2 微波遥感基础原理 2012-11-13 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。 本章要点 2 2012-11-13 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 主要内容 3 2012-11-13 2.1 微波遥感物理基础 2012-11-13 作业 ： 目标 的散射 特性与哪些因素有关 ？ 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 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。 5 2012-11-13 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 电磁波 6 2012-11-13 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。 电磁波 7 2012-11-13 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不随时间变化的情况，分为水平极化和 垂直极化 8 2012-11-13 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 9 2012-11-13 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 ) 10 2012-11-13 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 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 ) 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 。 11 2012-11-13 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 12 2012-11-13 散射理论 瑞利散射 ： (a =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 17 2012-11-13 微波辐射计原理 18 2012-11-13 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。 雷达入射波的散射 19 2012-11-13 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。 雷达方程 20 2012-11-13 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 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 ： 21 2012-11-13 后向散射系数 22 2012-11-13 Radar returns from various surfaces Radar returns from various surfaces 23 2012-11-13 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 目标的散射特性 24 2012-11-13 微波的反射率 25 2012-11-13 26 2012-11-13 微波散射与地表粗糙度 27 2012-11-13 微波散射与地表粗糙度 28 2012-11-13 微波散射与地表粗糙度 29 2012-11-13 微波散射与地表粗糙度 粗糙度的量化 30 2012-11-13 粗糙度标准 31 2012-11-13 32 2012-11-13 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 33 2012-11-13 d 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 34 2012-11-13 回波强度与俯角 微波散射与入射角 35 2012-11-13 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 38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 微波散射与地物 介电常数 36 2012-11-13 土壤的介电常数 37 2012-11-13 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 、 “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 38 2012-11-13 2 2 散射面分析 39 2012-11-13 40 2012-11-13 散射面分析 41 2012-11-13 复杂表面的散射 角反射器的类型 42 2012-11-13 角反射器 z High Radar Cross Section granted ! x y Azimuth direction 角反射器的 RSC分布 43 2012-11-13 角反射器 高度角 方位角 Corner Cube 角反射器在 SAR影像上的例子 44 2012-11-13 角反射器 45 2012-11-13 SAR图像示例 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 ） 46 2012-11-13 SAR图像示例 47 2012-11-13 SAR图像示例 48 2012-11-13 SAR图像示例 ERS SAR image (C波段 ) 49 2012-11-13 SAR图像示例 50 2012-11-13 SAR图像示例 51 2012-11-13 SAR图像示例 52 2012-11-13 SAR图像示例 微波 发送与接收的极化控制 53 2012-11-13 与地表发生作用后，极化状态可能改变。 后向散射通常为两种极化的混合。 传感器可以设计成只 探测 H或 V极化 的后向 散射。 依据 发射 /接收 的 极化不同， 可以有四种组合： HH、 VV、 HV、 VH 极化特性 由于交叉极化的信号比较弱，星载成像雷达一般以同极化方式工作 不同的地物会反映出不同的极化特性，不同极化的不同回波是电磁波与地物目标相互作用的结果 54 2012-11-13 同极化 like-polarized(同极化 ), e.g. HH, VV VV对研究作物和海浪有利 HH对研究土壤湿度、船舶检测和区分水冰边界有利 55 2012-11-13 cross-polarized（交叉极化） ; e.g. HV, VH HV和 VH对区别植被和非植被边界、水体边界、土壤湿度和表面粗糙度有利 56 2012-11-13 交叉极化 57 2012-11-13 极化 SAR图像示例 58 2012-11-13 极化 SAR图像示例 59 光学影像 极化 RGB合成 极化 SAR图像示例 2012-11-13 极化 SAR图像示例 60 2012-11-13 极化 SAR图像示例 |VV| |VV| |HV| |HH| Google Earth 61 2012-11-13 全极化、机载 SAR影像