南京大学国际地球系统科学研究所 遥感物理讲座-6微波辐射与雷达.pptVIP

《遥感物理》课程讲座-6----微波辐射与雷达 田 庆 久 南京大学国际地球系统科学研究所 2005年3月24日 * * --- 南京大学硕士研究生课程--- 内 容 引 言 微波遥感特点 微波雷达遥感器 天线的种类与特性 物体的微波辐射 微波散射 微波的衰减 微波雷达遥感参量 一、引 言 图 雷达方程 图 微波辐射计工作原理 在电磁波谱中，波长在1mm-1 m的波段范围称微波。该范围内又可再分为毫米波、厘米波和分米波。在微波技术上，还可将厘米波分成更窄的波段范围，并用特定的字母表示 。 利用波长约一厘米至数十厘米的微波遥感，可以不受天气的制约而进行全天候观测，这是因为利用了可见光及红外遥感中所没有的优点。 它除能测量观测目标的频率特性、多普勒效应、偏振特性、后向散射特性(表面散射、体散射)外，还可以利用这些数据测定用可见光反红外遥感器难于观测的物理量(如海面风、波向)。 微波遥感是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，经过判读处理来识别地物的技术。它的缺点是数据分析较复杂。 被动方式：微波辐射计、微波散射计、雷达高度计等，而被动方式是以瑞利—金斯辐射定律为基础的。 主动方式： 雷达方程定量表示。其辐射能量到达遥感器的过程如图2所示，可以用辐射传递的理论来说明。 主动式及被动式遥感器都是根据观测目标最佳频带而设计。 能全天候、全天时工作 按瑞利散射原理，散射的强度与λ-4成正比。由于微波的波长比红外波要长得多，因而散射要小得多，所以与红外波相比，在大气中衰减较少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本上不受烟、云、雨、雾的限制。 所以说具有全天候．全天时特点。 对某些地物具有特殊的波谱特征 许多地物间，微波辐射能力差别较大，因而可以较容易地分辨出可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特性。例如，在微波波段中，水的比辐射率为0.4，而冰的比辐射率为0.99，在常温下两者的亮度温度Th相差100K，很容易区别，而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92，两者相差甚微，不易区别。 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透能力 该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下水等。电磁波通过介质时，部分被吸收，强度要衰减。故将电磁波振幅减少1/e倍（37％）的穿透深度定义为趋肤深度H： 式中，ε为地物的介电常数；σ为地物的导电率。 此式只适用于简单地表，当砂土含水时，其趋肤深度差别很大。波长1m的微波，在干燥的砂土中可穿透几十米，对冰层更可穿透上百米。 二、微波遥感特点 对海洋遥感具有特殊意义 微波对海水特别敏感，具波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。 分辨率较低，但特性明显 微波传感器的分辨率一般都比较低，这是因为其波长较长，衍射现象显著的缘故。要提高分辨率必须加大天线尺寸。观测精度和取样速度往往不能协调。欲保证精度就需要有较长的积分时间，取样速度就要降低，通常是以牺牲精度来提高取样速度的。 地球表面的地物温度大多在200-500K，峰值波长λmax在10-15μ的范围，都落在红外波段，因此红外波段的辐射量要比微波大几个数量级。然而，由于微波的特殊物理性质，使红外测量精度远不及微波，也要差几个数量级。因此，总的说来，红外和微波遥感各有优缺点。 表 主动型微波遥感器的波段和主要测量对象 三、微波雷达遥感器 表 微波遥感器的分类 表 被动型微波遥感器的波段和主要观测对象 （1）侧视雷达 侧视雷达（Side Looking Radar）的天线不是安装在遥感平台的正下方，而是与遥感平台的运动方向形成角度，朝向一侧或两侧倾斜安装，向侧下方发射微波，接收回波信号（包括振幅、位相、极化等）的。这样，侧向发射范围可以设计得宽一些。有的机载侧视雷达两侧各可探测100km，同时，波束向侧下方发射可使不同地形显示山更大的差别，使雷达图像更具有立体感。机载侧视雷达的工作原理如图3.21所示。 图 机载侧视雷达(SLAR)的工作原理 这种以实际孔径天线进行工作的侧视雷达，称真实孔径侧视雷达。要提高这种雷达的方位分辨力，只有加大天线孔径、缩短探测距离和工作波长。 图 真实孔径雷达的方位分辨力与孔径、波长、距离的关系 (2)合成孔径侧视雷达 合成孔径侧视雷达是利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨力的雷达。 要用小孔径雷达天线代替大孔径雷达天线，在地面上，通常采用若干小孔径天线组成阵列，即把一系列彼此相连、性能相同的天线，等距离地布设