51极化SAR原理与应用

5极化SAR原理与应用2012-12-18回顾-InSAR原理与应用22012-12-18复数影像匹配干涉图生成与滤波数据要求应用1InSAR技术与应用2D-InSAR技术与应用3PS-InSAR技术与应用4InSAR技术研究进展相位解缠新方法主要内容32012-12-18§5.1极化SAR基本理论§5.2极化目标分解§5.3极化SAR信息提取§5.4极化SAR技术研究进展5.1极化SAR基本理论2012-12-181极化SAR简介2电磁波极化特性及其描述3目标极化散射特性的描述主要内容52012-12-18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，称为电磁波的偏振62012-12-18什么是“极化”？微波偏振与极化PolarizationEHZE线极化HZE椭圆极化HZE圆极化HZ极化即电场振动方向的变化趋势，是电磁波的固有属性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72012-12-18电磁波椭圆极化示意图82012-12-18•对于一平面电磁（EM）波，极化是指在垂直于传播方向的平面内电场矢量的轨迹•极化描述了电场矢量末端轨迹的方向和形状极化PolarizationofMicrowave水平极化：电场矢量与入射面垂直垂直极化：电场矢量与入射面平行EHZ垂直极化目标入射平面92012-12-18同极化HH/VV交叉极化HV/VH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102012-12-18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112012-12-18交叉极化微波发送与接收的极化控制122012-12-18•依据发射/接收的极化不同，可以有四种组合：HH/VV/HV/VH•与地表发生作用后，电磁波的极化状态可能改变•后向散射通常为两种极化的混合•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极化特性132012-12-18雷达发射的电磁波在目标表面感应电流而进行辐射，从而产生散射电磁波。散射波的性质不同于入射波的性质，这是由于目标对入射电磁波的调制效应所致。这种调制效应由目标本身的物理结构特性决定，不同目标对相同入射波具有不同的调制特性目标在电磁波照射下，存在着变极化效应。也就是说，目标散射场的极化取决于入射场的极化，但通常与入射电磁波的极化不一致，目标对入射电磁波有着特定的极化变换作用，其变换关系由入射波的频率、目标形状、尺寸、结构和取向等因素决定极化SAR原理142012-12-18极化SAR的特点极化信息包含于介质的后向散射波中，与介质的特性高度相关几何结构、形状和方向；湿度、粗糙度等地球物理属性，等……152012-12-18ERS-2VVRADARSATHHAvon-Severnconfluence英格兰西南部埃文河与塞汶河交汇处极化SAR图像162012-12-18稻田HH和VV极化SAR图像172012-12-18182012-12-18某一日期的稻田制图Illustrationofhowdifferentpolarizations(HH,VV,HV&colourcomposite)bringoutdifferentfeaturesinanagriculturalsceneHHVVHVHHVVHV192012-12-1820光学影像极化RGB合成极化SAR图像2012-12-18极化SAR图像212012-12-18极化SAR图像|VV||VV||HV||HH|GoogleEarth222012-12-18232012-12-18极化的选择常见的SAR系统为单极化，HH或VV研究和发展的趋势，多极化，全极化HH/HV/VH/VV多极化有助于区分散射表面的物理结构：散射随机性（植被体散射HV）角结构（HH，VV相位角）Brag散射（海洋，VV）242012-12-18全极化的优势可以得到每个像素的散射矩阵，Stokes矩阵和极化信号综合多极化信息的分类可视化人工解译和自动分类由散射矩阵可以合成任意极化：研究不同地表的散射特性优化极化，最佳探测能力极化SAR对地观测应用252012-12-18262012-12-18极化SAR对地观测应用27电磁波极化特性及其描述平面电磁波的电矢量在直角坐标系中可以分解为水平和垂直两个分量，而这两个分量之间的相对关系就构成了平面电磁波的极化方式通常可以用极化椭圆、Poincare球和Stokes向量来描述平面电磁波的极化状态极化的描述282012-12-182900cos,cos0xxyyEwtkzEztEwtkz时域电场矢量极化椭圆由麦克斯韦方程，可求出平面波的解：2222200002cossinxyyxxxyyEEEEEEEE极化椭圆方程其中，yx极化椭圆302012-12-18椭圆倾角，椭圆率角，2244其中极化椭圆312012-12-18x2200xyAEE002200tan22cosxyxyEEEE002200sin22sinxyxyEEEE振幅绝对相位椭圆倾角椭圆率角几何参数视线方向：波的传播方向逆时针旋转顺时针旋转椭圆率角：0044椭圆率角：322012-12-18极化的旋向水平极化垂直极化线极化正交线极化332012-12-18左旋圆极化右旋圆极化椭圆极化正交椭圆极化342012-12-1800cos,cos0xxyyEwtkzEztEwtkz00xyjxjyEeEEe时域电磁波Jones矢量352012-12-18注意：Jones矢量只适用于完全极化波JONES矢量362012-12-18JONES矢量(a)完全极化波(b)部分极化波(c)非极化波理想单色完全极化电磁波是不随时间而变化的，在实际情况中，一个辐射源产生的电磁波不可能是单色的，而是由一定的带宽（色散），电磁波的参量也不是常量，而是一些时间或空间的函数电场矢量的端点在传播空间给定点处描绘出的轨迹也不再是一个非时变的椭圆，而是一条形状和方向都随时间变化的类似于椭圆的曲线，这种电磁波即为部分极化波前面讨论的都是完全极化波，即波的两个正交极化分量的振幅和它们之间的相位差是常数。对于不满足上述条件的电磁波称为部分极化波，GeorgeStokes在部分极化(准单色光)的研究，曾于1852年引入了表征一个波的振幅和极化的四个参数，称为Stokes参数GeorgeGabrielStokes,1819-1903,wasaMathematicalPhysicistborninScreen,IrelandandbecameaprofessoratCambridgeUniversity.STOKES矢量372012-12-1838Jones矢量Stokes矢量椭圆倾角和椭圆率角STOKES矢量39水平极化垂直极化线极化正交线极化40左旋圆极化右旋圆极化椭圆极化正交椭圆极化Stokes矢量波的总强度极化波的强度可以看做半径为的球412012-12-18POINCARE球422012-12-18POINCARE球对于完全极化波对于部分极化波≥可以用Poincare极化球来描述电磁波的所有极化状态。任意极化状态都可以在Poincare球上找到对应的一点PP点的经度角和纬度角分别对应极化椭圆倾角、椭圆率角的两倍由于椭率角的符号代表极化椭圆的方向性，所以Poincare球的上半部分代表左极化，下半部分代表右极化。Poincare球赤道上的点表示线性极化，而在南北两个极点位置上的点分别代表右、左圆极化Poincare球的半径大小则代表电磁波的传输功率大小POINCARE球432012-12-18目标极化散射特性的描述442012-12-1845散射坐标系前向散射坐标系统46后向散射坐标系统散射坐标系47单站散射坐标系统散射坐标系481.FSA较适合解决粒子或者非均匀介质的双基站散射问题2.BSA较适合与解决给定目标或介质的雷达后向散射问题3.目前大多数SAR系统都是单基站系统，采用MSA注意49极化散射矩阵Sinclair矩阵502*2复散射矩阵极化散射矩阵给出了入射波Jones矢量与反射波Jones矢量间的关系51双基站情况散射矩阵或者Jones矩阵单基站情况后向散射矩阵或者Sinclair矩阵互易性定理MSA坐标系统极化散射矩阵52互易性定理极化散射矩阵Pauli矢量化典排序矢量化更接近地物的散射物理属性直接与系统的测量值相关极化相干矩阵极化协方差矩阵5354Stokes矩阵与Mueller矩阵不同点Mueller矩阵将入射场与散射场的Stokes矢量联系起来，描述了目标对于入射波的变极化效应而Stokes矩阵则用于给出雷达接收功率，它反映了雷达接收功率与收发天线极化间的依赖关系分别由不同的雷达基本方程（即极化散射方程和电压方程）导出，描述了同一个电磁散射过程的两个不同的方面此外，在BSA条件下，Stokes矩阵永远是对称的，而Mueller矩阵可以是非对称的相同点无论是对确定性目标，还是对分布式目标，其Stokes矩阵与Mueller矩阵都是相互联系的事实上，两者是可以互推的，这意味着这两个矩阵所包含的关于目标电磁散射特性信息是完全相同的Stokes矩阵与Mueller矩阵不确定性散射体不确定性散射体确定性散射体，即可以由单个散射矩阵[S]或散射矢量来描述散射过程的散射体而在遥感应用中，纯粹的确定性散射体的假设是不成立的。对于SAR应用来说，像元尺寸要大于波长，即在单个像元内所记录的信息包含多个具有一定空间分布的散射中心，每个散射中心可以用一散射矩阵来描述因此，一个分辨单元的测量值[S]是该分辨单元内所有散射中心的矩阵的相干叠加的结果。为了处理统计散射效应和分析局部散射体，引入散射协方差矩阵和相干矩阵极化协方差矩阵当极化散射矩阵S为对称阵时，C为哈密特矩阵(HermitianMatrix)协方差矩阵完整地描述了两个正交极化通道之间的所有组合关系，协方差矩阵同极化散射矩阵直接统计相关在数理统计意义上，它是目标散射随机变量的集合平均，而在实际应用中，一般都采用时间平均代替集合平均的近似方法，即将连续分布的若干个散射单元进行空间平均，实质上是一种多视平均的方法，它有利于抑制SAR系统的相干斑噪声，但同时也降低了图像的分辨率散射体描述692012-12-18小结1极化SAR简介2电磁波极化特性及其描述3目标极化散射特性的描述作业：为了理解和分析地物极化特性，常用的极化目标分解的方法有那些？