微波遥感-2

第二章微波遥感系统散射计、高度计、辐射计、侧视雷达第一节非成像传感器一、微波散射计测量地特表面（或体积）的散射或反射特征。组成：微波发射器、天线、微波接收机、检波器和数据积分器。测量散射特性随雷达波束入射角、极化、波长变化的规律。只要能精确测量目标信号强度的雷达，都可称做散射计。散射计的扫描方式：散射计的原理微波散射计产生的高频极化能量脉冲发射至地表，脉冲到达地面后，部分入射波经散射返回至散射计，散射回波的比例依赖于所照射之地表的特性，故能够提供被天线照射表面的后向散射截面。散射计接到回波后，后向散射信号被转化为数字形式。由雷达方程可以计算得到归一化的雷达后向散射截面。式中Pr为后向散射信号的能量，Pt为发射脉冲的能量，G为天线增益，λ为波长，A为天线面积，R为散射源与目标表面之间的距离。静止气象卫星云图和微波辐射计目前，常见的方法是将卫星散射计资料与静止气象卫星云图和微波辐射计SSM/I图象相互补充。静止气象卫星(如GMS)资料，具有较高的时间分辨率，每隔15～20min接收一次温度和水汽的图象数据。卫星散射计资料具有较高的精度和空间分辨率。SSM/I也具有较高的时间分辨率(每3天覆盖全球一次)。ERS-1星载散射计介绍ERS-1，全称为EuropeanSpaceAgencyRemoteSensingSatellite，简称“欧洲遥感卫星1号”。以研究海洋为主，进而服务于全球气候学研究的实用卫星。ERS-1核心仪器为：（1）主动式微波仪（AMI），C波段（5.3GHz），具有成像、测风和测浪3种工作模式，相当于一部合成孔径雷达和两部散射计的组合，但3种工作模式只能择一工作；（2）雷达高度计（RA），Ku波段（13GHz、7GHz）；（3）沿轨迹扫描辐射计（ATSR），由微波探测仪和红外辐射计组成。ERS-1星载的主动微波遥感仪器（ActiveMicrowaveinstrumentation），其中的AMIWindMode即散射计。散射计利用微波雷达的后向散射信号，可以确定平均海面雷达反射率。然后，使用经验模式反演出海平面风场特性，如海平面的风速大小、风向。为了消除散射计数据解译时的风向模糊，ERS-1卫星上的散射计采用前、中、后不同角度的三根单极化天线，使用C波段，三个天线分别从45°、90°、135°三个方向上进行海面雷达后向散射截面的测量，刈幅为500km。法国海洋研究所（IFREMER）负责处理、分发ERS-1、ERS-2卫星散射计资料。IFREMER利用COMD4反演模式得到风场资料。此资料包括了风速、风向等信息。风速范围1-24m/s,误差精度2m/s,风向范围0-3600，误差精度200。风场产品是一组分布在500*500km海域内19×19个格点的风矢量，其空间分辨率为25×25公里。散射计-小麦散射计-玉米散射计-海风散射计-积雪散射计-海冰散射计-水稻散射计-果树二、雷达高度计2008年6月20日，美国航宇局、法国国家空间研究中心、欧洲气象卫星组织及美国国家海洋和大气局4家机构的合作项目贾森-2海洋卫星，由德尔它-2火箭从范登堡空军基地发射升空。贾森-2卫星将执行继“托佩克斯/海神”（1992年～2005年）卫星和贾森-1卫星（2001年至今）之后的新一代海洋测高任务。海神-3高度计是该任务的主要仪器，测量海平面、波浪高度及风速，由贾森-1卫星上的海神-2高度计改进。它具有紧凑、低功耗、小质量、可靠性高等优点。它是一台雷达高度计，功率仅为7瓦，在2个频率（13.575ghz和5.3ghz）上发射脉冲（第2个频率用于确定大气中的电子含量），然后由其配套的1.2米直径天线接收洋面反射的回程信号，在对回程信号进行分析之后，通过修正后的信号往返时间能精确地计算出卫星与海面某一点之间的距离。2008年4月9日，日本宇宙航空研究开发机构、国立天文台、国土地理院等5家机构联合发布了最新月球地形图。此地形图是由日本国立天文台解析了绕月卫星“月亮女神”号上搭载的雷达高度计传回的数据后，由日本国土地理院制成的。“嫦娥一号”贡献的全月DEM地形图三、无线电地下探测器低频率波束，对某些地物可穿透。一般仅适用于飞机上工作，需排除强烈反射的影响，如调整入射角等。第二节成像微波传感器一、微波辐射计中文名称：微波辐射计英文名称：microwaveradiometer定义1：用以收集和测量地物发射来的微波辐射通量的被动式微波遥感探测仪。所属学科：测绘学（一级学科）；摄影测量与遥感学（二级学科）定义2：能定量探测目标物的低电平微波辐射的高灵敏度的接收装置。所属学科：地理学（一级学科）；遥感应用（二级学科）定义3：主要用于测量海面辐射强度的微波遥感器。所属学科：海洋科技（一级学科）；海洋技术（二级学科）；海洋遥感（三级学科）微波辐射计记录目标的亮度温度。据瑞利-金斯公式，物体发射的功率与温度成正比。如果温度一定，物体发射的功率最大值等于相同温度下黑体所发射的功率。天线接收功率：P=kTbBK:玻尔兹曼常数Tb:绝对温度B:辐射计带宽物体辐射亮度温度：Tb=P/kB辐射计天线实际接收到的功率：TA=PA/kB包括入射到天线的所有方向上按天线方向图加权的全部辐射积分。包括大气影响和天线自身发射的影响。土壤湿度和海洋盐度研究卫星欧洲航天局2010年5月21日宣布，该机构去年11月发射的土壤湿度和海洋盐度研究卫星日前结束了6个月的试运行，开始进入正式运行阶段。据欧航局介绍，土壤湿度和海洋盐度研究卫星上装备了一台先进的综合孔径微波成像辐射计，它能够为地球拍摄“亮度温度”的快照。在这些数据的基础上，专家们每隔3天就能绘制出一幅土壤湿度的地图，每隔30天完成一幅海洋盐度的示意图。通过对比不同时期的图像，研究人员将可以更好地了解土壤湿度和海洋盐度的变化过程及对地球天气的影响，进一步改善此前建立的气候模型；此外，这些数据还可用于农业和水资源管理。海洋二号卫星1:3模型。海洋二号卫星是中国正在开发的第一颗海洋微波遥感卫星，可以满足中国对海洋资源和动力环境探测的需要，增加中国监控海洋的综合遥感手段。主要载荷为微波辐射计、微波散射计和雷达高度计等二、侧视雷达侧视雷达在随飞行器前进过程中，向垂直于航线方向（距离向range）发射一个很窄的波束，这个波束在航行方向（方位向azimuth）上很窄，在距离方向上很宽，覆盖了地面上很窄的条带。波束从飞行器较近的距离（近距点）照射到离飞行器较远的距离（远距点）。每个波束，由以一定时间间隔（脉冲宽度）的具有特定波长的微波脉冲组成。A到B中间的几个目标由近到远地记录在显示器、胶片上。由于是距离成像，目标实际地面距离（地距）大于记录在显示器、胶片上的距离（斜距）。脉冲长度（亦称脉冲宽度）Г与雷达波长λ不同。脉冲宽度越大，距离向分辨率越低。在地面可以分辨的两个目标最短距离就是侧视雷达图像的距离分辨率。距离向分辨率rangeresolution距离向分辨率与飞行器-目标之间距离无关。同样的地距，同样的脉冲宽度，俯角越大分辨率越低，垂直入射角（俯角=90o），分辨率最差。距离分辨率（地距分辨率）Rrange=(tc/2)secβ(或斜距分辨率Rr=tc/2（沿波束方向）βcos2c脉冲宽度越小，俯角越小，距离分辨率越高，俯角太小地形影响严重，当俯角一定时，减小脉冲宽度可以提高距离分辨率，所以合成孔径雷达在距离向采用脉冲压缩技术chirp（距离压缩）。β俯角Θ入射角Tc/2Tc/2cosB方位向分辨率azimuthresolution方位向分辨率：Ra=ωRω为雷达主波瓣角R为斜距雷达波瓣角与波长成正比与天线孔径成反比：Ra=(λ/D)R(又R=H/sinβ=H/cosθ)提高方位分辨率加大天线孔径，波长较短电磁波，缩短观测距离合成孔径技术。Rr=(100×10-9×3×108)/2=15mRa=(3/900)×5000/cos45=23m对于一部机载雷达,假设其脉宽为100纳秒,飞行高度为5千米,天线波束宽度为3毫弧(也就是说其天线孔径长约为波长的300多倍,如对X波段雷达,波长为3cm,天线长则为9m),可以算出斜距分辨率Rr约为15m,Ra方位向分辨率在45°角入射时为23m。将其装在飞行高度为500千米的卫星上,则方位向分辨率在45°角入射时退化为2.3千米。如果要通过减小天线波束宽来改善方位分辨率,在技术上是非常困难的,因此真实孔径雷达只能是机载的。综合两个方向的分辨率,可得分辨单元面积Rr*Ra三、侧视合成孔径雷达syntheticapertureradar,SAR用一个小天线沿一直线方向不断移动，在移动中每一个位置发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号，同时存储相位和振幅。当天线移动了一段距离L之后，存储的信号和长度为L的天线阵列所接收的信号非常相似。合成孔径雷达在不同位置接收同一个地物的回波信号，真实孔径雷达则在一个位置上接收目标的回波。合成孔径雷达在每一个位置都记录回波信号，针对同一地物，目标和飞行器间距离不同、相位不同、强度不同，此外还要产生多普勒效应，频率也会发生变化。处理器针对不同的相位进行相移补偿（补偿不同位置之间的相位差异），再将每个位置接收的信号叠加起来，就形成了最终的合成孔径雷达信号。合成孔径雷达的距离分辨率与真实孔径雷达相同。方位分辨率：采用合成孔径技术合成后的天线孔径为真实孔径雷达的波瓣宽度（方位分辨率）即由于电磁波双程位移，最终的方位分辨率还可提高一倍。cos2cRrRDRaLsDRLsRs2DRs合成孔径雷达得到的原始数据还不能叫做图像,只是一组包含强度、位相、极化、时间延迟和频移等信息的大矩阵,叫做(原始)信号数据(RawSignalData)。从信号数据到图像产品,要经过复杂的步骤。第三节天线、雷达方程和灰度方程一、雷达天线天线是将发射机产生的电磁波发射出去，或者接收地物反射回来的电磁波，并传送给接收机的重要中间环节。各向同性的天线（各方向辐射能量相同）是不存在的。天线立体方向图表示天线能量的分布空间。平面天线方向图对于大多数天线来讲，若发射和接收时辐射方向图是一致的，则被称为互易元件。侧视图正视图俯视图单位立体角辐射功率天线发射的电磁波是球面波。以球面坐标系表示辐射能量的空间分布。球面坐标系中r表示距离，θ为仰角，φ为方位角。则辐射方向图F(θ,φ)即表示了在(θ,φ)方向每单位立体角内的辐射功率。通常对F(θ,φ)按其最大值作归一化处理，这时的方向图Fn(θ,φ)称为归一化方向图：Fn=(F(θ,φ)/F(θ,φ)max)(单位分贝)不同情况下天线方向图主瓣的有效宽度可分别用方向图立体角Ωp，主波瓣立体角Ωm，旁瓣立体角Ωs来描述。dFnp4),(dFpnm),(dFnp4),(mpsdddsin二、雷达方程雷达波束是以天线为中心的球面波。包括：发射-发射增益-传输吸收-到达-回波吸收-接收增益-接收总功率。4322)4(RGWWtrTHERADAREQUATIONTheSNRisderivedfromtheradarequation:wherePeaktransmitpowerAntennagain(oneway)TransmitsystemlossReceivesystemlossOperatingnoisefigureBoltzmann’sconstantNoisetemperatureBandwidthPulselengthAntennalengthsin2)4()(04322cLBkTFLLGPSNRannoprttGPtPtG42PtG420Lc2sinPtPtG4220Lc2