第二章-微波遥感系统教材

遥感信息工程学院潘斌1第二章微波遥感系统2.1非成像微波传感器2.2成像微波传感器2.3天线、雷达方程和灰度方程2.4空间微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌2散射计强度——后向散射系数即定标后的雷达用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可以用于研究极化和波长变化对目标散射特性的影响。多极化多频段一、微波散射计2.1非成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌32.1非成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌42.1非成像微波传感器第二章微波遥感系统二、雷达高度计与测距雷达原理相同低频率波束对于某些地物可穿透三、无线电地下探测器遥感信息工程学院潘斌52.2成像微波传感器第二章微波遥感系统一、侧视雷达遥感信息工程学院潘斌62.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌72.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌82.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌92.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌102.2成像微波传感器第二章微波遥感系统地面可以分辨的两目标最短距离雷达发射的是短脉冲，信号之间必须相差一个脉冲长度才能分开来。距离分辨率与飞机－目标之间的距离无关。与俯角有关与航空摄影相反距离向分辨率遥感信息工程学院潘斌112.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌122.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌132.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌142.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌152.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌16如米波波宽为10度量级厘米波波宽为几度左右2.2成像微波传感器第二章微波遥感系统方位向分辨率d=RRRd遥感信息工程学院潘斌172.2成像微波传感器第二章微波遥感系统二、合成孔径侧视雷达（SAR）遥感信息工程学院潘斌182.2成像微波传感器第二章微波遥感系统合成孔径基本思想是用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号存储下来。存储时必须同时保存接收信号的振幅和相位。遥感信息工程学院潘斌192.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌202.2成像微波传感器第二章微波遥感系统合成孔径雷达方位分辨率S1S2LsLs=SsRRL==sLRRd=SRd遥感信息工程学院潘斌212.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌222.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌232.2成像微波传感器第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌24目标与天线之间的（发射波）距离变化每一位置上记录相位波数12.2成像微波传感器第二章微波遥感系统聚焦处理使得不同位置的相移经过补偿能够进行叠加2ikR2=kTje22iijkRjkRee=22=0TiikRkR遥感信息工程学院潘斌25辐射方向图天线辐射能量的空间分布。通常用两平面方向图来代表天线立体方向图主要方向显著如果发射和接收时辐射方向图是一致的，则称为互易元件2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统一、雷达天线及其参数(,)F遥感信息工程学院潘斌262.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌272.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌28归一化辐射方向图,能量大小相对估计单位为分贝方向系数：天线在该方向上的归一化辐射方向图与辐射方向图在4π立体角内的平均值之比。反映能量分布比例2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统(,)Fmax(,)(,)=(,)nFFF(,)(,)(,)==11(,)44nnnpFFDFd遥感信息工程学院潘斌29辐射立体角单位立体角辐射源与距它r处的球面微分dA所形成的立体角2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌30方向图立体角可以理解为每一个单位立体角的能量相对大小加权和近似表示为为xz平面内半功率宽度2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统4=(,)pnFdpxzyzxz遥感信息工程学院潘斌31天线有效面积由波辨角2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统22=pxzyzAeff=d=d有遥感信息工程学院潘斌32发射机将电磁能供给天线后，天线获得的总功率为Pt天线将电磁波发射出去时，进入自由空间的电磁波功率为Po一部分能量Pl在天线中耗散为热能辐射效率天线在某一方向(θ,φ)上的增益G(θ,φ)天线辐射的功率密度无耗各向同性天线辐射功率密度2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统二、雷达方程与灰度方程(,)(,)=rriSGS=oltPP遥感信息工程学院潘斌33无耗各向同性天线辐射的总功率为实际天线辐射的总功率由Sr(θ,φ)在半径为r的球面内积分得2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统2=4oiriPrS2244=(,)=(,)orrPSrdrSd遥感信息工程学院潘斌34由于故有天线辐射功率密度Sr与天线输入功率Pt的对应关系2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统==otoilPPP221===(,)444oiorirllPPSSdrr4(,)(,)==(,)(,)lrlrSGDSdmax(,),=)(,)rrSS(由D()22(,)(,)(,)==44otrlPGPGrSr2=(,))orPrSd(由遥感信息工程学院潘斌35未计大气衰减、地物穿透、吸收。理想状态的分析。如上式,无耗各向同性,雷达发射机的发射功率为Wt,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的能量为Wor2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统22(,)(,)==44tttrorPGWGSWrR遥感信息工程学院潘斌36地物目标在获得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)，如果其有效的后向散射面积为σ，那么它向雷达天线反射的总的回波功率就应为回波同样是球面波，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2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统2=4ttoeWGWR221=44ttrrWGWRR遥感信息工程学院潘斌37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为:2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统221=44ttrrWGWARR遥感信息工程学院潘斌38由(2-3-24)(2-3-16)考虑无耗天线有一般说来，雷达天线与发射天线是同一天线，故接收天线增益Gr与发射天线增益Gt是相等的，它们与接收天线有效面积下波长λ之间的关系是2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统24==llGDAeff因为22(,)(,)(,)===11(,)44nnpxzyznpFFDAeffFd（）=1l24===rtrAGGG遥感信息工程学院潘斌39所以，有一般用地物单位面积的平均散射系数σo(或地物单位面积的散射截面)表达地物的散射特性，如果雷达波束照射到地物的面积为A，则地物目标总的有效散射截面σ为σ=σoA对于分布目标的雷达方程为2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统2234=(4)trWGWR2234=(4)otrWGWAR遥感信息工程学院潘斌40分辨单元内可能是同一地物可能是不同地物或同一地物不同状态不同粗糙度的个体或样本N个样本随机分布的散射中心(即样本独立样本)于是有归一化高斯随机变量，即其均值为零，方差为1。2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统三、灰度方程=nrrRpwN（1+）遥感信息工程学院潘斌41其中回波功率的大小由雷达接收机视频输出信号强度I表示，即M是接收机的传递函数。转换为胶片密度D，有γ为胶片的传递函数，k为胶片和曝光时间有关的常数2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统2234==(4)ootnnrWGRRPAKNNR（1+）（1+）2234=(4)tWGKAR=MrIP=lglgDIk遥感信息工程学院潘斌42令则这个方程表达了雷达回波功率Pr转换为图像密度的过程，被称为灰度方程。2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统0=lglglglglgnRDMKKN（1+）=lglglgHMKK0=lglgnRDHN（1+）遥感信息工程学院潘斌43以上是以胶片记录为基础进行分析的若不考虑胶片记录,而是视频输出信号基础上的数字信号,则在(2-3-38)后,有其中2.3天线、雷达方程和灰度方程第二章微波遥感系统minmaxmin=255IIDIImin1max2==IIII12()()=5%()()=5%,babaababIIIIIIIIII为输出信号范围遥感信息工程学院潘斌441978年到1998年国际上共5个型号6颗对地观测民用星载雷达卫星美国的Seasat(海洋卫星)前苏联的Almaz(金刚石)卫星日本的JERS(地球资源卫星)欧洲空间局的ERS(欧洲遥感卫星)1号和2号加拿大的Radarsat(雷达卫星)此外，一颗测雨雷达卫星2.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌45美国NASA于1978年6月28日发射装载了三个微波雷达，一个微波辐射计和一个可见光／近红外辐射计运行轨道近圆形，轨道平面与赤道平面交角108°每天绕地球14圈，飞行高度800km2.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统一、海洋卫星雷达遥感信息工程学院潘斌462.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌472.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌482.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌49ALMAZ—1(金刚石1号)卫星由前苏联于1991年3月31日发射上天用于对地观测的一颗卫星第一颗S波段星载SAR系统由于故障原因，10个月后卫星终止工作二、金刚石卫星雷达2.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌502.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌512.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌521992年2月11日地球资源卫星1号(JERS—1)星上装载光学传感器和合成孔径雷达L波段HH极化雷达与太阳同步的轨道高度为568km轨道倾角为97.7°每天绕地球运行15圈三、日本地球资源卫星雷达2.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌532.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌541991年7月16日发射升空主要应用目的是：研究海洋环流、洋流、潮汐及内波传播了解全球风与波浪的关系分析极地冰盖及海冰探测海底地形并监测海面温度进行包括地质、农业、森林、冰川在内的陆地应用研究1995年，ERS-2SAR发射上天两个卫星可以1天或8天的时间间隔对给定地区成像2.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统四、欧洲遥感卫星雷达ERS—1遥感信息工程学院潘斌552.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌562.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌572.4空间微波遥感系统第二章微波遥感系统遥感信息工程学院潘斌58提供冰情和海况信息勘测可再生资源(如农业和林业)和不可再生资源(如地质)监视加拿大多岛屿海和东部沿海有海冰和冰山的水域监测和支援沿海和近海水域内的人类活动对森林资源进行一年一度的调查连续监测加拿大和其它