微波遙感講課演示文稿-12-1

微波遙感MICROWAVEREMOTESENSINGPARTISEASATSIR-ASIR-BSIR-CERS-1ERS-2JERS-1RADARSATENVISATALOS??????我國(guó)發(fā)射環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座2+2包括兩顆雷達(dá)衛(wèi)星微波遙感空前發(fā)展全天時(shí)全天候一定的穿透能力提供特殊信息

海面形狀,海面風(fēng)速,土壤水分提供相位信息

高程信息,地形形變信息波長(zhǎng)與頻率

c=f*l=3*108米/秒

1mm——300GHz1m——0.3GHz主動(dòng)與被動(dòng)工作方式

成像雷達(dá)與微波輻射計(jì)不利之處影像幾何變形大,處理困難不易解譯與可見(jiàn)光紅外影像在幾何上很難一致尤其雷達(dá)影像電磁波基本特征疊加

兩波相遇點(diǎn)上的物理量等于各個(gè)波的物理量之和相干性

兩波相遇時(shí)的特殊情況(相位/相位差/頻率/振動(dòng)方向相同)相干波矢量和非相干波代數(shù)和單色波都是相干波衍射波與某些物體相遇時(shí)的情況極化

(偏振)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)振動(dòng)方向的變化趨勢(shì)參考平面——入射波方向和地表法線方向水平極化(振動(dòng)方向與參考平面垂直)垂直極化四種極化方式多普勒效應(yīng)

發(fā)出時(shí)頻率f接收時(shí)f′目標(biāo)朝向f′>f背離f′<f目標(biāo)與接收天線的連線垂直于飛行方向f′=f輻射原理物質(zhì)內(nèi)部微粒在平衡位置上運(yùn)動(dòng)能量E=h*v(h為普朗克常數(shù)，v為頻率)基態(tài)——>激發(fā)態(tài)——>基態(tài)+能量釋放(輻射)外來(lái)能量ΔE=h*v'

黑體與電磁輻射定律普朗克公式隨波長(zhǎng)不同的輻射變化斯蒂芬——玻耳茲曼定律某一溫度狀態(tài)下的輻射總和(普朗克公式的積分)2π5k4W=—————T4=σT4

15c2h3

維恩定律輻射溫度越高輻射量最大值所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)越短(普朗克公式的微分)瑞利——金斯公式(普朗克公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)的表現(xiàn)形式)微波與物質(zhì)的相互作用大氣干擾

一般很小主要在毫米波吸收中心波長(zhǎng):氧2.53mm和5.0mm處水1.6mm和13.5mm處散射:小于2.81cm大雨、暴雨時(shí)M為含水量(每M31克)入射電磁波與地表面各類地物的相互作用微波輻射計(jì)吸收發(fā)射成像雷達(dá)反射透射散射反射地表平滑極化方式與入射波相同關(guān)鍵是反射方向散射地表粗糙主要散射分量保持相干特性關(guān)鍵是后向散射一部分為同極化,與入射波極化方式相同一部分為正交極化透射主要在長(zhǎng)波復(fù)介電常數(shù)小較干燥地物結(jié)構(gòu)疏松如沙復(fù)介電常數(shù)大則無(wú)透射如水面、銅折射波的分解TE（水平）TM（垂直）反射系數(shù)表達(dá)式說(shuō)明信號(hào)的不同微分散射系數(shù)（和表面極化發(fā)射率）

入射方向的功率密度S0（θ0Φ0）

地表A接收能量S0A在（θ0Φ0

）方向上的投影面上，接收的能量S0Acosθ0散射方向（θsΦs

）距A為R處的功率密度SS若漫反射在以A為中心，距A為R的球面上的散射能量總和強(qiáng)調(diào)入射方向（接收的信號(hào)主要在后向散射方向）地表A的微分散射系數(shù)在入射方向上單位投影面積內(nèi)的散射率地表A單位面積散射系數(shù)

σ=

cosθ散射截面4πR2SS/S0物理意義:目標(biāo)的散射強(qiáng)度可用一表面面積度量表面極化發(fā)射率

地表A接收的能量=散射出去的能量+吸收的能量（發(fā)射能量）散射率ij

入射極化i散射極化j表面極化發(fā)射率朗伯余弦定律地表散射以地表實(shí)際單位面積散射系數(shù)表示，與入射角余弦和散射角余弦乘積成正比

0為與地表介電特性有關(guān)常量?jī)蛇呁?/p>

(σ=cosθ)從入射場(chǎng)和散射場(chǎng)概念圖出發(fā)，在半球內(nèi)積分，所有方向上相同。

頻率分配非成像雷達(dá)散射計(jì)強(qiáng)度——后向散射系數(shù)即定標(biāo)后的雷達(dá)高度計(jì)與測(cè)距雷達(dá)原理相同無(wú)線電地下探測(cè)器低頻率波束對(duì)于某些地物可穿透成像雷達(dá)微波輻射計(jì)輸出電壓:直流分量——對(duì)應(yīng)輸入功率平均值交流分量——噪聲低頻(高頻已濾)微波輻射計(jì)①具體公式見(jiàn)第五節(jié)②與雷達(dá)中的接收機(jī)不同接收機(jī)噪聲功率必須是高靈敏度（因此必須檢出

即檢出TREC）

雷達(dá)信噪比

>>1b.自然輻射，各波段都有，接收某一波段。雷達(dá)發(fā)射和接收的為單波段。側(cè)視雷達(dá)

短脈沖

信號(hào)之間必須相差一個(gè)脈沖長(zhǎng)度才能分開來(lái)

距離向分辨力

以半個(gè)脈沖長(zhǎng)度計(jì)（脈沖長(zhǎng)度按時(shí)間算）

如米波波寬為10度量級(jí)厘米波波寬為幾度左右考慮雙程，Rs=d/2

雷達(dá)波頻率S波速回波頻率

(不同時(shí)段的相位差）從單位時(shí)間周數(shù)理解

多普勒頻率偏移

對(duì)于同一目標(biāo)的多普勒頻率帶寬

接收到同一目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間由頻率變化一周時(shí)間

（時(shí)間分辨率）

方位向分辨率即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度與頻率變化一周時(shí)間乘積

BA:芭蕉RD:稻茬RC:水稻W(wǎng)T:水體天線天線

輻射方向圖方向(θ,φ)上單位立體角輻射功率發(fā)射、接收皆如此主要方向顯著歸一化輻射方向圖能量大小相對(duì)估計(jì)方向系數(shù)能量分布比例

輻射立體角

單位立體角

dΩ=sinθdθdφ輻射源與距它r

處的球面微分dA所開成的立體角

方向圖立體角

可以理解為按每一個(gè)單位立體角的能量相對(duì)大小加權(quán)和近似表示為

為xz平面內(nèi)半功率寬度

天線有效面積

由波辨角

雷達(dá)方程發(fā)射機(jī)將電磁能供給天線后，天線獲得的總功率為Pt天線將電磁波發(fā)射出去時(shí)，進(jìn)入自由空間的電磁波功率為Po一部分能量Pl在天線中耗散為熱能輻射效率

Poηl=──

Pt天線在某一方向(θ,φ)上的增益G(θ,φ)

Sr(θ,φ)G(θ,φ)=─────Sri

天線輻射的功率密度

=───────────────

無(wú)耗各向同性天線輻射功率密度`無(wú)耗各向同性天線輻射的總功率為Poi=4πr2Sri

實(shí)際天線輻射的總功率由Sr(θ,φ)在半徑為r的球面內(nèi)積分得Po=∫∫Sr(θ,φ)r2

dΩ=r2∫∫Sr(θ,φ)dΩ4π4π(Po=∫∫Sr(θ,φ)dA,dA=r2dΩ)由于Pt=Poi=Po/ηl

，故有(由Po=∫∫Sr(θ,φ)r2dΩ)

PoiPo1Sri=───=────=──∫∫Sr(θ,φ)dΩ4πr24πr2ηl4πηl4π4πηlSr(θ,φ)G(θ,φ)=─────────=ηl·D(θ,φ)∫∫Sr(θ,φ)dΩSr(θ,φ)(由=────)Sr(θ,φ)max天線輻射功率密度Sr

與天線輸入功率Pt的對(duì)應(yīng)關(guān)系

G(θ,φ)Po/r2

Pt

G(θ,φ)Sr(θ,φ)=───────=──────4πηl4πr2

(由G(θ,φ)=Sr(θ,φ)/Sri

Sri=Po/4πr2ηlPt=Poi=Po/ηl)

（考慮到散射回程，用不同字母表示功率）雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率為Wt,天線增益為Gt，地物目標(biāo)在與天線相距R處接收到雷達(dá)球面波，

則在地物目標(biāo)處單位面積上所接收的能量為Wor地物目標(biāo)在獲得能量后向雷達(dá)天線方向再散射回去(這里未計(jì)入大氣衰減的影響、地物穿透、吸收。理想狀態(tài)的分析。)如果其有效的散射面積為σ，那么它的總的散射功率就應(yīng)為

Wt

Gt

Woe=────σ4πR2回波同樣是球面波，是以地物目標(biāo)為中心的球面波。這樣，在雷達(dá)接收天線處單位面積上的回波功率即為

WtGt1

Wrr

=────σ────4πR24πR2如果接收天線的有效面積為Ar，那么接收機(jī)所接收的回波的總功率為:

Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2由最大方向系數(shù)

，考慮無(wú)耗天線

(一般說(shuō)來(lái)，雷達(dá)天線與發(fā)射天線是同一天線，故接收天線增益Gr

與發(fā)射天線增益Gt

是相等的，它們與接收天線有效面積下波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系是∵)所以，有

WtG2λ2σWr=──────(4π)3R4

∵Wt

Gt1

Wr=────σ────Ar4πR24πR2一般用地物單位面積的平均散射系數(shù)σo

(或地物單位面積的散射截面)表達(dá)地物的散射特性如果雷達(dá)波束照射到地物的面積為A，則地物目標(biāo)總的有效散射截面σ為σ=σoA對(duì)于分布目標(biāo)的雷達(dá)方程為

WtG2λ2

Wr=──────σoA(4π)3R4

灰度方程

分辨單元內(nèi)可能是同一地物可能是不同地物或同一地物不同狀態(tài)不同粗糙度的個(gè)體或樣本N個(gè)樣本

隨機(jī)分布的散射中心(即N個(gè)獨(dú)立樣本)于是有

歸一化高斯隨機(jī)變量，即其均值為零，方差為1。

WtG2λ2

Pr=────A(1+Rn/√N(yùn))σo=K(1+Rn/√N(yùn))σo

(4π)3R4

其中

WtG2λ2K=────A

(4π)3R4回波功率的大小由雷