21 微波遥感基础原理
《微波遥感》课件
微波遥感与其他遥感的融合技术
微波遥感与其他遥感的融合技术是指将微波遥感与其他类 型的遥感技术（如光学遥感、红外遥感等）进行有机结合 ，充分发挥各自的优势，实现更高效的遥感探测。
总结词：通过将微波遥感与其他遥感技术进行融合，可以 充分发挥各自的优势，提高遥感数据的获取和处理效率， 为各领域的实际应用提供更全面的技术支持。
军事侦察
利用微波遥感的高分辨率特性 ，获取地面目标的位置、类型 等信息，为军事决策提供重要
情报。
微波遥感的发展历程
20世纪50年代
微波遥感的初步探索阶段，主要利用雷达技术进行简单的地表探测。
20世纪70年代
随着卫星技术的发展，微波遥感开始应用于全球环境监测和资源调查 。
20世纪90年代
随着高分辨率雷达卫星的出现，微波遥感在军事侦察和城市规划等领 域得到广泛应用。
传感器类型
02
03
数据处理与传输
卫星微波遥感系统搭载的传感器 类型多样，包括辐射计、散射计 、高度计等。
卫星接收到的微波数据需要经过 预处理、校正、反演等环节，最 终传输至地面接收站。
机载微波遥感系统
飞行平台
01
机载微波遥感系统搭载的飞行平台包括固定翼飞机、直升机等
，具有灵活的飞行能力。
传感器布局
微波的吸收和反射
不同物质对微波的吸收和反射特性不同，这为遥感提 供了丰富的信息。
微波遥感的工作原理
发射信号
微波发射器向目标发射信号 。
接收信号
接收器接收到目标反射或散 射的信号。
处理信号
通过处理接收到的信号，提 取有关目标的信息，如距离 、速度、方向等。
微波遥感的主要技术
雷达遥感
01
微波遥感的成像机理
微波遥感的成像机理微波遥感是一种通过接收地面反射或散射的微波辐射来获取地表信息的技术。
它主要应用于土地覆盖、农业、水文气象、森林和海洋等领域。
微波遥感可以提供高分辨率、全天候和全球性的数据，因此受到了广泛关注。
一、微波遥感成像机理微波遥感成像机理是指微波信号与地表物体相互作用后产生的反射、散射和吸收等现象。
在微波遥感中，主要有两种类型的信号：主动式和被动式。
1. 主动式信号主动式信号是由雷达发射器产生的电磁波，它穿过大气层并与地表物体相互作用后返回雷达接收器。
在这个过程中，电磁波会经历多次反射和散射，最终形成一张反映地表物体特征的图像。
主动式信号可以通过调整雷达发射器的频率和极化方式来实现对不同类型地表物体的探测。
例如，在SAR（合成孔径雷达）中，发射器会以高速旋转方式发出一系列微波脉冲，这些脉冲会穿过大气层并与地表物体相互作用后返回雷达接收器。
通过对这些脉冲进行处理，可以得到高分辨率的地表图像。
2. 被动式信号被动式信号是由地球表面的微波辐射产生的，它可以被接收器直接捕捉到。
在这个过程中，微波辐射会受到大气层、云层和其他干扰因素的影响，因此需要进行校正和处理才能得到准确的地表信息。
被动式微波遥感主要应用于土壤湿度、降雨量、海洋表面温度等领域。
例如，在SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）卫星中，接收器会捕捉地球表面发出的微波辐射，并通过对其频率和极化方式进行分析来获取土壤湿度和海洋盐度等信息。
二、微波遥感成像技术微波遥感成像技术是指利用主动式或被动式信号来获取地表信息的方法。
根据不同的应用领域和需求，可以选择不同类型的雷达或接收器来实现数据采集和处理。
1. SAR（合成孔径雷达）SAR是一种主动式微波遥感技术，它通过调整雷达发射器的频率和极化方式来实现对不同类型地表物体的探测。
SAR可以提供高分辨率、全天候和全球性的数据，因此在土地覆盖、农业、水文气象、森林和海洋等领域得到广泛应用。
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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西安电子科技大学 理学院
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。
微波遥感原理和应用
微波遥感原理和应用
微波遥感是利用微波或微波的改变去通过测量这些变化，从而了解下一个特定表面的物理特性的技术。
典型的活动包括回波探测（例如反射、散射和多普勒散射）以及现场探测（吸收率）。
微波遥感最常见的应用是用于从宇航器映射农业、示踪冰盖变化以及测量水文参数，而这也是微波遥感最具开发潜力的领域。
微波遥感的优势在于它能够直接探测到某些表面物理因素，而其它感应器（如光学感应器）需要更多的推断和计算来实现同样的结果。
微波对运动对象的检测也是精确和有效的，因为它们能够非常快速地跨越大量距离。
此外，它还可以在任何时间，任何条件下运行，而光学传感器则受到白天黑夜和气候条件的限制。
因此，微波遥感在日照不足和濛濛雾气的情况下仍然可以正常运行。
另一方面，微波遥感所受到的缺陷将限制它对特定领域的应用，例如视觉表面检测。
在这种情况下，微波的数据处理可能会过于简单（例如进行分类，而不是分析图像），从而无法满足实际应用的要求。
此外，其占存储器的效率也比光学存储低得多，这是由于大小比较大的探测阵列和/或滤波数据处理所导致的。
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。
微波遥感原理
微波遥感原理微波遥感是一种利用微波进行遥感探测的技术，它可以获取地球表面的信息，包括地形、植被、土壤、水文等。
微波遥感具有天气无关性和全天候性的优点，因此在农业、环境监测、气象预测、国防安全等领域有着广泛的应用。
微波遥感的原理是利用微波与地物之间的相互作用来获取地物的信息。
微波在穿过大气层和与地物相互作用时会发生散射、反射、吸收等现象，不同地物对微波的响应也不同，因此可以通过分析微波与地物之间的相互作用来识别和提取地物信息。
微波遥感的基本原理可以用雷达技术来解释。
雷达是一种利用电磁波进行探测和测距的技术，它发射的微波脉冲被地物反射后再接收，通过测量微波的传播时间和频率的变化来获取地物的位置、形状、运动状态等信息。
在微波遥感中，利用雷达技术可以获取地表的高程、形态、粗糙度等信息。
除了雷达技术，微波遥感还可以利用 passiv 微波遥感技术。
在 passiv 微波遥感中，利用地物自身发射的微波辐射来获取地物的信息。
地物的微波辐射受地物的温度、湿度、盐度等因素影响，因此可以通过分析地物的微波辐射来获取地物的温度、湿度、盐度等信息。
微波遥感技术在农业领域有着广泛的应用。
通过微波遥感可以获取作物的生长状态、土壤湿度、地表温度等信息，帮助农民进行精准农业管理，提高农作物的产量和质量。
同时，微波遥感还可以监测农田的水分状况，帮助农民进行灌溉调度，提高水资源利用效率。
在环境监测领域，微波遥感可以用来监测湖泊、河流、海洋等水体的水质、水温、水位等信息，帮助保护水资源、预防水灾。
此外，微波遥感还可以监测森林、草原、湿地等生态系统的变化，帮助保护生态环境、预防自然灾害。
总的来说，微波遥感技术具有广泛的应用前景，可以为农业、环境监测、气象预测、国防安全等领域提供重要的数据支持。
随着技术的不断发展，微波遥感技术将会发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
《微波遥感》PPT课件
应用范围
微波被动遥感对于水特别敏感，因此在区域 和全球性水圈遥感中起着十分重要的关键作用。
比如，探测大气温度、水汽廓线，大气降雨、 大气可降水量、云中液态水含量；反演海面风 场(风速、风向)、台风、海冰的监侧；获取陆 地面温度、土壤湿度、积雪深度与水当量、干 旱、洪涝、沙漠，陆地水文与地理环境、植被 生物量、农作物生长评估及其在空间尺度上的 分布与时间尺度上变化等。
1.1.1 微波遥感的学科地位、优越性
微波在电磁波谱中的位置-长波端
1）波长范围
微波遥感载波波长1-1000mm
微波的频谱与能量谱(1焦耳=107 耳格)(MKS制-CGS制)
2）波段划分
微波波段
毫米波 厘米波 分米波
Ka K,Ku,X,C,S
S,L,P
3）微波波段名称与相对频率、波长
X
C
S
2）全天时工作Day/night capabilities
雷达是有源传感器（自己提供照射）并不依赖于日光。
在汶川地震遥感监测中，高分辨率SAR发挥了重要作用。 在5月13日至5月15日，灾区一直是阴雨天，光学遥感（卫星和航
空）都无法得到图像，通讯也基本中断，5月13日日本方面ALOS PALSAR首先获得ScanSAR模式的图像，但是分辨率为100米，无法 应用；意大利的COSMO SkyMed首先得到都江堰3米和1米分辨率的 SAR图像；5月14日我国的遥感1号得到分辨率为5米的灾区SAR图 像。 5月底直升飞机失事，在找寻飞机残骸的过程中，P波段和L波段的 雷达也发挥了重要的作用。
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参考书目：
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2 微波遥感基础原理
本章要点
本章从电磁波传播的基本概念到SAR 的基本原理对于雷达遥感的基本知识作
了概要的介绍，包括相干成像和合成孔
径的概念、重要的参数、SAR影像的基本特征等。
主要内容
§2．1 微波遥感物理基础
§2．2 真实孔径雷达基本原理
§2．3 SAR系统基本原理
§2．4 SAR影像的主要特性
2.1 微波遥感物理基础作业：目标的散射特性与哪些因素有关？
在真空或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。
E为电场矢量方向，M为磁场矢量方向，C为传播方向。
• 电磁波是时间和空间的函数
• 电场矢量和磁场矢量相互垂直，而且又都垂直于传播方向
• 电磁波具有波动性和粒子性
• 波长、相干性、叠加性和极化等都是电磁波的重要特性＋幅度和相位
• 如果某电磁波的电场矢量和磁场矢量均在垂直于传播方向的平面上，并且幅度为常数，则称为平面波
在均匀介质中电磁波随时间作正弦变化，波长或频率是描述电磁波重要的参量。
微波偏振与极化Polarization
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁破的偏振
非偏振光，偏振光，部分偏振
E
H
Z
E 线极化
H Z
E 椭圆极化
H Z
E 圆极化
H Z
极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向
Polarization of Microwave
水平极化是指电场矢量与入射面垂直 垂直极化是指电场矢量与入射面平行
E
H
Z 垂直极化
同极化HH，VV
交叉极化HV，VH
目标
入射平面
衍射
衍射：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。
远场衍射，也称夫琅和费衍射，若光源或观察屏离开衍射孔或缝为无限远，这种衍射现象称远场衍射。
衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象；孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。
衍射对微波遥感的两个意义：天线；感兴趣的地表目标的大小与微波传感器的波长是相当的（毫米-米），土壤粗糙度、树枝、麦秆、水波和海浪等。
(∵障碍物接近波长时才开始衍射)
衍射与天线
天线：发射时类似线性波阵面，接收时类似电磁场中的小孔
行进中的波阵面上任一
点都可看作是新的次波
源，而从波阵面上各点
发出的许多次波所形成
的包络面，就是原波面
在一定时间内所传播到
的新波面。
●天线辐射与单缝衍射类似，天线在不同角度辐射电场E大小分布是由于天线在微波波段衍射导致的结果
●正是衍射效果相同，天线阵可替代连续天线(惠更斯-菲涅尔原理) ●微波衍射效应正比于入射波长，反比于孔径线度 (分辨率)
散射
散射：电磁波辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时多方位、多角度地改变原来传播方向的现象，即目标对入射电磁波能量的重定向；反射、折射和衍射都是散射的基本形式。
分子或原子相互
接近时，由于双
方很强的相互斥
力，迫使它们在
接触前就偏离了
原来的运动方向
而分开
瑞利散射：(a < 0.1λ)指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。
散射强度和散射方向有关，并和波长的四次方成反比。
米氏(谐振)散射：(0.1λ < a<
10λ) 当大气中粒子的直径与
辐射的波长相当时发生的散
射。
主要由大气中的微粒，
如烟、尘埃、小水滴及气溶
胶等引起。
辐射强度与波长
的二次方成反比，散射在光
线向前的方向比向后的方向
更强，方向性较明显。
波长为λ 、半径为a 的球体的雷达截面
光学(非选择性)散射： （10λ < a ）散射粒子的粒径比辐射波长大得多时发生的散射，散射系数与波长无关。
当大气中充满大粒子尘埃时，常会出现这种散射，造成接收数据的严重衰减。
非选择性散射导致可见光、近红外、中红外散射，这些波长合成使天空中云层表现为白色。
法拉第旋转效应
线极化电波通过电磁场时，会在
电磁场的影响下产生极化面相对入射
波的旋转。
其大小与电波频率、电离
层电子密度、传播路径长度有关。
微波穿过大气层时会产生法拉第旋转，旋转程度与v2成反比，低频长波旋转程度大。
法拉第旋转导致单一线极化测量的局限性，L波段的最大旋转可达100°，极大限制了空基P波段微波遥感系统的可行性，其旋转可达几百度。
全极化优势：法拉第旋转只影响极化旋转角并未改变地物的极化特性，全极化测量中的基本不变信息不会受到大气的影响。
电磁辐射能量穿透大气层示意图
基尔霍夫定律：一般物体的辐射可以由相同温度下黑体辐射乘以该物体的吸收率来表示；物体的发射率等于其吸收率
指沿发射路径，频率为v 的电磁波在任意点s 的辐射强度；
指体吸收系数，也称衰减系数；
表示光学深度，即不透明度； 指从0到s 的透射率，
取值范围[0,1]，0完全不透过，1完全透过； 指黑体辐射的选择性吸收(或选择性发射)
辐射传输方程：
瑞利-金斯辐射公式：
在一定波长范围内，辐射亮度与绝对温度的一次项成正比。
对波长>=3mm的全部微波均成立。
代入辐射传输方程，令透射率
可得，
其中，第二项即为大气层辐射贡献
辐射传输理论是被动微波遥感的理论基础
微波辐射计原理
雷达入射波的散射
雷达发射电磁波在目标表面感应电流而进行再辐射，从而产生散射电磁波。
雷达方程
• 雷达方程：雷达是主
动式微波遥感方式，即
利用传感器（天线）向
地面发射微波后接受其
散射波，其过程可以用
雷达方程式定量表示。
• 雷达方程是雷达遥感
的理论基础，也表明了
主动式观测的特性，主
动式遥感可以全天时获
取数据，但消耗能量能
大大增加。
雷达散射截面(Radar Cross-Section)
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。
对于主动微波观测应用，地表的延展目标不是单独的对象，因此σ与分布范围内的散射能量成比例，在成像雷达系统中，这个分布范围对应一个分辨像素。
后向散射系数，归一化雷达截面（NRCS），单位面积散射截面：
后向散射系数
Radar returns from various surfaces
Radar returns from various surfaces
目标的散射特性
• 目标的散射特性首先取决于目标尺寸和雷达波长间的关系
（粗糙度），介电特性和极化特性
＝＝》粗糙度
• 粗略划分为三类散射区：
1.瑞利区：目标尺寸远小于雷达工作波长
2.谐振(米氏)区：目标尺寸和雷达工作波长在同一数量级（角反射）
3.光学(非选择性)区：目标尺寸远大于雷达工作波长
微波的反射率
粗糙度的量化
粗糙度标准
粗糙度与波长
表面粗糙度由表面自身的物理特性、波长和雷达俯角等决定
对于长波雷达，地表相对较光滑，后向散射小
同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于后向散射强而显得亮
Locate the surface roughness sampler Release the latch to drop the pins Mark the profile of pins on paper
location
profile
Surface profile Digitizing the profile
表面粗糙度的量测
θd The rougher the surface the
less dependence of the radar
return on depression angle
Radar return from smooth and
rough surfaces as a function of
depression angle
回波强度与俯角
微波散射与入射角
微波散射与地物介电常数
介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射率），通常定义为物体电容与真空电容之比。
•自然界一般物体在干燥时，其介电常数在3~8之间，
而水的介电常数接近80
•岩石的介电常数差别很小，很难依据介电常数来区别不同的类型
•介电常数增加，反射增加
•土壤含水越多，反射越强
•金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强
土壤的介电常数
1.4GHz（L波段）
土壤（流沙地与高黏土地）的相对介电常数与容积含水量的变化关系
ε‘、ε“为复介电常数的实部和虚部
土壤含水越多，反射越强
水面的散射特性
2π2π
复杂表面的散射
角反射器的类型
z High Radar Cross Section granted ! θ
x
Φ y
Azimuth direction 角反射器的RSC 分布
高度角 方位角
Corner Cube
角反射器在SAR影像上的例子
穿透深度曲线
C
X L
SIR-A 测绘沙特阿拉伯古河道
（L 波段，1981年）
ERS SAR image
(C波段)。