2.2 微波遥感基础原理
微波遥感-2.2
Rr
c
2 cos
Ls Ra
Rs
D
R
Ls
RD
D Rs 2
合成孔径雷达得到的原 始数据还不能叫做图像, 只是一组包含强度、位 相、极化、时间延迟和 频移等信息的大矩阵,叫 做(原始)信号数据(Raw Signal Data)。从信号数 据到图像产品,要经过复 杂的步骤。
综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积 Rr*Ra
三、侧视合成孔径雷达 synthetic aperture radar, SAR
用一个小天线沿一直线方向不 断移动，在移动中每一个位置 发射一个信号，接收相应发射 位置的回波信号，同时存储相 位和振幅。当天线移动了一段 距离L之后，存储的信号和长度 为L的天线阵列所接收的信号非 常相似。 合成孔径雷达在不同位置接收 同一个地物的回波信号，真实 孔径雷达则在一个位置上接收 目标的回波。
海洋二号卫星1:3模型。海洋二号卫星是中国正在开发的第一颗海洋 微波遥感卫星，可以满足中国对海洋资源和动力环境探测的需要，增 加中国监控海洋的综合遥感手段。主要载荷为微波辐射计、微波散射 计和雷达高度计等
二、侧视雷达
侧视雷达在随飞行器前进过程中， 向垂直于航线方向（距离向range） 发射一个很窄的波束，这个波束在 航行方向（方位向azimuth）上很 窄，在距离方向上很宽，覆盖了地 面上很窄的条带。 波束从飞行器较近的距离（近距点） 照射到离飞行器较远的距离（远距 点）。 每个波束，由以一定时间间隔（脉 冲宽度）的具有特定波长的微波脉 冲组成。
合成孔径雷达在每一个位置都记录回波信号， 针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相 位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应， 频率也会发生变化。 处理器针对不同的相位进行相移补偿（补偿不 同位置之间的相位差异），再将每个位置接收 的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷 达信号。
微波遥感基础
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：2Hc 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≈HλL 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 rAc⁄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。
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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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。
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2
主要内容 • • • • 简介 天线 被动微波传感器 主动微波传感器
2.1 简介
In the microwave region the wavelength is often similar to that of major scatterers in the medium, and we can make physical models for their interactions. This helps in the understanding of the interactions and means that we are not primarily dependent on statistical aspects, which is often the case in the optical regime. This is the reason why models for electromagnetic waves and medium interactions are so important for microwave remote sensing.
350 100 200 400 1,000 3,000
75 x 43 51 x 29 27 x 16 32 x 18 14 x 8 6x4
JERS-1 日本
TMI (TRMM Microwave Imager) 热带降雨测量任务（Tropical Rainfall Measuring Mission）微波成像仪 WindSat
• 微波辐射计在海洋卫星上用来遥感海表面温度、海表面风速和风向
（sea surface wind vector）、海面上空水汽含量、降水率（total
column precipitable water vapor）等，在飞机上用来遥感海表面温度、 海表面盐度（sea surface salinity）等。
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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
w
w
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方位向分辨率
w
w
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方位向分辨率
方位向分辨率：
Ra = ωR Ω为雷达主波瓣角
R为斜距
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真实孔径雷达工作原理
入射波
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散射波
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真实孔径雷达工作原理
真实孔径雷达工作原理
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成像雷达系统的基本结构
真实孔径雷达工作流程
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雷达的相干成像特点
•
相干性和相位是干涉成像机理的重要概念
• 具有相同频率的波之间在空间或时间的差异 成为它们的相对“相位（phase）” • 成像雷达的一个基本特性是它发射的电磁波 和接受回来的电磁波是相干的（coherence）
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雷达成像
Surface
Flat surface
Forest
Cropland
Mountains
Rough surface
City
Radar image
不同地表类型对应的雷达图像（示意图）
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真实孔径雷达的分辨率
• 指向地面并垂直于方位向的方向称为距离向 （range direction） • 沿飞行平台前进方向称为方位向 （azimuth direction） • 波束沿距离向是很宽的，不过由于是时间测距 的工作方式，距离向的分辨率则取决于发送波束的 脉冲宽度τ • 真实孔径雷达天线长度就是实际的长度，为了 提高方位向的分辨率，要求发出的波束沿方位向是 很窄的，波束宽度与天线长度有关
u =| u | e
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jϕ
=| u | Re( e
jϕ
) + j | u | Im( e
jϕ
)
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雷达的相干成像特点
• 实际上，成像雷达信号有一定带宽 （不是完全单一频率的电磁波）。 但是，带宽值远远小于载波频率f， 近似为相干波
ESA-ERS Parameters
B/f = 16/5300
λ = 5.66 cm (f = 5.3 GHz)
H = 780 Km θ= 23 deg – Stripmap Pol = VV dr = 7.91 m Slant Range Resolution da = 3.98 m Azimuth Resolution S 100 Km Revisiting Time = 35 days Bandwidth: 16 MHz
雷达波瓣角与波长成正比 与天线孔径 d 成反比：
侧视雷达的地面分辨率 提高方位分辨率加大天线孔 径，波长较短电磁波，缩短观 测距离合成孔径技术
Ra = (λ/d) R (又 R=H/sinβ=H/cosθ )
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真实孔径雷达的分辨率
Δ Rr = Δ Rg =
Cτ 2
(斜距分辨率)
=0.003
近似的相干波
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为什么采用侧视工作方式？
雷达在“距离”向上有一个视觉，所迹的每一边各有一个，于是图像自身就会折叠，轨迹右边 的点和相应左边的点就会混在一起。
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机载侧视雷达
2 微波遥感基础原理
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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
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2
2.2 真实孔径雷达基本原理
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真实孔径雷达
“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 运动平台携带真实孔径天线从空中掠过，由天线向 平台的一侧或两侧发射波束并扫描地面。这些波束在 平台运动的方向上是很窄的，而在垂直于平台运动方 向上是延展的 脉冲几何分辨率在很大程度上是由天线长度和脉冲 宽度决定的。由于脉冲和地形相互作用，入射的雷达 波信号经地物的散射，一部分能量经后向散射，作为 随时间改变的放大信号接收下来
两个相同频率、 不同相位的波形
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雷达的相干成像特点
• 不论是真实孔径雷达还是合成孔径雷达，成像 均具有相干性 • 要求雷达系统产生频率非常稳定的本机振荡 信号，该信号可以作为空间和时间上的定位。 • 雷达信号成像后，相位值仍然会记录在影像 的各个像素中，可以用复数表示，原始的影像的 像素值应该是复数形式的，在影像数据文件中用 实部和虚部的格式读/写
合成孔径雷达（SAR）
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小结
雷达侧视成像工作原理 真实孔径雷达分辨率
距离向分辨率、方位向分辨率
如何提高雷达分辨率
作业：合成孔径雷达分辨率与哪些参数相关？
什么是多视？
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真实孔径雷达的限制
• 波束之脉冲时间 τ 越小，距离向的分辨率越高，但
τ 太小则发射功率下降，降低后向散射的信噪比 ==> 脉冲压缩技术 • 理论上增加孔径 d 就可以提高方位向分辨率，但是实 际上是难以实现的，因为孔径的大小决定了天线几何尺 寸的大小 ==> 合成孔径的技术
Geometry of Side-looking Imaging Radar
D
Altitude
Incidence angle
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机载侧视雷达
真实孔径雷达工作原理示意图
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机载侧视雷达
真实孔径雷达信号原理示意图
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机载侧视雷达
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方位向
雷达波束
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机载侧视雷达
A到B中间的几个目标由近到远 地记录在显示器、胶片上 由于是距离成像，目标实际地 面距离（地距）大于记录在显 示器、胶片上的距离（斜距）
脉冲测距示意图
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机载侧视雷达
w
机载真实孔径雷达的成像几何
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距离分辨率（地距分辨率）
Rg = (tc/2) secβ (或
c
2 cos
)
斜距分辨率 Rr=tc/2 (沿波束方向)
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方位向分辨率
衍射：电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过 障碍物而弯曲地向障碍物地后面传播的现象
艾里斑
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方位向分辨率
瑞利准则
侧视雷达在随飞行器前进过程中， 向垂直于航线方向（距离向range） 发射一个很窄的波束，这个波束在 航行方向（方位向azimuth）上很窄， 在距离方向上很宽，覆盖了地面上 很窄的条带 波束从飞行器较近的距离（近距点） 照射到离飞行器较远的距离（远距 点） 每个波束，由以一定时间间隔（脉 冲宽度）的具有特定波长的微波脉 冲组成