的距离向分辨率
被反射的脉冲
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距离向分辨率
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距离向分辨率
R ∆r ∆Rr
发射的脉冲
τ
接收的脉冲
Δt 接收的脉冲
最小分辨角:
= 1.22
0
d
d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离， 应等于艾里斑的半径
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方位向分辨率
第一章微波遥感基础
SEASAT Image of Death Valley, 1978
第21页
1998年1月10日张北—尚义地震形变 第22页
第一节 引言
微波遥感分类： 被动微波遥感和主动微波遥感。
被动微波遥感 信号来源：系统自身不发射微波波束，只
是接收目标物发射或散射的微波辐射。 典型传感器：微波辐射计（该传感器为成
第11页
第一节 引言
微波遥感的优越性 微波对地物有一定穿透能力
1.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。
产生干涉现象的电磁波称为相干波。第28页ຫໍສະໝຸດ 一、电磁波的基本特征与微波
2、相干性和非相干性 相干波，产生干涉现象的电磁波被称为相
干波。一般地，凡是单色波都是相干波。 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。
第29页
一、电磁波的基本特征与微波
3、衍射 衍射的定义： 如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大 小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边 界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改变 方向绕过其边缘达到障碍物后面，这种使一些 辐射量发生改变的现象称为电磁波衍射。
围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体 的几何特性以及体界电特性，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。
第16页
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。
微波
第一章微波遥感基础微波遥感的优越性：1、微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力。
2、微波对地物有一定穿透能力。
3、微波提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息4、微波遥感的主动方式可进行干涉测量，可以对地形变化进行监测。
微波遥感分类：被动微波遥感和主动微波遥感被动微波遥感：系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射的微波辐射主动微波遥感：系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波电磁波：以波动的形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。
电磁波具有波长（或频率）、传播方向、振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。
叠加原理：当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其他的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率或波长和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量等于各个独立波在该点激起的振动物理量之和。
干涉：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。
波的极化：指在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性。
用电场强度矢量的端点在空间描绘出的轨迹来表示。
去极化：产生交叉极化的过程称为去极化。
大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。
逆着入射方向的散射分量称为后向散射。
第二章微波遥感系统成像系统：是以非摄影方式获取地物遥感影像的各类遥感器系统的统称。
脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。
脉冲信号：相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号脉冲宽度：脉冲的持续时间。
脉冲重复频率：指雷达发射脉冲的速率，即每秒钟发射脉冲的个数。
平行于雷达飞行方向的分辨率称为方位向分辨率，垂直于飞行方向的称为距离向分辨率。
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。
华北理工微波遥感课件第1章 微波遥感基础
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 微波遥感是利用工作在微波范围内的微波遥感器
对远距离目标物进行非接触性的探测、成像，并对所 获得的数据或图像进行测量、分析ห้องสมุดไป่ตู้判读的技术。
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 以合成孔径雷达(SAR)为代表的微波遥感器取得的雷
达图像，具有与摄影像片相媲美的空间分辨率和独特的物 理特性，有很大的应用潜力，是20世纪90年代以来研究和 应用的热点。
一、微波遥感的特点
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 天时工作能力
冰云对微波 几乎无影响
一、微波遥感的特点
2. 微波遥感的优越性
波长大于3cm， 大雨倾盆地区对微 波传输影响很小
一、微波遥感的特点
雨的衰减系数 与频率的关系
一、微波遥感的特点
2. 微波遥感的优越性
二、微波遥感发展历程
（6）1953年7月，依利诺斯大学用机载X波段雷达对地面 和海面的反射信号进行了研究，第一次证明了合成孔径 雷达原理，并获取了第一张合成孔径雷达图像。 （7）1956～1957年，美国密执安大学研制成功第一部采 用光学处理的合成孔径雷达，并于1957年8月进行了飞行 试验，得到的数据胶片，经地面光学透镜组处理，获得 了高分辨率的聚焦型合成孔径雷达图像。
平时成绩=考勤（15%）+课堂作业 （15%）
总成绩=平时成绩+期末成绩（70%）
第一章 微波遥感基础
一、微波遥感的特点 二、微波遥感发展历程 三、微波与物质相互作用 四、无线电谱与微波谱
一、微波遥感的特点
1. 基本概念 微波是电磁波的一种形 式，把微波与可见光、红 外线、紫外线、X射线、 γ射线以及无线电波按波 长大小顺序排列，构成电 磁波谱。
电磁场与微波技术教学资料微波遥感
目录
• 微波遥感简介 • 电磁场与微波基础 • 微波遥感原理 • 微波遥感技术及应用 • 案例分析
01
微波波遥感是指利用微波辐射探测地表 、大气和海洋信息的技术。
特点
具有全天候、全天时的工作能力，能 够穿透云层和一定厚度的植被，获取 地表信息。
水体信息提取
总结词
微波遥感技术在水体信息提取方面具有优势，可提取水体面积、水质和流速等 信息。
详细描述
微波遥感通过分析水体的介电常数和含水量差异，能够提取水体信息。通过卫 星遥感和无人机遥感的结合，可以监测水体面积、水质和流速等参数，为水资 源管理、水环境保护和水灾预警提供重要数据支持。
THANKS
于地质灾害监测、城市规划等领域。
微波散射计遥感
总结词
微波散射计遥感是通过测量电磁波与地面目标相互作用后的散射系数，获取地面目标的物理特性和表 面粗糙度等信息。
详细描述
微波散射计遥感利用微波雷达或激光雷达等设备，向地面目标发射电磁波并接收反射回来的信号，通 过测量散射系数和表面粗糙度等信息，推断出地面目标的物理特性和表面状态等信息。该技术具有高 精度、高分辨率的优势，广泛应用于气象监测、环境监测等领域。
微波器件与系统
微波管
01
利用微波激发气体、等离子体或磁性材料等，产生高功率微波
辐射的器件。
微波集成电路
02
将多个微波元件集成在一块芯片上，实现微波信号的产生、放
大、混频和滤波等功能。
微波系统
03
由多个微波器件组成的复杂系统，如雷达、通信系统等，用于
实现特定的功能和应用。
03
微波遥感原理
微波辐射传
灾害监测与评估
微波遥感理论与技术基础(4)
A
Ex E y
2
2
Ex arctan Ey
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
The National Microwave Remote Sensing Laboratory
椭圆极化参数
椭圆角
b arctan a
• 北极：左旋； • 南极：右旋；
arctan ,2 纬度
Ex ， 经度 arctan 2 Ey
a b
物理意义： 球的半径：表示极化波的幅度； 通过球心的相反方向：表示正 交极化。
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
• Q>0: 趋向垂直极化； • Q<0: 趋向水平极化；
1 E2 E2 V H 2 2 cos 2 cos 2 EV EH I 1 U，V：表示两个极化的相位差。 2E H E V cosHV sin 2 cos 2 U：同相； 2E E sin sin 2 HV H V
电磁波极化特性的描述， 极化波的叠加， 极化的表示， 被动微波极化测量， 雷达极化测量， 极化特性。
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
The National Microwave Remote Sensing Laboratory
4.1 极化波的描述
被动微波遥感： H和V极化的幅度 H和V极化的相位差； 主动微波遥感（雷达遥感） 发射和接收的极化组合； 接收信号H和V的幅度； 接收信号H和V的相位差； 星载SAR的极化方式 ERS－SAR(VV) JERS-SAR(HH) PALSAR(ALOS), Radarsat2(Quadpol)
微波遥感
3. 微波遥感3.1 引言微波遥感包括主动式遥感和被动式遥感。
正如第2章所描述的，光谱的微波部分波长范围大约是1厘米至1米。
因为与可见光和红外线相比，微波的波长较长，这种特殊性对于遥感来说是非常重要的。
由于波长较长的光受大气散射的影响比波长较短的光要小，因此长波段的微波辐射可以穿透云层，薄雾，尘埃等（除了在暴雨情况下）。
这种特性使得几乎在所有的气候和环境条件下，都能进行微波能量的探测，从而可以在任何时间收集数据。
被动微波遥感在概念上与热红外遥感相似。
所有物体都能发射一部分数量的微波能量，但一般都不多。
被动微波传感器能探测在其视野范围内的自然辐射的微波能量。
这些辐射的能量与辐射体或辐射体表面的温度和湿度有关。
被动式微波传感器是典型的辐射计或扫描仪，除了它用天线来探测和记录微波能量外，其他大部分的工作方式与之前所讲的系统相同。
由被动传感器记录的微波能量的产生，可以来自于大气辐射（1），地面反射（2），地表辐射（3），或地下发射（4）。
因为微波波长很长，所以相比于光的波长它可获得的能量就相当少。
因此所需要的视野域必须大到能探测足够的能量以记录一个信号。
因此大部分的被动微波传感器的空间分辨率都比较低。
被动微波遥感可以应用于气象，水文和海洋学的研究。
通过观察大气本身，或"透过"大气观测（这依赖于波长），气象学家可以利用被动式微波测量大气剖面，并确定大气中水和臭氧的含量。
微波的发射受水分含量的影响，因此水文学家可使用被动式微波测量土壤湿度。
海洋学的应用包括绘制海冰图，海流图，海面风场图以及污染物的探测，如浮油。
主动微波传感器自己能提供微波辐射源来照射目标。
主动微波传感器通常分为两个截然不同的类型：成像和非成像传感器。
最常见的一种成像主动式微波传感器是雷达。
雷达（RADAR）是无线电探测和测距（RAdioDetection And Ranging）的简称，它的全名实际上也概括了雷达传感器的功能和操作方式。
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微波遥感基础
02107035 韩倩
1.微波散射计三种实现方法是什么?原理和优缺点?
方法一，使用一个可以准确指向被测目标区域的窄波束宽度的散射计
原理：当平台搭载散射计移动时，雷达跟踪目标区域并且建立后向散射曲线
优点：提高了分辨率
方法二，利用信号多普勒效应
原理：设想一散射计，方向图沿平台飞行方向较宽，垂直于该方向很窄，方向性很强，散射波束向前倾。
在任意时刻，由于回波信号来自Δθ的波束宽度内，因此很大范围内的表面都被探测到。
那么被探测点的回波会因为多普勒变为f0+δf。
优点：探测范围广
方法三，发送很短的脉冲信号，并分析回波的时间结构
原理：设想一方向性足够强的天线，飞行器静止，他的回波
,从而对入射角度进行求解。
经过两次的传输时间为：2H
c cosθ
优点：平台或者散射计本身固定；结果与脉冲受限雷达高度计的结果分辨率的相同
2.合成孔径雷达方程与常规雷达方程的差异，这种差异能带来什么
优势？
常规雷达方程方位分别率R a≈Hλ
L cosθ
合成孔径雷达方程的方向分别率L
这种差异优势：克服了对分别率对高度的依赖，通过平台的移动代替了天线大小的增加。
3.雷达工作时序的设计步骤分为哪几步？分别需要注意什么？
4.微波图像的评价方法和指标是什么？
指标：1、距离分别率、方位分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比
2、辐射分辨率
方法：点目标二维成像的“脉冲响应函数”（IRF）
5.什么校准？什么是定标？目的是什么？
校准：内部校准（为了克服系统内部传输误差，控制幅度相位）外部校准（为了了解回波测量过程中的随机误差）
目的：建立图像灰度与地物的精确散射关系
定标：σ0=H s−1P r
Ac
⁄Hs传递函数Pr接受功率Ac分辨单元面
积
6.模拟图像生成方法有哪些？有缺点是什么？
1、逐点仿真计算（计算量大）
2、同心圆仿真计算
3、二维FFT快速计算（小场景）
4、极化仿真计算
7.为什么要进行实时回波模拟的设计？
1、雷达系统设计具有参考价值
2、 用于雷达图像的几何校正
3、 用于培训
4、 建立数据库
8、在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？
材料特性随着外加磁场的场强和方向变化，可以使目标的散射面积变小，使回波信息不准确，常常用于隐身材料。
9、假设发射电磁波工作在2.16GHz ，在 穿透无磁物质时，其电导率
和介电常数关系为 ，则电磁波穿透深度为多少 ？
电导率极小时， d p =2σ(εμ)0.5 μ=μ0 c =1√εμ w =2πf 得d=7.656m
10、当入射角和折射角分别为30 ° 和12.6 ° 时，其折射率比值为多少，该电磁波入射到分界面时，其布鲁斯特角大小是多少？ n21=sinθ1/sinθ =sin30/sin12.6=2.3 θ=arctan √ε1ε2=arctan sin (折射角)sin (入射角)
=23.60 11、请分别计算出X 、L 、P 、K 波段下，按瑞利标准近似光滑表面时，其最小不同反射平面的路径差是多少？波段波长在其范围内自设。
Δφ=4πΔℎcosθ0
λ Δφ<4π
25 时光滑
L 波段 （30~15cm ） Δℎ最小是在 0.6cm
00,300σεεεω
==
X波段（3.75~2.5cm）Δℎ最小是在 0.1cm
K波段（1.67~1.11cm）Δℎ最小是在 0.0444cm P波段（0~50cm）Δℎ最小是在 2cm。