微波遥感讲课演示文稿

一般说来，雷达天线与发射天线是同一天线， 故接收天线增益 Gr 与发射天线增益 Gt 是相等的， 它们与接收天线有效面积下波长 λ 之间的关系是
∵
(
由最大方向系数 ， 考虑无耗天线
)
所以，有
W t G 2 λ2 σ Wr = ────── (4π) 3 R 4
∵
Wt Gt 1 Wr = ──── σ ──── Ar 4πR2 4πR2
Po = ∫∫Sr(θ,φ) r2 dΩ = r2∫∫Sr(θ,φ)dΩ 4π 4π ( Po = ∫∫Sr(θ,φ) dA , dA = r2 dΩ)
由于 Pt = Poi = Po/ηl ，故有 (由 Po = ∫∫Sr(θ,φ) r2dΩ )
Poi Po 1 Sri = ─── = ──── = ── ∫∫Sr(θ,φ)dΩ 4πr2 4πr2ηl 4πηl 4π
多普勒效应
发出时频率 f 接收时 f´
目标朝向 f´ > f 背离 f´ < f 目标与接收天线的连线垂直于飞行方向 f´ = f
辐射原理
物质内部微粒在平衡位置上运动能量 E=h*v ( h为普朗克常数，v为频率 ) 基态 ——> 激发态 ——> 基态 + 能量释放 ( 辐射 ) 外来能量 ΔE = h*v'
雷达发射机的发射功率为 Wt , 天线增益为 Gt ， 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的能量为 Wor
地物目标在获得能量后向雷达天线方向再散射回去 ( 这里未计入大气衰减的影响 、地物穿透、吸收， 理想状态的分析。 )
如果其有效的散射面积为σ， 那么它向雷达天线反射的总的回波功率就应为 Wt Gt Woe = ──── σ 4πR2
提供相位信息
高程信息, 地形形变信息
波长与频率 c = f * l = 3 *108 米 / 秒
1mm —— 300 GHz 1m —— 0.3 GHz
主动与被动工作方式
成像雷达与微波辐射计
不利之处 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
尤其雷达影像
电磁波基本特征
500KHz到1500KHz 标准广播频段
高于1500KHz的部分也可用于通信
3MHz到30MHz的高频(HF)段 主要用于远程通信和远距离短波广播 这个频段受电离层反射作用大 受其吸收作用小 某些雷达系统如用以测量海洋波的特性的 远程雷达也利用了高频段
30MHz到300MHz的甚高频(VHF) 主要用于电视和视距内调频广播 也用于与飞机等的通信
大气干扰 一般很小 主要在毫米波
吸收中心波长:
氧 水
2.53mm和5.0mm处 1.6mm和13.5mm处 大雨、暴雨时
散射:
小于2.81cm
M为含水量(每M3 1克)
入射电磁波与地表面各类地物的相互作用
微波辐射计 成像雷达 吸收 发射 反射 透射 散射
反射 地表平滑 极化方式与入射波相同 关键是反射方向
如米波波宽为10度量级 厘米波波宽为几度左右
目标与天线之间的（发射波）距离变化
每一位置上记录相位 波数
1 <——
<——
雷达波频率 回波频率
S 波速
从单位时间周数理解
多普勒频率偏移
接收到同一目标信号的时间 对于同一目标的多普勒频率带宽
由频率变化一周时间
（时间分辨率）
非成像雷达
散射计 强度——后向散射系数 即定标后的雷达 与测距雷达原理相同
高度计
无线电地下探测器 低频率波束 对于某些地物可穿透
成像雷达
微波辐射计
输出电压: 直流分量——对应输入功率平均值 交流分量——噪声低频(高频已滤)
微波辐射计 ① 具体公式见第五节
②与雷达中的接收机不同
a. 接收机噪声功率 必须是高灵敏度 即检出TREC）
于是有
归一化高斯随机变量，即其均值为零，方差为1。
W tG 2λ 2 Pr = ──── A(1 + Rn/√N)σ +Rn/√N)σ o (4π )3 R4
其中
o
= K(1
W tG 2λ 2 K = ──── A (4π )3 R4
回波功率的大小由雷达接收机视频输出信号强度 I 表示 即 I = M ·r P M 是接收机的传递函数。 转换为胶片密度 D ，有 D = γlgI + lgk γ为胶片的传递函数， k 为胶片和曝光时间有关的常数 D = γlgσo + γlgM + γlg K + lg k + γlg(1 + Rn/ √N) ( Pr = K(1 + Rn/√N)σ
300MHz到3000MHz的特高频(UHF)广泛用于雷达 也用于成像雷达如海洋卫星上的合成孔径雷达 微波辐射计通常以1.665GHz作为工作频段 这一频段也有用于电视广播 与飞机和车辆的移动通信
3GHz到30GHz的超高频(SHF) 大部分用于遥感雷达系统 遥感雷达的频率集中在9～10GHz、14～16GHz 遥感辐射计主要集中在若干点频上 如 4.995、 10.69、•5.375和19.35GHz 1 卫星通信用到4GHz、6GHz附近的频段 11～13GHz• 的一些频段以及更高的频率上 中 无线电通信，各类地面雷达和船用雷达也用到这一频段
回波同样是球面波，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 Wt G t 1 Wrr = ──── σ ──── 4πR2 4πR2
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为: Wt Gt 1 Wr = ──── σ ──── Ar 4πR2 4πR2
天线在某一方向(θ,φ)上的增益 G(θ,φ) Sr(θ,φ) G(θ,φ) = ───── Sri 天线辐射的功率密度 = ─────────────── 无耗各向同性天线辐射功率密度
无耗各向同性天线辐射的总功率为 Poi = 4πr2Sri 实际天线辐射的总功率 由 Sr(θ,φ) 在半径为 r 的球面内积分得
方位向分辨率即卫星运动速度与频率一周时间乘积
BA:芭蕉
RD:稻茬 RC:水稻 WT:水体
天 线
天线 辐射方向图 方向(θ ,φ )上单位立体角辐射功率 发射、接收皆如此
主要方向显著
归一化辐射方向图
能量大小相对估计
方向系数
能量分布比例
辐射立体角
单位立体角 dΩ =sin θ d θ d φ
微波遥感
MICROWAVE REMOTE SENSING PART I
SEASAT SIR-A SIR-B SIR-C ERS-1 ERS-2 JERS-1 RADARSAT
•••••• ••••••
我国将发射雷达卫星
微波遥感空前发展
全天时 全天候 一定的穿透能力 提供特殊信息
海面形状, 海面风速, 土壤水分
一般用地物单位面积的平均散射系数σo (或地物单位面积的散射截面) 表达地物的散射特性
如果雷达波束照射到地物的面积为 A ， 则地物目标总的有效散射截面σ为σ = σo A 对于分布目标的雷达方程为 W t G 2 λ2 Wr = ────── σo A (4π) 3 R 4
灰度方程
分辨单元内 可能是同一地物 可能是不同地物 或同一地物 不同状态 不同粗糙度的个体或样本 N个样本 随机分布的散射中心 (即N个独立样本)
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 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
复介电常数大
较干燥
则无透射
地物结构疏松
如水面、铜
如沙
折射 波的分解 T E （水平）TM（垂直） 反射系数表达式说明信号的不同
微分散射系数（和表面极化发射率）
叠加 两波相遇点上的物理量等于各个波的物理量之和 相干性 两波相遇时的特殊情况
( 相位 /相位差 / 频率 / 振动方向 相同 ) 相干波 矢量和 非相干波 代数和 单色波都是相干波
衍射 波与某些物体相遇时的情况
极化 ( 偏ห้องสมุดไป่ตู้ )
电场场强振动方向的变化趋势
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 四种极化方式
辐射源与距它r 处的球面微分dA所开成的立体角
方向图立体角
可以理解为每一个单位立体角的能量相对大小 加权和
近似表示为
为xz平面内半功率宽度
天线有效面积
由波辨角
雷达方程
发射机将电磁能供给天线后，天线获得的总功率为Pt 天线将电磁波发射出去时，
进入自由空间的电磁波功率为 Po
一部分能量 Pl 在天线中耗散为热能 辐射效率 Po ηl = ── Pt
1KHz到3KHz为特低频(SLF) 3KHz到30KHz为甚低频(VLF) 主要用于海底通信和Omega导航系统 30KHz到300KHz的低频(LF) 适用于某些类型的通信和罗兰C(LoranC)定位系统
由300KHz到3000KHz的中频(MF)
低于500KHz• 频段部分用于某些海洋通信 的
水蒸汽的一个主要吸收频率接近于22GHz 因此22GHz附近的频段专门用于大气辐射观测
30GHz到300GHz的极高频(EHF)段大部分利用得不多 在60GHz• 近存在强烈的氧气吸收 附 30GHz• •0GHz• 频段部分用得比较广泛 到4 的
遥感雷达工作频率为32GHz到36GHz
50GHz到60GHz的多频率辐射计 用于观测大气温度的剖面分布 射电天文学运用的频率位于31.4GHz、37GHz和89GHz 这些频率也可以用于遥感辐射计 某些军用成像雷达用到95GHz附近频段