2013微波遥感课件

1第七章微波遥感1概述2侧视雷达系统的工作原理3合成孔径雷达（SAR）4侧视雷达图象的几何特征5侧视雷达图象的信息特点6微波传感器及其遥感平台7.1概述一.微波遥感分类被动微波遥感、主动微波遥感被动微波遥感信号来源：系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射微波辐射（用亮温表示）。典型传感器：传感器一般为微波辐射计，辐射精度目前约1K，空间分辨率一般都在公里级(卫星遥感)或米级(航空遥感)。微波：在电磁波谱中，波长在1mm～1m的波段范围称微波。微波遥感：指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，通过判读处理来识别地物的技术。主动微波遥感信号来源：系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波。构成：一部发射机，一部接收机，通常共用一幅天线。典型传感器：高度计、散射计和成像雷达。高度计和散射计的空间分辨率较粗。二.微波遥感波段300MHz到300GHz（波长从1mm到1m）被无线电界划分为：甚高频(VHF)、特高频（UHF）、超高频（SHF）和极高频（EHF）。•地球资源应用中的常用波段：X,C，L•波长增加，穿透能力增加。•在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。•波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用到了机载天气探测雷达系统）7常用微波波段Ka,K,andKubands:veryshortwavelengthsusedinearlyairborneradarsystemsbutuncommontoday.X-band:usedextensivelyonairbornesystemsformilitaryreconnaissanceandterrainmapping.C-band:commononmanyairborneresearchsystems(CCRSConvair-580andNASAAirSAR)andspacebornesystems(includingERS-1and2andRADARSAT).S-band:usedonboardtheRussianALMAZsatellite.L-band:usedonboardAmericanSEASATandJapaneseJERS-1satellitesandNASAairbornesystem.P-band:longestradarwavelengths,usedonNASAexperimentalairborneresearchsystem.8被动与主动遥感9微波遥感的特点1.具有穿云透雾的能力2.可以全天候工作3.对地表面的穿透能力较强4.具有某些独特的探测能力(海洋参数、土壤水分、地下测量)10微波辐射的特征（电磁波）特性：叠加：当两个或两个以上的波在空间传播时,如果在某点相遇,则该点的振动是各个波独立引起该点振动时的叠加。相干性：当两个或两个以上的波在空间传播，它们的频率相同，振动方向相同，振动位相差是一个常数时。这时叠加后合成波的振幅是各个波振幅的矢量和，这种现象称为干涉。两波相干时，在交叠的位置，相位相同的地方，振动加强，相位相反的地方振动抵消,其他位置均有不同程度的减弱。当两束微波相干时，在微波雷达图像上会出现颗粒状或斑点状特征。11衍射：电磁波传播过程中，如果遇到不能透过的有限直径的物体，会出现传播的绕行现象，即一部分辐射没有遵循直线传播的规律而绕到障碍物的后面，这种改变传播方向的现象称为衍射。微波传播时会发生衍射现象。极化（偏振性）：电磁波传播是电场和磁场交替变化的过程，且它们的方向相互垂直。电场常用矢量表示，矢量必定在与传播方向垂直的平面内。矢量所指的方向可能随时间变化，也可能不随时间变化。微波辐射的特征12微波辐射的特征极化：当电场矢量的方向不随时间变化时，称为线极化；线极化分为：水平极化和垂直极化水平极化：电场矢量与雷达波束入射面垂直，记作H垂直极化：电场矢量与雷达波束入射面平行，记作V。雷达波遇目标平面而反射，其极化状况在反射时会发生改变。若发射和接收的电磁波同为水平状况，则得到同极化图象HH；若同为垂直状况，则得到同极化图象VV；发射H，接收V，得到交叉极化图象HV；发射V，接收H，得到交叉极化图象VH；13极化14微波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。根据发射波和接收波间的时间差，测出距离。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微波辐射计、侧视雷达、合成孔径雷达15微波传感器1.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亮度温度图像。由于地面物体都具有发射微波的能力,其发射强度与自身的亮度温度有关。通过扫描接收这些信号并换算成对应的亮度温度图,对地面物体状况的探测很有意义。属被动遥感162.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行方向垂直的侧面,发射一个窄的被束,覆盖地面上这一侧面的一个条带,然后接收在这一条带上地物的反射波,从而形成一个图像带。随着飞行器前进,不断地发射这种脉冲波束,又不断地接收回波,从而形成一幅一幅的雷达图像。雷达成像的基本条件：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也同时出现时间差，才有可能区分目标的不同部位。微波传感器173.合成孔径雷达合成孔径雷达与侧视雷达类似,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。所不同的是将发射和接收天线分成许多小单元,每一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。目的：提高图象在飞行方向的分辨率。微波传感器18微波遥感概述侧视雷达系统的工作原理合成孔径雷达（SAR）侧视雷达图象的几何特征侧视雷达图象的信息特点微波传感器及其遥感平台19雷达发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回来的信号再被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间不同。侧视雷达工作原理电磁波在空间中的传播速度c是一定的,当雷达在时间t1发射出一个窄脉冲,被目标反射后,在时间t2返回,则目标地物的距离为:(t2-t1)*c/220transmittedpulsebackscatteredpulseantennaTransmitterDuplexer?sendsandreceivesPulseGeneratorCRTDisplayorDigitalRecorderReceiverb.a.antennaSide-lookingAirborneRADAR(SLAR)System21微波传播示意图22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.侧视雷达工作原理(真实孔径雷达)23A：飞行方向；B：天底nadirE：方位向azimuthflightdirection；D：距离向lookdirection；C：扫描宽度有关术语24A入射角incidenceangle;B视角;C斜距Slantdistance;D地距Grounddistance;有关术语25A:近射程（nearrange）;B:远射程（farrange）有关术语2627距离分辨率与方位分辨率在侧视方向的分辨率—距离分辨率rp=c/2sin脉冲持续期（脉冲宽度），视角，c光速越大（俯角（90-）越小），rp越小，分辨率越高即：距离越近，距离向分辨率越低理论上讲,斜距分辨率等于脉冲宽度的一半28距离分辨率与方位分辨率29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—方位分辨率，沿迹分辨率ra=*R波束宽度，R天线到该像元的倾斜距离=/D,波长，D天线长度ra=(/D)*R天线越长，ra越小，方位分辨率越高距离分辨率与方位分辨率30ββ=λ/D31RARSARAzimuthresolution：RxλRa=_____DTogethigherazimuthresolution,λ↓，R↓，D↑eg.λ=3cm,D=4m,S=200kmRa=1.5kmOtherwise,Ra=3m,D=2000m(imposible!!!)两种方法解决这一问题：1）采用脉冲压缩技术，缩短发射波长2）用合成孔径天线来代替真实孔径天线，以缩短天线孔径。32合成孔径雷达合成孔径雷达（SAR，SyntheticApertureRadar）,也是侧视雷达。基本原理：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33合成孔径雷达原理34合成孔径雷达原理理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹方向的分辨率为：ra=D/2D为天线长度遥感导论page7835微波遥感概述侧视雷达系统的工作原理合成孔径雷达（SAR）侧视雷达图象的几何特征侧视雷达图象的信息特点微波传感器及其遥感平台36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。斜距图象、地距图象37雷达图象变形：距离向38地距图象与斜距图象39上图：左侧地物压缩下图：恢复（地距图象）距离向变形40地形畸变透视收缩（foreshortening）：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。叠掩(Layover)：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；收缩度：坡顶的收缩度比坡底大阴影(Shadow)：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4142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；坡底的收缩度比坡顶大；山坡的坡度越大，收缩量越大。43透视收缩Thefigureaboveshowsaradarimageofsteepmountainousterrainwithsevereforeshorteningeffects.Theforeshortenedslopesappearasbrightfeaturesontheimage.44a.b.C-bandERS-1depressionangle=67?lookangle=23?L-bandJERS-1depressionangle=54?lookangle=36?lookdirectionc.d.X-bandAerialPhotographlookdirectionN透视收缩45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46叠掩47L-bandSIR-C(HH)July20,1995lookdirectionNPasadena叠掩Layoverismostsevereforsmallincidenceangles,atthenearrangeofaswath,andinmountainousterrain.48阴影49阴影50ShuttleImagingRadar(SIR-C)ImageofMaui51与光学图象比较5253a.b.lookdirectionX-band,HHpolarizationlookdirectionsX-band,HHpolarizationLookDirection54微波遥感概述侧视雷达系统的工作原理合成孔径雷达（SAR）侧视雷达图象的几何特征侧视雷达图象的