3.4 3.4 微波遥感微波遥感3.4.1 概述概述3.4.2 侧视雷达系统的工作原理侧视雷达系统的工作原理3.4.3 合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR）3.4.4 侧视雷达图象的几何特征侧视雷达图象的几何特征3.4.5 其他雷达图象特征其他雷达图象特征3.4.6 干涉雷达干涉雷达12二二. 微波遥感特点微波遥感特点(1)可以全天候全天时工作可以全天候全天时工作。微波的波长较可见可和红外。微波的波长较可见可和红外线大线大,几乎不受云雾的散射影响。几乎不受云雾的散射影响。(瑞利散射强度与波长四瑞利散射强度与波长四次方成反比次方成反比)。(2)微波微波波谱对某些地物来说特征明显波谱对某些地物来说特征明显，特别是很好区分，特别是很好区分水和冰水和冰(在微波波段两者的比辐射率悬殊，分别为在微波波段两者的比辐射率悬殊，分别为0.4和和0.99)3 穿透深度随波长穿透深度随波长而增加而增加: :L L和和P P波段比波段比K K或或 X X 波段更有穿透力波段更有穿透力。对于森林，对于森林，C C 波段雷达波长较短，所以在树冠就反射了，没有波段雷达波长较短，所以在树冠就反射了，没有穿透力；但其它较长波段穿透力；但其它较长波段，由于大多数树叶较小对雷达波的传由于大多数树叶较小对雷达波的传播不影响，所以可以不同程度地穿过树冠。下图是播不影响，所以可以不同程度地穿过树冠。下图是 SIR-C SIR-C 卫星卫星获得的获得的SAR(SAR(合成孔径雷达合成孔径雷达) )影像，影像，L L波段穿透了巴西亚马逊河流波段穿透了巴西亚马逊河流域茂密的森林，显示了其下覆盖的轻微起伏的地形。域茂密的森林，显示了其下覆盖的轻微起伏的地形。4三三. 微波传感器微波传感器 非成像传感器：非成像传感器：一般都属于主动遥感系统。通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参一般都属于主动遥感系统。通过发射雷达信号，再接收回波信号测定参数，不以成像为目的。数，不以成像为目的。 微波散射计：测量地物的散射或反射特性。微波散射计：测量地物的散射或反射特性。 雷达高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高雷达高度计：测量目标物与遥感平台间的距离，从而准确得知地表高度变化，海浪的高度等参数。度变化，海浪的高度等参数。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。 成像传感器：成像传感器： 获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图象获取在地面扫描所得到的带有地物信息的电磁波信号并形成图象微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达56 微波辐射计微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度并生成亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力 , 其其发射强度与自身的亮度温度有关。通过发射强度与自身的亮度温度有关。通过 扫描接收这些信扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图号并换算成对应的亮度温度图, 对地面物体状况的探测很对地面物体状况的探测很有意义。有意义。属被动遥感属被动遥感7 侧视雷达侧视雷达 侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面行方向垂直的侧面 , 发射一个窄的波束发射一个窄的波束 , 覆盖地面上覆盖地面上这一侧面的一个条带这一侧面的一个条带 , 然后接收在这一条带上地物的然后接收在这一条带上地物的反射波反射波 , 从而形成一个图像带。随着飞行器前进从而形成一个图像带。随着飞行器前进 , 不不断地发射这种脉冲波束断地发射这种脉冲波束 , 又不断地接收回波又不断地接收回波 , 从而形从而形成一幅一幅的雷达图像。成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：雷达成像的基本条件：雷达发射的波束照在目标不同雷达发射的波束照在目标不同部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波部位时，要有时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。8 合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达与侧视雷达类似合成孔径雷达与侧视雷达类似 , 也是在飞机或卫也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元 , 每一每一单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，单元发射和接收信号的时刻不同。由于天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。记录的回波相位和强度都不同。目的：目的：提高图象在飞行方向的分辨率。提高图象在飞行方向的分辨率。9.4.4.侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度电磁波在空间中的传播速度c是一定的是一定的,当雷达在时间当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲发射出一个窄脉冲,被被目标反射后目标反射后,在时间在时间t2返回返回, 则目标地则目标地物的距离为物的距离为: (t2-t1)*c/2(t2-t1)*c/210微波传播示意图微波传播示意图微波传播示意图微波传播示意图11 遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；遥感平台向前飞行，天线发射和接收雷达脉冲交替进行；在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同在波束宽度范围内，地面不同的地物由于距离不同而在不同的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返的时间反射回波。反射回波的信号记录一条图象扫描线。返回的信号被天线接收并记录下来。回的信号被天线接收并记录下来。一一. 侧视雷达工作原理侧视雷达工作原理(真实孔径雷达真实孔径雷达) 真实孔径雷达是对平台的行进方向（称方位向）的侧方真实孔径雷达是对平台的行进方向（称方位向）的侧方（称距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目（称距离向）发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目标物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图标物返回的后向散射波，从接收的信号中可以获得地表的图像。像。12脉冲宽度脉冲宽度发一个脉冲发一个脉冲,陆续陆续收到一连串回射收到一连串回射,而且回射的特性而且回射的特性随地物不同而异随地物不同而异飞行方向飞行方向13A：飞行方向；飞行方向；B：天底天底nadirnadirE：方位向方位向azimuth flight directionazimuth flight direction ；D：距离向距离向look directionlook direction ；C：扫描宽度扫描宽度二二. 有关术语有关术语A入射角入射角incidence angleincidence angle; B视角视角; C斜距斜距Slant distance; D地距地距Ground distance;14A: 近近射程（射程（near range）B: 远射程（远射程（far range）1516例: 设俯角50,脉冲宽度0.1s则距离分辨力Pg = 0.5 0.110-6(s) 2.998 108(m/s)/cos 50= 0.5 0.1 2.998 / 0.642788 100 = 23.2mPg = 0.5 c cos17距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反距离越近，方位分辨率越高；与距离向分辨率变化规律相反.沿航线方向的分辨率沿航线方向的分辨率方位分辨率方位分辨率 r ra a= = *R*Rb波束宽度，波束宽度， R R天线到该像元的倾斜距离天线到该像元的倾斜距离b= = /L, /L, 波长，波长，L L天线长度天线长度 r ra a= (= ( /L/L)*R)*R天线越长，天线越长， r ra a越小，方位分辨率越高越小，方位分辨率越高. 方位分辨率方位分辨率18例例: : 设卫星天线孔径设卫星天线孔径D=4mD=4m, ,波长波长 =3cm,=3cm,距目标地物距目标地物200km, 200km, 则方位则方位分辨力分辨力P Pa a = 3 = 3 1010-2-2(m)/4(m)(m)/4(m) 200200 10103 3(m) =1500m(m) =1500m若要求方位分辨率达到若要求方位分辨率达到3m,3m,则天线孔径需则天线孔径需2000m.(2000m.(这是不可这是不可能的能的) )提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：提高距离分辨率和方位分辨率的方法：1 1 1 1） 采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度采用脉冲压缩技术，缩短脉冲发射宽度2 2 2 2） 用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。19= / L203.4.3 3.4.3 合成孔径雷达合成孔径雷达 合成孔径雷达（合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）, 也也是侧视雷达。是侧视雷达。基本原理：基本原理：利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，利用短的天线，通过修改数据记录和处理技术，产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高产生很长孔径天线的效果，等于通过加长天线孔径来提高观测精度。观测精度。 在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据记录和处理过程联系在一起。和处理过程联系在一起。 在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间在不同位置接收同一地物的回波信号，信号得到的时间不同，相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，不同，相位和强度不同，形成相干影象。经过复杂的处理，得到地面的实际影象。得到地面的实际影象。21合成后的天线孔径为合成后的天线孔径为Ls,Ls,则其方位分辨率为则其方位分辨率为: :RsRs=(/ =(/ Ls)RLs)R由于天线最大的合成孔径为由于天线最大的合成孔径为: :Ls=Ra=(/D)RLs=Ra=(/D)R则有则有RsRs=D=D由于双程相移由于双程相移, ,方位分辨率还可提高一倍方位分辨率还可提高一倍, ,即即RsRs=D/2=D/2式中，式中， :波长；波长；D D：雷达孔径；雷达孔径；R R：斜距。斜距。 由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使由此可知，方位向的分辨率与距离无关，所以，即使从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。从卫星的高度上也可以获得高分辨率的图像。2223合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：方向的分辨率为： Pa =l/2l为为天线长度天线长度24合成孔径雷达原理合成孔径雷达原理25斜距图象的比例尺变化斜距图象的比例尺变化A、B、C为三个长度相等的线性地物。为三个长度相等的线性地物。斜距图象、地距图象斜距图象、地距图象3.4.4 3.4.4 侧视雷达图象的几何特征侧视雷达图象的几何特征26雷达图象变形：距离向雷达图象变形：距离向27地距图象与斜距图象地距图象与斜距图象28上图：左侧地物压缩上图：左侧地物压缩下图：恢复（地距图象）下图：恢复（地距图象）距离向变形距离向变形29地形畸变地形畸变透视收缩（透视收缩（透视收缩（透视收缩（foreshorteningforeshortening）：山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度；往表现为较高的亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。越大。叠掩叠掩叠掩叠掩(Layover)(Layover)：当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；底的相对位置颠倒；收缩度：坡顶的收缩度比坡底大收缩度：坡顶的收缩度比坡底大阴影阴影阴影阴影(Shadow)(Shadow)：当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，当后坡坡度较大，雷达波束不能到达后坡坡面时，没有回波信号产生，图象上出现暗区没有回波信号产生，图象上出现暗区303132地形引起的变形：透视收缩地形引起的变形：透视收缩山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度；山上面向雷达的一面在图象上被压缩，这一部分往往表现为较高的亮度；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。33透视收缩透视收缩The figure above shows a radar image of steep mountainous terrain with severe foreshortening effects.The foreshortened slopes appear as bright features on the image. 34透视收缩透视收缩35Foreshortening: 当地形有起伏时,在影像上,面向入射波的坡面会变短,即从山顶到山脚的水平距离缩小,而背向入射波的坡面变长,即从山顶到山脚的水平距离变大.雷达雷达地形线地形线回波强度回波强度时间时间阴影区阴影区高亮度区高亮度区36典型的典型的Foreshortening变形现象例子变形现象例子该像片的雷达波入该像片的雷达波入射方向是什么射方向是什么?37叠掩叠掩当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在当面向雷达的山坡很陡时，出现山顶比山底更接近雷达的情况，因此，在图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；图象的距离方向，山顶和山底的相对位置颠倒；收缩度：坡顶的收缩度比坡底大收缩度：坡顶的收缩度比坡底大38叠掩叠掩39叠掩叠掩Layover is most severe for small incidence angles, at the near range of a swath, and in mountainous terrain. 40重叠重叠(Layover): 当雷达入射俯角(发射方向与水平面的夹角)小于地面坡角时,山顶与接收器的距离小于山脚与接收器的距离,山顶的回波先于山脚的回波到达接收器,这时山顶的影像会超过并覆盖到山脚的影像上,造成重叠现象. 上图的下部可看出一些重叠现像.注意注意: Foreshortening及重叠 现象随着平台高度增大而变弱直到消失,所以一般的卫星雷达影像这些变形都很弱,可以忽略.Seasat image of part of the Pine Mountain thrust in North Carolina 41阴影阴影424344阴影阴影45与与光学图象比较光学图象比较4647a.b.look directionX - band, HH polarizationlook directionsX - band, HH polarizationLook Direction48侧视雷达的入射方位对影像的影响在山区地形情况下在山区地形情况下,在雷达影像中在雷达影像中, 地形起伏一般表现为明地形起伏一般表现为明显的显的亮坡亮坡- -阴影组合阴影组合特征特征. 沟谷和山脊的面向入射坡为亮坡沟谷和山脊的面向入射坡为亮坡而背光坡为阴影而背光坡为阴影. 因此因此,随着入射方位不同随着入射方位不同,不同方向的线不同方向的线状地形起伏将会得到突出状地形起伏将会得到突出 - 线状的线状的亮坡亮坡- -阴影组合阴影组合总是总是平行于平台航向平行于平台航向,亮坡朝向传感器亮坡朝向传感器,阴影背对传感器阴影背对传感器.49右图为同一地区的两幅雷右图为同一地区的两幅雷达像片达像片,航向不同航向不同,突出了突出了不同方向的线状地形起伏不同方向的线状地形起伏.Professor Donald Wise (University of Massachusetts)制作的模拟像片50右图为同一地区的两幅右图为同一地区的两幅雷达像片雷达像片,航向不同航向不同,像像片有很大差异片有很大差异.尼日利亚境内的前寒武尼日利亚境内的前寒武纪岩石的航空雷达影像纪岩石的航空雷达影像51