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轉(zhuǎn)載：微波遙感16講--南師大教案
本講內(nèi)容概述 （1）概述 （2）雷達遙感原理 （3）側(cè)視雷達成像系統(tǒng) （4）雷達回波強度的影響因素 （5）雷達遙感及雷達圖像的特征 3、本講內(nèi)容 3.1 概述 ● 物體的微波反射、發(fā)射與它們的可見光或熱紅外的反射、發(fā)射無直接關(guān)系。一般說來，微波響應(yīng)給人們一個完全不同于光和熱的視角去觀察世界。 ● 微波波長范圍為1mm~1m（300GHz~300MHz），實質(zhì)上是屬于無線電波范圍的一種電磁波。 ● 微波遙感波段： 微波遙感器的分類 3.2雷達遙感原理 ● 微波與目標的相互作用，可以測量目標的后向散射特性、多普勒效應(yīng)、偏振特性等，還可以反演目標的物理特性(介電常數(shù)、濕度等)，及幾何特性(目標大小、形狀、結(jié)構(gòu)、粗糙度等)多種有用信息。 （1）微波的散射 1） 表面散射 自然表面可以分解為一系列平面元，其中有小尺度的幾何形狀——即粗糙度。 在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的。若表面是光滑的，入射的能量與表面相互作用后形成兩束平面波，一束為表面向上的反射波。它與法線的夾角與入射角相同，方向相反(即鏡面反射)：另一束為表面向下的折射波或透射波。若表面是粗糙的，入射的能量與表面相互作用后，再輻射而射向各個方向，成為散射場(即漫反射）。 2） 體散射 體散射指在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的散射，為經(jīng)多次散射后所產(chǎn)生的總有效散射。當(dāng)介質(zhì)不均勻，或不同介質(zhì)混合的情況下，往往發(fā)生體散射。如，降雨(屬多個散射體分布)、土壤或積雪內(nèi)部、植被等。 3） 散射截面與散射系數(shù) 散射截面——一個可與目標等效的各向同性反射體的截面積，它對入射電磁波的反射功率能相等于實際目標的散射功率； 散射系數(shù) ——在給定方向上單位立體角內(nèi)，單位散射體積對入射電磁波單位能流密度的散射功率。它是入射電磁波與地面目標相互作用結(jié)果的度量； 后向散射——沿電磁波入射方向返回的散射； 后向散射截面——入射方向的散射截面。 （2）雷達方程 式中，Wr為接收功率；Wt為發(fā)射功率；G為天線增益；R為目標離雷達的距離；σ為目標的雷達散射截面；Ar為接收天線孔徑的有效面積；Ar＝Gλ2/4π。 則得 ，此式是針對點目標而言，對于面目標σ=σ0A，則面目標的回波效率，用積分表示為： 式中，σ0為后向散射系數(shù)；A為雷達波束照射面積；若目標為散射體，則σ0為單位體積的散射截面，A則對應(yīng)輔照體內(nèi)的體積分。 從雷達方程可知，當(dāng)雷達系數(shù)參數(shù)(Wt,G, λ)及雷達與目標距離(R)確定后，雷達天線接收的回波功率(Wr)與后向散射系數(shù)(σ0)直接有關(guān)。 （3）多普勒效應(yīng) (Doppler) “多普勒效應(yīng)”指由觀察者和輻射源(或目標與傳感器)的相對運動，而引起的電磁發(fā)射頻率與回波頻率的變化。 對于成像雷達而言，飛行器與地面相對運動，由于多普勒效應(yīng)，雷達的發(fā)射頻率r，到達地面時已改變?yōu)閞’，其差△r＝r’－r，稱為多普勒頻移。若兩者距離縮小則△r ＞0：若兩者距離增加，則△r ＜0。最終傳感器所接收的回波頻率，已是又經(jīng)過1次多普勒頻移的r〞了。 其關(guān)系可用下式表達： 式中，u為輻射源和觀察者之間的相對速度；c為光速，即電磁輻射速度； θ為輻射源與觀察者間連線與運動方向的夾角。 盡管對于飛機或空間飛行器的運動速度來說，此頻率的改變是很小的，但它對遙感是有用的。遙感利用多普勒效應(yīng)，可以觀測目標的運動，得到地表物體的信息，并可以通過外差技術(shù)測出和區(qū)分多普勒頻移，以避免產(chǎn)生圖像模糊，確保獲得高分辨率的雷達圖像。 3.3側(cè)視雷達成像系統(tǒng) ● 雷達（RADAR）一詞是取自 Radio Detection and Ranging （無線電探測和測距）的縮寫詞，它不僅能探測，而且能測距。 機載側(cè)視雷達 星載側(cè)視雷達 側(cè)視成像雷達是一種主動微波遙感系統(tǒng)。它是測量目標物對雷達波束后向散射回波強度的成像設(shè)備。 以機載側(cè)視雷達為例，一個雷達成像系統(tǒng)，基本包含發(fā)射器、雷達天線、接收器、記錄器等四個部分。 由脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生高功率調(diào)頻信號(即電磁波計時脈沖)：經(jīng)發(fā)射器，以一定的時間間隔， (脈沖長度)反復(fù)發(fā)射具有特定波長的微波脈沖； 通過發(fā)射天線向飛行器的一側(cè)沿扇狀波束寬度發(fā)射雷達信號照射與飛行方向垂直的狹長地面條帶：借助于發(fā)射／接收轉(zhuǎn)換開關(guān) (它使天線處于發(fā)射／接收輪換工作狀態(tài))，再通過天線接收地面返回的能量； 接收器將接收的能量處理成一種振幅／時間視頻信號：這種信號再通過膠片記錄儀產(chǎn)生圖像。一種是直接掃描得圖像產(chǎn)品；另一種是數(shù)字膠片經(jīng)過光學(xué)相干處理器進行數(shù)／模變換的成像處理而成雷達圖像； 雷達天線隨飛行器前進，發(fā)出的波束依次向前掃描(航向掃描)，天線發(fā)出的能量脈沖指向飛行器的一側(cè)(距離向掃描)。側(cè)視成像雷達就是以這種連續(xù)帶狀形式對地表進行二維掃描，逐行成像。 側(cè)視雷達的運作 ● 雷達與目標的距離(斜距)，可通過發(fā)射脈沖到接收回波的時間(行程時間J／2)與電磁波傳播速度(C)的乘積，即斜距：CJ／2，所以側(cè)視雷達系統(tǒng)又是個測距系統(tǒng)。 3.4 雷達回波強度的影響因素 ● 雷達回波強度，即雷達圖像上各種地物的灰度值——圖像密度(輻射的亮度溫度值)，受到雷達遙感系統(tǒng)參數(shù)(波長、俯角、極化方式等)以及地表物理性質(zhì)(復(fù)介電常數(shù)、坡度、表面粗糙度等)的影響。 （1）雷達遙感系統(tǒng)參數(shù) 1） 波長(頻率) 從雷達方程可知，雷達回波強度與入射波長直接相關(guān)。同時，雷達遙感系統(tǒng)所選擇的波長長短，決定了表面粗糙度的大小以及入射波穿透深度的能力，也直接影響到雷達回波的強弱。 2） 俯角和照射帶寬度 俯角α或入射角θ與后向散射強度密切相關(guān)，構(gòu)成一個立于地面的橢球體， θ→小(或α→大)，則回波強度I→大； 雷達波束照射的地面寬度稱為照射帶寬度。圖像的近距點對應(yīng)波束的俯角大，回波強度大;遠距點對應(yīng)于波束的俯角小，回波強度小。同一目標處于雷達波束的不同俯角區(qū)時，其回波大小可能不同，在雷達圖像上的表現(xiàn)也可能很不同。因而，多視向(視角)是豐富雷達遙感資料的一種重要手段。 3） 極化方式 雷達發(fā)射的能量脈沖的電場矢量，可以在垂直或水平面內(nèi)被偏振。若雷達波的偏振(電場矢量)方向垂直于入射面為水平極化(H)、平行于入射面為垂直極化(V)。大多數(shù)返回天線的能量脈沖與發(fā)射脈沖的偏振方向相同。雷達波的能量與地表相互作用，有一部分被“去偏振”。有些雷達系統(tǒng)具有第二天線專門接收與發(fā)射方向成直角振動的去偏振能量，因而獲得交叉極化的圖像。雷達遙感系統(tǒng)常用四種極化方式———HH、VV、HV、VH。前兩者為同向極化，后兩者為異向(交叉)極化。 雷達系統(tǒng)的極化方式，影響到回波強度和對不同方位信息的表現(xiàn)能力，致使圖像之間產(chǎn)生差異；因而，可以利用不同極化方式圖像的差異，更好地觀測和確定目標的特性和結(jié)構(gòu)，提高圖像的識別能力和精度。 4） 雷達系統(tǒng)類型 ● 成像雷達系統(tǒng)可分為 真實孔徑雷達(RAR—Real Aperture Radar) 合成孔徑雷達 (SAR—Synthetic Aperture Radar) （2）地面目標特性 1） 復(fù)介電常數(shù) 物質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)也影響其與電磁能量的相互作用，這種特性一般以復(fù)介電常數(shù)表示。物體的復(fù)介電常數(shù)e反映本身的電學(xué)性質(zhì)，它是由物質(zhì)組成及濕度決定的 。 介電常數(shù)ε越大，回波強度I越強，雷達圖像上色調(diào)越淺。例如金屬的ε大，呈淺色：基巖的ε大干沙丘的ε ，因而在雷達圖像上，基巖較沙、沙丘色淺；水的ε較大(約80分貝)，呈淺色，但若呈鏡面反射則雷達天線接收不到回波而呈黑色。 2） 地形坡度 首先，地形坡度影響到雷達波束的入射角θ，從而影響雷達回波強度。一般說來，斜坡較平地或陡坡的入射角小，回波強度大。 其次，地形坡度產(chǎn)生陰影效果，增強了圖像的表面形狀 。 3） 表面粗糙度 表面粗糙度對雷達回波有明顯反映，它可使雷達回波有40分貝的變化。 瑞利準則將粗糙度遠小于入射電磁波波長(h＜＜λ)的物體表面定義為光滑表面；而將粗糙度明顯大于入射電磁波波長(h＞＞ λ)的物體表面定義為粗糙表面。前者呈鏡面反射特征，雷達天線幾乎不接收回波，圖像色調(diào)暗：后者產(chǎn)生各方向的散射(即漫反射），雷達回波增大，圖像色調(diào)淺，由于回波幅度具有隨機性，圖像呈現(xiàn)一系列亮度不一的光斑。 3.5雷達遙感及雷達圖像的特征 （1）全天時、全天候工作 ● 雷達系統(tǒng)是主動遙感。它不依賴于太陽光，而是利用它自身發(fā)射的電磁波。因此，與太陽照射無關(guān)，可以晝夜全天時的工作。 ● 根據(jù)瑞利散射原理，散射波的強度與波長的四次方成反比．微波的波長比VIR—IR波長要長得多，則它的散射要比VIR—IR波段小得多。也就是說，微波對大氣的散射很小，只要不處于大氣共振吸收波段(20GHz和60GHz附近為水汽和氧分子的吸收諧振帶)，大氣對微波傳輸?shù)挠绊懣梢院雎圆挥�。因而，微波能夠穿過濃厚的云層和一定程度的雨區(qū)，在任何氣候條件下，全天候的工作。 （2）高空間分辨率 雷達遙感可以獲得高分辨率的雷達圖像。這是因為 ： 1)雷達是以時間序列來記錄數(shù)據(jù)，而不象相機、光機掃描儀是根據(jù)多波長透鏡的角距離來記錄數(shù)據(jù)。成像雷達由于反射和接收信號的時延正比于到目標的距離，因此只要精確地分辨回波信號的時間關(guān)系，即使長距離也能夠獲得高分辨率的雷達圖像。 2)地物目標對微波的散射性能好，而地球表面自身的微波輻射能小。這種微弱的微波輻射，對雷達系統(tǒng)發(fā)射出的雷達波束及回波散射干擾小。 3)除了個別特定頻率的水汽和氧分子的吸收外，微波對大氣的吸收與散射均較小，通過大氣的衰減量小，長距離也易于獲得高分辨率的圖像。 （3）雷達信號的穿透能力 (penetration) ● 微波除了能穿云破霧以外，對一些地物(介質(zhì))——如巖石、土壤、松散沉積物、 植被、冰層等，有穿透一定深度的能力。因此，它不僅反映地球表面的信息，還【轉(zhuǎn)載：微波遙感16講--南師大教案】相關(guān)文章：
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