信息工程学院海洋技术专业微波遥感讲义微波遥感基础.一、微波遥感物理基础2二、微波遥感技术的简介..42.1微波遥感..42.2微波遥感器.52.2.1雷达散射计...52.2.2微波辐射计.2.2.3雷达高度计62.3微波遥感技术的特点.2.4微波遥感的优越性..2.5微波遥感的不足，2.6微波微波拥有强大生命力的根源2.7我国微波遥感的差距8三、雷达概念、分类。83.1成像雷达......83.2非成像雷达:83.3真实孔径雷达.93.4合成孔径雷达93.5极化雷达，103.6干涉雷达....113.7激光雷达.113.8侧视雷达，..11四、微波遥感图像..114.1雷达图像..114.1.1雷达图像114.2雷达图像显示......12·124.1.3雷达图像分辨率4.1.4雷达图像的处理，124.2侧视雷达图像.134.3雷达图像校准，144.4雷达图像定标...144.5雷达图像模拟.14五、微波遥感定标.....15六、微波遥感概念、理论和技术的突破.15七、我国微波遥感的差距.16八、微波相关技术介绍....178.1偏振探测技术的特点..178.2微波散射特性....18九、微波遥感有待进一步研究的问题19.20十、微波遥感的应用。10.1空间对地观测.201
信息工程学院海洋技术专业 1 微波遥感讲义 微波遥感基础. 1 一、微波遥感物理基础. 2 二、微波遥感技术的简介. 4 2.1 微波遥感 . 4 2.2 微波遥感器. 5 2.2.1 雷达散射计. 5 2.2.2 微波辐射计. 5 2.2.3 雷达高度计. 6 2.3 微波遥感技术的特点. 7 2.4 微波遥感的优越性 . 7 2.5 微波遥感的不足. 7 2.6 微波微波拥有强大生命力的根源 . 7 2.7 我国微波遥感的差距. 8 三、雷达概念、分类. 8 3.1 成像雷达 . 8 3.2 非成像雷达. 8 3.3 真实孔径雷达 . 9 3.4 合成孔径雷达 . 9 3.5 极化雷达 . 10 3.6 干涉雷达 . 11 3.7 激光雷达 . 11 3.8 侧视雷达 . 11 四、微波遥感图像. 11 4.1 雷达图像. 11 4.1.1 雷达图像. 11 4.1.2 雷达图像显示. 12 4.1.3 雷达图像分辨率. 12 4.1.4 雷达图像的处理. 12 4.2 侧视雷达图像 . 13 4.3 雷达图像校准 . 14 4.4 雷达图像定标 . 14 4.5 雷达图像模拟 . 14 五、微波遥感定标. 15 六、微波遥感概念、理论和技术的突破. 15 七、我国微波遥感的差距. 16 八、微波相关技术介绍. 17 8.1 偏振探测技术的特点. 17 8.2 微波散射特性 . 18 九、微波遥感有待进一步研究的问题. 19 十、微波遥感的应用. 20 10.1 空间对地观测. 20
信息工程学院海洋技术专业一、微波遥感物理基础电磁波具有波长（或频率）、传播方向、振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。极化面是是指电场振动方向所在的平面。电磁波谱有时把波长在mm到km很宽的幅度内通称为无线电波区间，在这一区间按照波长由短到长又可以划分为亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波、超短波、短波中波和长波。其中的毫米波，厘米波和分米波三个区间称为微波波段，因此有时又更明确地吧这一区间分为微波波段和无线电波段。振幅是指电场振动的幅度，它表示电磁波传递的能量的大小；极化面是指电场振动方向所在的平面。所谓极化，即电磁波的电场振动方向的变化趋势。线极化是电场失量方向不随时间变化得情况，它又分为两个方向的极化，即水平极化和垂直极化。水平极化是指电场量与如赦免（例如侧视雷达发射的很窄的垂直于地面的扫描波束所形成的一个平面）垂直。而垂直极化是指电场量与入射面平行。若发射和接受的都是水平极化（或垂直极化）电磁波的，则得到图像为交叉极化图像（HV或VH）。一般来说有四种极化图像。同一地物对不同极化波的反映是不一样的。热能所产生的热辐射是一种重要的电磁辐射，因为热能的本质物质微粒的无规则运动的功能，这种无规则运动引起微粒间的碰撞，使得电子轨道运动、原子或分子的振动或转动发生变化，微粒进入高能运动状态，在其重又转变为低能运动状态的过程中个，就发射出电磁波，热能也就因此转化为电磁能。所以在一定条件下，任何物体都能向外发射电磁辐射，而这种因热运动所引起的电磁辐射通常称为热辐射，一般只要我温度在OK以上，一切物体都发生发射出由这一温度所决定的热辐射。物质微粒运动状态的很微小的变换就能产生微波辐射。具有任意极化的电磁波都可以分解为TE波和TM波两个分量。TE波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，即水平极化波。TM波则是电场矢量平行与入射平面的极化波，即垂直极化波。微波也是无线电波，其波长从1mm到1000mm，微波在接受和发射时常常仅用很窄的2
信息工程学院海洋技术专业 2 一、微波遥感物理基础 电磁波具有波长（或频率）、传播方向、振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。 极化面是是指电场振动方向所在的平面。 电磁波谱有时把波长在 mm 到 km 很宽的幅度内通称为无线电波区间，在这一区间按照 波长由短到长又可以划分为亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波、超短波、短波中波和长波。 其中的毫米波，厘米波和分米波三个区间称为微波波段，因此有时又更明确地吧这一区间分 为微波波段和无线电波段。 振幅是指电场振动的幅度，它表示电磁波传递的能量的大小；极化面是指电场振动方向 所在的平面。所谓极化，即电磁波的电场振动方向的变化趋势。 线极化是电场矢量方向不随时间变化得情况，它又分为两个方向的极化，即水平极化和 垂直极化。水平极化是指电场矢量与如赦免（例如侧视雷达发射的很窄的垂直于地面的扫描 波束所形成的一个平面）垂直。而垂直极化是指电场矢量与入射面平行。若发射和接受的都 是水平极化（或垂直极化）电磁波的，则得到图像为交叉极化图像（HV 或 VH）。一般来说 有四种极化图像。同一地物对不同极化波的反映是不一样的。 热能所产生的热辐射是一种重要的电磁辐射，因为热能的本质物质微粒的无规则运动的 功能，这种无规则运动引起微粒间的碰撞，使得电子轨道运动、原子或分子的振动或转动发 生变化，微粒进入高能运动状态，在其重又转变为低能运动状态的过程中个，就发射出电磁 波，热能也就因此转化为电磁能。所以在一定条件下，任何物体都能向外发射电磁辐射，而 这种因热运动所引起的电磁辐射通常称为热辐射，一般只要我温度在 0K 以上，一切物体都 发生发射出由这一温度所决定的热辐射。物质微粒运动状态的很微小的变换就能产生微波辐 射。 具有任意极化的电磁波都可以分解为 TE 波和 TM 波两个分量。TE 波是电场矢量垂直于 入射平面的极化波，即水平极化波。TM 波则是电场矢量平行与入射平面的极化波，即垂直 极化波。 微波也是无线电波，其波长从 1mm 到 1000mm，微波在接受和发射时常常仅用很窄的
信息工程学院海洋技术专业波段，所以把微波波段又加以细分并给予详细的命名。在微波遥感中Ka，X，［等都是常用的波段。频率（MIL）波段名称波长（cm）40000-26.500Ka0.751.1K11-1.6726.50018000Ku1.67-2.418:000-12.500x24-3.7512.500-8.000c8.000-3.75-7.5-4000S7.5-154000-2000L15-302000--1000Q30-1001000-300xband:广泛地应用于军事侦察和商业地形勘测：Cband:用于记载和星载系统；如ESA的E-ERS1&2卫星和加拿大的RADARSAT：Lband:在宇宙飞船飞行任务中经过测试并运行于日本的JERS-1卫星：微波遥感波段：波段名称频率区间波段名称频率区间(GHz)(GHz)P0.2250.39010.9036.0KL0.3901.550Q36.046.0s1.5504.20L46.056.0C4.205.7556.0100WX5.7510.90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）。大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。气体分子所具有的能量有几种形式，即平移动能，与轨道有关的电子能量，振动能量及转动能量。一般采用2.06-2.22mm、3.0-3.75mm、7.5-11.5mm和20mm以上的波长作为微波遥感的窗口，在这四个波段内大气的吸收作用使很小的。当地物表面是粗糙面时，入射电磁波就会产生散射，即向各方向漫反射，顺着入射方向的散射分量称为前向散射，逆入射方向的散射分量称为后向散射。3
信息工程学院海洋技术专业 3 波段，所以把微波波段又加以细分并给予详细的命名。在微波遥感中 Ka，X，L 等都是常用 的波段。 X band:广泛地应用于军事侦察和商业地形勘测； C band:用于记载和星载系统；如 ESA 的 E-ERS1&2 卫星和加拿大的 RADARSAT； L band:在宇宙飞船飞行任务中经过测试并运行于日本的 JERS-1 卫星； 微波遥感波段： 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）。 大气对微波的衰减作用主要有大气中水分子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的 散射。气体分子所具有的能量有几种形式，即平移动能，与轨道有关的电子能量，振动能量 及转动能量。 一般采用 2.06-2.22mm、3.0-3.75mm、7.5-11.5mm 和 20mm 以上的波长作为微波遥感的 窗口，在这四个波段内大气的吸收作用使很小的。 当地物表面是粗糙面时，入射电磁波就会产生散射，即向各方向漫反射，顺着入射方向 的散射分量称为前向散射，逆入射方向的散射分量称为后向散射
信息工程学院海洋技术专业二、微波遥感技术的简介2.1微波遥感微波是电磁波的一种形式。微波遥感就是利用某种传感器接收地面各种地物发射或反射的微波信号，籍以识别、分析地物，提取所需信息。微波遥感分为主动式和被动式，被动式微波遥感由某种传感器接收地面地物的微波辐射：主动式微波遥感由传感器发射微波束，再接收地物反射回来的信号。微波遥感按其工作原理可分为主动式和被动式2类，主动式是利用遥感器向地面发射微波脉冲，然后接受其散射波，包括成像雷达、微波散射计、微波高度计和降雨雷达；被动式是直接观测地面目标的微波辐射，包括微波辐射计等。微波散射特性SAR接受的目标后散射信号的幅度主要取决于目标表面的复介电常数和表面的粗糙度。散射幅度随目标表面的复节点常数的增加而增大。散射角特性由目标表面的粗糙度决定。光滑表面引起镜面反射，后向散射幅度很小。随着表面粗糙度增加，散后成分相对增大，因此，将后向散射微波信号与被测目标的物理量之间建立严格的对应关系，推知遥感目标的物理特性和运动特性，就可以达到识别目标的目的。随机表面散射幅度取决于采用的微波波长与观测目标表面粗糙度的特征尺度的相关关系，通常使用瑞利判据或夫琅未费判据。因此，微波波长不同，后向散射信号幅度也不同。目前微波遥感常使用X、C、L、P波段。如果同时取得同意地面的多波段SAR图像，那么久与多光谱图像一样，可以提高识别目标的效果。由于地物目标的微波特性不同于光谱特性和红红外辐射特性。因此在可见光和红外遥感中不易探测和识别的目标，当对微波敏感时，可在SAR图像上识别。例如，土壤的微波介电常数在很大程度上由土壤含水量决定：不同的岩石其物理、化学性质不同，具有不同的介电常数；不同几何形状和不同粗糙度的地表有不同的散射特性；军事目标很多为金属材料制造，与其背景比较，有很强的后向散射。因此，SAR图像在土壤调查、土地利用调查、地质勘察、军事目标侦察中广泛应用。微波从一种介质进入另一种介质，在介质内部产生体散射。体微波散射特性主要取决于介质的不均匀性和电磁波穿透的有效深度。散射强度正比于介质内介电常数的不连续性和4
信息工程学院海洋技术专业 4 二、微波遥感技术的简介 2.1 微波遥感 微波是电磁波的一种形式。微波遥感就是利用某种传感器接收地面各种地物发射或反射 的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需信息。 微波遥感分为主动式和被动式，被动式微波遥感由某种传感器接收地面地物的微波辐 射；主动式微波遥感由传感器发射微波束，再接收地物反射回来的信号。 微波遥感按其工作原理可分为主动式和被动式 2 类，主动式是利用遥感器向地面发射 微波脉冲，然后接受其散射波，包括成像雷达、微波散射计、微波高度计和降雨雷达；被动 式是直接观测地面目标的微波辐射，包括微波辐射计等。 微波散射特性 SAR 接受的目标后散射信号的幅度主要取决于目标表面的复介电常数和表面的粗糙 度。散射幅度随目标表面的复节点常数的增加而增大。散射角特性由目标表面的粗糙度决定。 光滑表面引起镜面反射，后向散射幅度很小。随着表面粗糙度增加，散后成分相对增大，因 此，将后向散射微波信号与被测目标的物理量之间建立严格的对应关系，推知遥感目标的物 理特性和运动特性，就可以达到识别目标的目的。 随机表面散射幅度取决于采用的微波波长与观测目标表面粗糙度的特征尺度的相关 关系，通常使用瑞利判据或夫琅禾费判据。因此，微波波长不同，后向散射信号幅度也不同。 目前微波遥感常使用 X、C、L、P 波段。如果同时取得同意地面的多波段 SAR 图像，那么久 与多光谱图像一样，可以提高识别目标的效果。 由于地物目标的微波特性不同于光谱特性和红红外辐射特性。因此在可见光和红外遥 感中不易探测和识别的目标，当对微波敏感时，可在 SAR 图像上识别。例如，土壤的微波 介电常数在很大程度上由土壤含水量决定；不同的岩石其物理、化学性质不同，具有不同的 介电常数；不同几何形状和不同粗糙度的地表有不同的散射特性；军事目标很多为金属材料 制造，与其背景比较，有很强的后向散射。因此，SAR 图像在土壤调查、土地利用调查、地 质勘察、军事目标侦察中广泛应用。 微波从一种介质进入另一种介质，在介质内部产生体散射。体微波散射特性主要取决 于介质的不均匀性和电磁波穿透的有效深度。散射强度正比于介质内介电常数的不连续性和
信息工程学院海洋技术专业不均匀性的密度。散射的角方向性取决于分界面粗糙度、戒指的平均介电常数、以及相对于波长不均匀性的几何尺寸。2.2微波遥感器常用的微波遥感器，有微波辐射计、微波散射计、雷达高度计、合成孔径雷达(SAR)其中微波辐射计是被动式遥感器，其他是主动式遥感器，这些微波遥感器各有特点，相互间不能完全替代。2.2.1微波散射计（非成像传感器）微波散射计主要用来测量地物的散射或反射特性。通过变换发射雷达波束的入射角，或变换极化特征以及变换波长，研究不同条件下对目标散射特性的影响雷达散射计是用来定量测试各类地物散射系统。微波散射计的组成部分包括：1）微波发射器，2）天线，3）微波接收机，4）检波器和数据积分器。微波散射及的功能是测量地物表面的散射或反射特性，也就是说，它主要用于测量目标的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长变化对目标散射特性的影响。微波散射计可以发射水平极化波，然后同时接受垂直和水平两种极化波，它还可以先发射一种极化波，再发射另一种极化波，而每次都接受两种极化波，所以对具体研究地物目标在各种情况下的散射特性是十分有利的。雷达散射计：最主要用于目标后向散射特性研究和海洋风场测量。目前为止它是唯一能给出海洋风场得遥感器，几十年来管饭应用于海洋探测和陆地散射特性测量中，发展出了一扇型波束的杆状天线阵技术。上世纪80年代，R.K.莫尔和姜景山发展了笔型波束扫描技术，进来一些专家正在发展扇型波束扫描技术以适应各种平台和对系统简化的要求。2.2.2微波辐射计（成像微波传感器）微波辐射计可用于记录目标的亮度温度。辐射计天线接受的辐射能量来自地面物体的发射辐射和反射辐射。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，因为地面无图5
信息工程学院海洋技术专业 5 不均匀性的密度。散射的角方向性取决于分界面粗糙度、戒指的平均介电常数、以及相对于 波长不均匀性的几何尺寸。 2.2 微波遥感器 常用的微波遥感器，有微波辐射计、微波散射计、雷达高度计 、合成孔径雷达(SAR)， 其中微波辐射计是被动式遥感器，其他是主动式遥感器，这些微波遥感器各有特点，相互间 不能完全替代。 2.2.1 微波散射计（非成像传感器） 微波散射计主要用来测量地物的散射或反射特性。通过变换发射雷达波束的入射角，或 变换极化特征以及变换波长，研究不同条件下对目标散射特性的影响。 雷达散射计是用来定量测试各类地物散射系统。微波散射计的组成部分包括：1）微波 发射器，2）天线，3）微波接收机，4）检波器和数据积分器。 微波散射及的功能是测量地物表面的散射或反射特性，也就是说，它主要用于测量目标 的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长变化对目标散射特性的 影响。 微波散射计可以发射水平极化波，然后同时接受垂直和水平两种极化波，它还可以先发 射一种极化波，再发射另一种极化波，而每次都接受两种极化波，所以对具体研究地物目标 在各种情况下的散射特性是十分有利的。雷达散射计：最主要用于目标后向散射特性研究和 海洋风场测量。目前为止它是唯一能给出海洋风场得遥感器，几十年来管饭应用于海洋探测 和陆地散射特性测量中，发展出了一扇型波束的杆状天线阵技术。上世纪 80 年代，R.K.莫 尔和姜景山发展了笔型波束扫描技术，进来一些专家正在发展扇型波束扫描技术以适应各种 平台和对系统简化的要求。 2.2.2 微波辐射计（成像微波传感器） 微波辐射计可用于记录目标的亮度温度。辐射计天线接受的辐射能量来自地面物体的发 射辐射和反射辐射。 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，因为地面无图