微波遥感复习

第一章 微波遥感基础

1、微波遥感的概念及分类

微波遥感是利用某种传感器接收地面各种地物反射或散射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需的信息。 主要分为主动微波遥感和被动微波遥感，被动微波遥感包括微波成像仪和微波探测仪；主动微波遥感包括雷达高度计、雷达散射计和成像雷达。 2、微波遥感的优越性

（1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候、全天时的工作能力，优于可见光和红外波段的探测能力

（2）微波对地物有一定的穿透能力，对地物的穿透深度因波长和物质的不同而有很大差异，波长越长，穿透能力越强。

（3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息，比如微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可以用于测定大地水准面，还可以利用微波探测海面风场。

（4）雷达可以进行干涉测量 3、微波遥感的不足

（1）微波传感器的空间分辨率要比可见光和红外传感器低 （2）其特殊的成像方式使得数据处理和藉以相对困难些 （3）与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致 4、合成孔径雷达（SAR）特性及优势

（1）全天候，不受云雾雪的影响，雨的影响有限 （2）全天时，主动遥感系统

（3）对地表有一定的穿透能力，与土壤含水量有关，依赖于波长 （4）对植被有一定的穿透能力，依赖于波长和入射角 （5）高分辨率，分辨率与距离无关

（6）独特的辐射和集合特性 （7）干涉测量能力 （8）多极化观测能力

5、极化，指得是电磁波的电场振动方向的变化趋势。极化方式有线极化、椭圆极化、圆极化。

第二章 微波遥感系统

1、常见的微波遥感传感器

在海洋、陆地、大气微波遥感应用中，常用的有效的传感器有五种：散射计、高度计、无线电地下探测器（以上为非成像系统）；微波辐射计、侧视雷达（以上为成像系统）。 2、散射计

微波散射计是一种有源微波遥感器，专门用来测量各种地物的散射特性。它是通过测量地物对微波的散射强度，达到测定地物的后向散射系数的相对值。

散射计按照观测方式可以分为以下四类：侧视观测散射计;前视（后视）观测散射计；斜视观测散射计；笔式光束环形扫描散射计。

散射计的主要应用：（1）全球海洋表面风速测定 （2）海冰测量 （3）土壤湿度测量（低频段） （4）植被和作物生长情况测量 （5）全球散射统计 （6）降水测量（毫米波，亚毫米波） 3、高度计

高度计是一种主动式微波测量仪，它以飞行器的轨道为基准，测量与其垂直的地球表面的距离的遥感器，应用于包括海洋中规模现象的海洋动力学研究，大地水准面高程的研究，通过测量散射强度观测海面风速和浪高，以及观测海冰形状等，具有独特的全天时、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大的能力和特点。

高度计测高原理：以卫星为载体，以海面作为遥测靶，由卫星上装载的雷达高度计向海面发射微波信号，该雷达脉冲传播到达海面后，经过海面反射再返回雷达高度计。

根据回波理论，返回到高度计后可以得到三种观测量：

① 卫星高度的测量值——雷达脉冲行程于卫星-海面-卫星的往返时间； ② 回波信号的波形——包括回波信号的前沿上升区、平顶区和后沿衰减区； ③ 回波信号的幅度——信号的自动增益控制值。

雷达高度计可以测量的三个基本观测量：卫星高度的测量值——海面高度的信息；回波信号的波形——海面有效波高的信息；回波信号的幅度（或强度）——海面风速的信息。

雷达高度计的应用：

（1）根据高度计发射雷达脉冲至收回海面回波脉冲的时间间隔获取海面动力高度。

（2）利用所得到的海面动力高度同化反演海洋重力场、流场、潮、大地水准面、海洋重力异常。 （3）根据回波强度获取风速资料。

（4）根据回波波形前沿斜率获取海面有效波高。 4、微波辐射计

微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。他通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮度温度。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率（灵敏度）和空间分辨率（角分辨率）。温度分辨率是指辐射计探测目标最小温差的能力，空间分辨率是指仪器分辨相邻很近两个相同辐射体的能力。

微波辐射计类型主要有：全功率型（Total Power） 狄克型（Dicke-type） 噪声注入零平衡型 双参考自动增益控制型

主要星载微波辐射计

名称美国诺阿系列辐射计MSUAMSU通道及工作频率4个50-60GHz20个23.8-183GHz22个23.8-183GHz7个50-60GHz5个91-183GHz7个19-89GHz24个19.3-183GHz22个14个6.9-89GHz12个6.9-89GHz26个18.7-183GHz30个6.9-183GHz应用领域探测大气垂直温度分布探测大气垂直温度分布和大气垂直湿度分布大气垂直温度分布大气垂直湿度分布对地成像观测2009年发射多频率、双极化多频率、双极化 ATMSSSM/T-1SSM/T-2美国国防气象卫星系列SSM/ISSMISCMISAMSR日本AMSR系列AMSR-EMTVZA俄罗斯MTVZAMTVZA-OK微波辐射计的应用领域

1海洋表面温度（SST- Sea Surface Temperature）（1）海洋探测 包括○，是一个重要的海洋环境参数，是海洋环

境重要的基础信息。从卫星遥感来测定SST的方法有热红外测量和被动微波幅射测量。

2海水盐度（SSS- Sea Surface Salinity）海水是一种复杂的电解液，海水的含盐量的变化，会改变海水的介电常数，○

从而影响海水的微波辐射特性。盐度测量的波段选在低频率，L波段是用来进行盐度测量的保护波段，微波辐射计为一种有效测定海水盐度的传感器。 3海面风场（Ocean Winds） ○4海冰测量（Sea Ice）依据水和冰的发射率差别很大，反射率不同 ○

（2）陆地应用 包括地物分类（依据不同地物的折射率、介电常数、标准反射率、亮度温度不同）；土壤湿度；积雪；植物生长量等。

国外微波辐射计的发展方向：①向越来越高的频率发展 ②向更细化探测通道发展 ③向一体化发展（多频率多极化） ④向更高的地面分辨率发展 5、成像雷达

（1）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。

工作原理：天线发出的一束无线电（或微波）辐射射向目标，电磁辐射与目标发生相互作用，其中有一部分背向散射返回到天线。雷达接收机探测到回波，从中可以知道目标的方位、距离和飞行速度等信息。

真实孔径雷达分辨率分为距离向分辨率和方位向分辨率，且两者互不相关。距离向分辨率指在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。方位向分辨率是在与辐射波束垂直方向（方位向）上相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。

（2）合成孔径雷达 是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。合成孔径雷达与真实孔径雷达有许多共同点，其主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。

工作原理：发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，天线接收的地面回波信号，经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存

储器的信号经成像后形成雷达图像。

合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达距离向分辨率相同。但真实孔径机载雷达一般用短脉冲来实现距离向分辨率，而合成孔径雷达通常用带宽（脉冲频率的变化范围）为B的线性调频脉冲来实现作用距离向的良好分辨率。合成孔径雷达的方位向分辨率与距离、波长无关，平台飞行高度无关，理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度D的一半。 6、天线、雷达方程

（1）天线：在自由空间传播的电磁波与在传输线中传播的导波之间过渡或转换的区域。分为线天线和面天线。 与天线有关的重要参量：

①天线辐射方向图：天线辐射能量的空间分布

F(?,?)表示在（?,?）方向上单位立体角内的辐射功率。

Fn??,???F??,?? 归一化辐射方向图 F??,??max②立体角和波束效率

在较窄的?范围内天线的辐射强度很强，对应这个角度范围的窄立体角内辐射出大部分天线的辐射功率，这部分天线波束称为天线的主波束或者主瓣。随着?角增加相继出现一些峰值和谷值，并且这些峰值和谷值随?的增加而减小，这些部分被称为旁瓣，紧邻主瓣的第一个峰形成的旁瓣成为第一旁瓣，其他为次旁瓣。θ﹥±90°的部分称为背瓣。

不同情况下天线方向图的主瓣有效宽度可分别用方向图立体角?p ，主瓣(或主波束)立体角?m和旁瓣立体角

?s来描述：?p?Fn(?,?)d? ?m???4?主瓣??Fn(?,?)d? ?s??p??m d??sin?d?d?

方向图立体角?p???Fn(?,?)d??4????4F(?,?)d??4

F(?,?)maxF(?,?)maxF(?,?)d????在相同的辐射总功率下，天线辐射到空间的辐射功率愈集中在某一方向上，则此方向上的辐射强度愈强，天线

辐射方向图立体角也愈小。

主波束立体角?m???主波束Fn(?,?)d? 主波束范围由辐射方向图Fn??,??下降到第一谷点时所包括的空

间范围确定。主波束立体角同样可以理解为天线主波束内的辐射功率与最大辐射强度的比值。

主波束效率?m??m ?m??p??Fn??,??d?Fn(?,?)d????主波束4???F??,??d?主波束效率是主波束内辐射功率

???F??,??d?主波束4与天线辐射总功率的比值。天线的旁瓣电平愈低，辐射能量愈集中在主波束内，主波束效率愈高。

③波束宽度

为了表征天线辐射方向图某一剖面的波束宽度，根据不同的归一化辐射强度所对应的方位角，定义下述波束宽度：半功率波束宽度（HPBW），是主波束为峰值一半的点。半功率波束宽度也常用作天线的分辨力的量度。

10dB主瓣宽度，是主瓣最大辐射方向两侧的两个十分之一功率点的矢径之间的夹角。 第一零点之间的波束宽度，此值表示主瓣的总宽度。 ④方向性系数

在某个给定方向

它是这个方向上的归一化辐射强度与4π空间内归一??,??天线的方向性系数用D??,??表示，

化辐射强度平均值的比值：D?,????Fn??,??14????Fn??,??d?4

⑤有效面积

天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。

⑥辐射效率 它表征表征天线能否有效地转换能量，定义为天线的辐射功率P0与输入到天线上的功率(输入功率) Pt之比：?l?P0P0 式中的Pl表示天线的总损耗功率。通常，发射天线的损耗功率包括：天线导?PtP0?Pl体中的热损耗、介质材料的损耗、天线附近物体的感应损耗等。

⑦增益 在某一规定方向上天线增益G耗各向同性天线辐射功率密度Sri的比值：G窄的角度范围的能力。

（2）雷达方程 雷达方程的推导：

?当雷达发射机的发射功率为Pt，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到的能量为Por???,??的定义是被测天线辐射的功率密度Sr??,??与相同供电功率下无

??,???Sr??,?? 天线增益用来描述一副天线将能量聚集于一个SriPtGt 24?R ?地物目标在获得这一能量后向雷达天线方向再反射回去（这里未计入大气衰减的影响），如果其有效的反向散射面积为σ，则它向雷达天线反射的总的回波功率为Poe?PtGt? 24?Rt ?回波同样是球面波，只不过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Prr?PtGt1 ?224?Rt4?RrPtGt1?Ar 接收天线224?Rt4?Rr ?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Pr?增益与接收天线有效面积和波长的关系为Gr?4?Ar?2

所以，有Pr?PtGtGr?2?4??RtRr322? 这称之为雷达方程，它描述了雷达发射机发射雷达波束后由地物目标反

向散射，雷达接收天线所接收到的回波功率。

一般雷达方程

第三章 微波图像的特点

1、雷达系统的工作参数有：雷达波长或频率、极化方式、视角、俯角、入射角、照射带宽、雷达视向与地物走向、地距显示与斜距显示、升降轨、飞行高度。

图像质量参数：

空间分辨率是指雷达图像上可区分的两个地物目标的最小距离，它包括方位分辨率和距离分辨率。 灰度分辨率是可以分辨出两个地物目标的最小灰度对比度。在区分各类地物时，通常是区分其平均灰度值，即以其平均回波功率作为识别依据，所以灰度分辨率常指可以区分的平均回波功率的最小差值。

体分辨率：Rv??g?aRg

?? 几何精度：三个重要方程 距离方程 R?Rs?Rt?ct2?

多普勒方程 fd?2?R(Vs?Vt)(Rs?Rt)

???Xt2?Yt2 椭球方程 ?2(Re?h)Zt2[(1?1?1

f)(Re?h)]22、 斜距显示的近距离压缩

一般规律：在斜距影像上，相同长度的地物目标，近距端的目标比远距端的目标的影像短，近距离端被压缩。 这导致图像比例尺从近距端到远距端是变化的，近距端图像比例尺小，远距端图像比例尺大。 透视收缩

在雷达图像上，所量得的山坡长度按比例尺换算后总比实际长度要短，称透视收缩。产生：透视收缩是在影像中斜面的长度被缩短，当波束与入射面垂直时，透视收缩最严重。其规律是：（1）透视收缩现象仅发生在距离向（2）透视收缩是入射角的函数，入射角越小，透视收缩现象越严重。

叠掩（顶底位移）

由于坡度大，雷达波束先到坡顶，最后到坡底，因而所显示的影像上顶部与底部是颠倒显示的。叠掩处的幅度影像亮度一般都很高。产生的必要条件：（1）当雷达波束的俯角与山坡坡度角之和大于90度时，才会出现叠掩。（2）叠掩多出现在近距端。

雷达阴影

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