经典雷达资料-第12章地物回波-4

粗糙度、潮湿度和植被覆盖的影响光滑地面散射随入射角度迅速下降的速度大于粗糙地面。因为影响电磁波散射的粗糙度须用波长来度量，一个长波长下的光滑表面可能在更短波长下是粗糙表面。图12.31说明了这一点[94]，它示出这些效应在犁过的地面的散射系数测量中的影响。当测量频率为1.1GHz时，最光滑地面在入射角0～30间信号的变化达44dB，而在最粗糙地面的变化仅为4dB。当频率为7.25GHz时，最光滑地面也是粗糙的，它足以使信号的变化降低到18dB。图12.31不同粗糙度的5种潮湿地面散射系数的角度响应：（a）1.1GHz；（b）4.25GHz；（c）7.25GHz（引自Ulaby,Moore和Fung[21]）大多数地面正交极化波散射系数约比类极化波的系数低10dB。正交极化波在接近垂直角度时的散射系数比其他角度低得多。图12.32[95]示出这种效应。当散射体中单元的尺寸比波长大时，它的正交极化回波强于散射面回波，有时仅低3dB。第12章地物回波·460·图12.32光滑表面去极化比与角度的关系曲线（引自Ulaby,Moore和Fung[21]）地面散射取决于介电常数，而介电常数又由潮湿度决定。因此，潮湿泥土在非垂直入射时，它的散射通常远大于干燥地面的散射。图12.33说明了这一点[9]。该影响可达几分贝（图中为9dB）。图12.33在3种表面粗糙度下测得的以土壤水分含量为函数的散射系数0（左边刻度）实线是根据介电测量法得出的反射率（右边刻度）。（引自LeToan[9]）如图12.34所示，土壤表面的植被以各种方式产生散射[96]。而图12.35示出一个实例。植物的绝大多数散射来自于它的顶部树叶，根茎、底层树叶和土壤的散射回波被上层树叶衰减可忽略不计。当没有叶子时，来自土壤和植被底部的散射信号近似相等，且比存在叶子时第12章地物回波·461·大得多。图12.34植被表层与土壤对后向散射的影响：①植物的直接后向散射；②土壤的直接后向散射（包括植被的两次衰减）；③植物-土壤的多路径散射（引自Ulaby,Moore和Fung[21]）图12.35调频-连续波散射探测仪在30时测得的玉米地散射系数实线是植物总散射系数；点划线是去掉叶子（1）的情况；点线是去掉叶子（2）的情况。（引自Wu等人[25]）由于体散射主要取决于浓密的植被，特别是树木，所以0几乎与入射角无关。图12.36[97]是森林的X波段雷达成像照片，它示出上述规律。该图是关于的曲线而不是0的曲线，其中=0/cos。第12章地物回波·462·图12.36小平面上测得的成年山毛榉的散射变化注意纵坐标采用（任意的参考量），而不用0。（引自Hoekman[97]）土壤湿度图12.33示出土壤湿度对0影响的强弱。对不同的土壤，湿度的影响是不同的，Dobson和Ulaby[98]指出，若湿度用土壤含水量（Fieldcapacity）的百分数来表述，则它可改善0和土壤水分含量间的吻合度。土壤含水量是土壤颗粒吸附水分强弱的一种量度。非吸附水对介电常数影响较大。土壤含水量的经验表达式为[99]CS0.220.2125.1FC（重量的百分数）式中，S和C分别是土壤中沙和粘土的重量百分数。于是用土壤含水量表述的土壤湿度为%FC/100gfmmmg是水分在土壤中所占的重量百分数。若采用这种度量方法，甚至在适度的植被密度下，0（dB）与mf将呈线性关系，如图12.37所示[100]。但是，当地面有植被和没植被时，该曲线的斜率略为不同。尽管在描述土壤湿度对0的影响方面，mf明显优于土壤水分的容量或至少与其性能相当，但是人们对它的应用已提出质疑[101]。图12.37当频率为4.5GHz时，植被覆盖的雪地土壤湿度与散射系数的关系曲线（引自Ulaby等人[100]）第12章地物回波·463·土壤湿度可影响雷达成像，美国海洋资源探测卫星上的L波段SAR的成像已经证明了这一点[102]。仿真实验[103]表明，人们可估计照片中90%像素的土壤湿度（湿度范围在20%以内）。此外，若用于土壤湿度的测量，它表明100～1000m的分辨力已足够高。植被植被的后向散射取决于多个参量，并且变化幅度也较大，因而，尽管人们可以建立平均模型，如12.6节中的模型，但是它的细节却非常复杂。0随着季节、湿度、生长期和时间的变化而变化。通过比较模型预测的结果和实测的结果，图12.38[104]示出玉米散射的季节变化。入射角为0时，0的变化明显变大，这是因为土壤及其湿度在垂直方向对散射的影响较大。在5月图12.38（a）玉米地和（b）苜蓿地在0和50入射角时的散射随时间变化的曲线（引自Attema和Ulaby[104]）第12章地物回波·464·25日～6月1日期间，0在12dB范围内快速振荡，这是土壤变干的结果。即使入射角在50时，植冠的衰减掩盖了土壤的影响，但季节的变化仍超过8dB。在昼夜间的变化相对小且有限。它们是由于受植物湿度变化及其形态变化的影响（如农作物叶子朝向太阳；早晨花开晚上花闭合等）。大多数农作物都是按行种植的。这就使0产生方位角的变化，如图12.39所示[105]。图中的调制是顺着农作物的行方向（更多植被）观测到的0和垂直方向观测到的0之比。如图12.39所示，在较低的频率这种现象更明显。图12.39当水平极化且入射角为0,30,60时，大豆地视角方向调制比的频率响应（引自Ulaby,Moore和Fung[21]）由图12.40可发现许多植被散射的一般特性[106]。低频并且入射角约低于20时，0随迅速衰减，而后变缓；大部分的0陡变都是地表回波引起的。在较高频率，植被的衰减抑制了地表回波，所以随角度变化基本一致。垂直方向上的交叉极化信号可以忽略，因而低频交叉极化的0变化也一致。正交极化0不论是在高频还是低频都比类极化0低10dB。雪当大地被雪覆盖时，散射主要来自雪而不是地面。雪既是一个空间散射体，也是衰减介第12章地物回波·465·质。干雪的散射体积大，而潮湿雪地的散射体积由于衰减而非常小。因而当阳光融化地表雪层时，0衰减很快。图12.41[86]示出0的变化速度，并且在较高频率时衰减更大，这种效应也更明显。图12.42[108]则给出了雪地散射的角度变化。非垂直入射时，较高频率的散射回波比低频时大得多。对于图中所示的58cm厚的雪地，频率为1.6GHz和2.5GHz的散射信号可能主要来自地表。图12.40模型计算与实际测量的比较：（a）1.1GHz；（b）4.25GHz（引自Eom和Fung[106]）图12.41在几种频率下，雪地液态水含量和0在一日内随时间变化的关系注意：当阳光开始溶化雪地表面时Ka波段的变化极大。（引自Stiles和Ulaby[107]）第12章地物回波·466·图12.42干雪的0在不同频率下的角度响应低频的快速下降显然是电磁波穿透到光滑地表导致的。（引自Stiles等人[108]）一些报告表明，雪地散射有许多“雷达热点”（Radarhotspots），特别是在35GHz的雷达工作频率上。这是由于人们对信号正态瑞利衰落变化的不正确解释导致的结果。雪地散射来自照射区域内的许多中心，因而这满足了瑞利衰落的条件。若将测量结果在频率或照射角内适当求平均，平均后的结果表明，雪地散射除了多路径衰落外趋于一致。