第三章微波遥感器.ppt

西安电子科技大学理学院1章序讲授题目学时主要内容第一章绪论3方法分享、遥感的基本概念概念、研究内容、微波遥感的优越性及其应用等。第二章微波遥感的基本原理8电磁辐射及其性质、微波与物质相互作用的机理、微波遥感的技术基础。第三章微波遥感器10微波遥感器（微波辐射计、雷达(高度计)、微波散射计、俯视雷达、微波全息雷达简介）介绍、了解及微波遥感器的发展方向。第四章微波遥感的应用23陆地、海洋、大气微波遥感应用及其技术手段。第五章课程及大作业评议、讨论2纵横分析、资料分析、学习方法升华，作业及课堂情况考核。西安电子科技大学理学院2第3章微波遥感器※微波辐射计※雷达高度计※微波散射计※侧视雷达、全息雷达等用真心和激情去演绎人生，用真情去拥抱生活，认认真真在“探索与学习”中走过人生中的每一步，在“探索与学习”中不断发现自我、改变自我、超越自我！西安电子科技大学理学院3§3.1微波辐射计一、微波辐射计概述用来接收和记录物体的微波幅射能的仪器，称为微波辐射计。它的功能就是测量天线的噪声温度，可以代表天线传递给接收机的功率。微波辐射计本身不发射微波能量，只是被动地接收由被测物体及其周围环境辐射的微波随机噪声。因此，它仅仅依赖于目标的自然辐射。E:\F盘备份后\科研\微波辐射计1、微波辐射计优、缺点由于本身无发射信号所以(1)极不容易被发现，保密性好(2)功耗和体积都很小(3)由于单程接收，灵敏度依赖于R2而不是R4可大大提高作用距离。西安电子科技大学理学院41、微波辐射计优、缺点由于本身无发射信号所以(1)极不容易被发现，保密性好(2)功耗和体积都很小(3)由于单程接收，灵敏度依赖于R2而不是R4可大大提高作用距离。微波幅射计存在着本身固有的缺点：(1)目标所发射的电磁波是非相干的和不可控制的(2)所接收的目标信号极其微弱，一般在10-9-10-20(W/m2)量级，典型值为10-12(W/m2)。这样的功率甚至比接收机的本机噪声还小几个数量级，很难用一般方法接收。2、微波辐射计的结构及接收机功率西安电子科技大学理学院5微波幅射计实际上是一台工作在微波波段内的宽频带噪声接收机。它由天线、微波宽带接收机、数据记录或储存装置等部分组成。第一台实用的微波辐射计是Dicke在1946年首先制成的，称为Dicke型接收机。至今，所有的各种微波辐射计，基本上都是Dicke型接收机的不同改型。2、微波辐射计的接收机功率辐射计系统的等效输入噪声功率Psys是由天线发送的噪声功率P’A和传输线－接收机组合的等效输入噪声功率PREC两部分。TA是无耗天线观测区域的天线辐射温度西安电子科技大学理学院6B为系统带宽，通常是中频放大器的有效带宽。如果把传输线和接收机组合看成一个二级噪声网络，则等效输入噪声温度为L为传输线的损耗因子，Tp为传输线的实际温度，TREc为接收机的等效输入噪声温度。西安电子科技大学理学院7如果把传输线和接收机组合看成一个二级噪声网络，则等效输入噪声温度为L为传输线的损耗因子，Tp为传输线的实际温度，TREc为接收机的等效输入噪声温度。西安电子科技大学理学院8西安电子科技大学理学院93、微波辐射计空间分辨率、温度分辨率在工作高度一定时（相对位置）时空间分辨率为k是与天线类型有关的常数，其值在0.88至2之间，一般取k＝1.3,λ是工作波长，D是天线的有效孔径：R是观测距离。温度分辨率指对两个不同辐射源的亮度温度的分辨能力，有时也叫做热分辨率或可检最小温度差。它是辐射计灵敏度的一种度量。西安电子科技大学理学院10a是辐射计常数，与辐射计类型有关，通常取1-3,Tsys是系统的噪声温度，BRf是输入的射频噪声带宽，由中放带宽决定；τi是积分器的有效积分时间。厘米波段辐射计的温度分辨率一般为0.1K，毫米波段要差一个数量级大作业（三）常用微波辐射计简介。（查阅目前为止，具有的微波辐射计类型，针对其中一种或几种较为详细的描述）全功率辐射计、Dicke比较型辐射计、Graham辐射计、噪声相加型辐射计、相关辐射计等。西安电子科技大学理学院11二、微波辐射计的校准（或者称为定标）建立接收机输出指示器(如电压、电流、极化等)与辐射计输入噪声温度之间的关系，由测量输出指示与校准源噪声温度之间的函数关系来实现。输出指示器与Tcai之间的关系所得的结果，为建立接收机输出与天线温度T‘A之间的关系提供了所必要的标定因子。（接收机校准）建立T‘A与被观测区域的辐射特性之间的关系即天线校准。T‘A包括二部分：(1)天线主瓣接收到的能量，这是所需要的量；(2)从天线主瓣以外的方向接收到的能量(旁瓣的贡献)，(3)天线结构本身发射的热能。要分解出它们对T‘A的影响成分（由标准的测定方法测定），天线辐射效率决定(3)。西安电子科技大学理学院121、接收机校准大多数辐射计的接收机都是线性感应系统，其输出指示Iout直接与天线温度T‘A成比例只要对T‘A的两个已知值分别测出Iout，，就可确定上式中的常数a和b。已经采用的校准噪声源有三种。第一种是其温度保持在已知恒定值的匹配负载(电阻器)。第二种是已知其发射率的高吸收无反射材料。这些材料可构成其发射率接近于1的无反射空腔。第三种是冷校准源，即外层空间，它只适用于星载辐射计系统的校准。当天线对准宇宙空间时，它所观测的亮温是2．7K。西安电子科技大学理学院13以上讨论是假定辐射计前端所有的每一个射频元件和传输线部是理想匹配，也就是说，不存在因阻抗失配引起的反射。实际上，不存在任何反射是不可能的，只能通过阻抗匹配技术使阻抗失配引起的反射达到最小。所以，实际定标过程中要进一步讨论阻抗失配对辐射计测量准确度的影响。西安电子科技大学理学院14西安电子科技大学理学院15阻抗失配的影响可以通过下列步骤来计算：西安电子科技大学理学院162、天线的校准T’A和天线观测区域主瓣表观温度(Tmt)之间的变换关系在效率为1的无耗理想（全向）天线的情况下，如果(地物)辐射方向图只有效率为1的一个主瓣，则西安电子科技大学理学院17由实验测量确定ηl的常用方法：低温负载法和铲斗法。低温负载法是Hardy(1973)提出的，适用于测量小口径天线；铲斗法是Carver(1975)提出的，适用于校准大天线。西安电子科技大学理学院18低温负载法是Hardy(1973)提出的，适用于测量小口径天线其中的多孔吸收材料应具有很小的反射系数，它的作用就象一个亮湿等于其实际温度的理想吸收体或发射体。天线从各个方向看到的基本上是一个不变的亮温分布TB冷却液为液氮时TB＝77.36K西安电子科技大学理学院19被测天线置于一个尺寸足够大的铲斗，并假定天线与铲斗之间不存在相互耦合。为了避免周围环境和地面电磁发射，天线校准铲斗应安装在山顶，天线主波束对准天顶方向。=西安电子科技大学理学院20三、微波辐射计的成像方法天线方向图固定的微波辐射计安装在地面平台上，它只能记录一个观测单元的亮度温度。如果把它安装在飞行器上，那么也只能记录沿着飞行轨迹的一条微波亮温曲线。为了提高接收的信息和获得目标的热图象，必须将辐射计的天线设计成扫描方式，获得一个扫描区域的微波亮温这种工作方式的微波辐射计称为成象辐射计或微波扫描仪。1、天线的扫描波束机械方式:(1)使整个天线摆动;(2)使天线的反射器摆动;(3)使天线的馈源摆动。电控方式-相控阵天线扫描。西安电子科技大学理学院21几何关系及参数之间要求自己看书了解！西安电子科技大学理学院22§3.2雷达高度计雷达高度计是一种以地面为目标的测距雷达，它有调频制和脉冲制两种类型。调频高度计主要用于近距离测量，因为发射信号易于漏入接收机。脉冲高度计主要用于远距离测量，因为难以获得窄脉冲。西安电子科技大学理学院23雷达高度计原理框图雷达高度计测高原理高度计测高精度主要由脉冲宽度决定西安电子科技大学理学院24§3.3微波散射计微波散射计是一种专用雷达，用来定量测量目标的散射系数，又名雷达散射计。凡是能精确测量被观测信号强度的雷达，都是一种散射计，只要经过适当校准，大多数雷达都能成为一种散射计。微波散射计一般存以下几种类型：(1)测角系统——连续波散射计(由于它存在许多缺点，一般不采用)；(2)测角—测距系统:调频散射；脉冲散射计。(3)测角—测速系统:多普勒散射计。(4)地面有源微波波谱仪系统。西安电子科技大学理学院25一、散射特性测量散射特性测量：测量点目标的雷达截面和分布目标的射散系数。=朗伯余弦定律:对于完全粗糙表面，朗伯认为它对入射场的散射服从余弦定律，即单位实际面积的散射系数随角度的变化与入射角余弦和散射角余弦的乘积成正比。西安电子科技大学理学院26目标的散射系数由入射电磁波与目标的相互作用决定，它与电磁波的特性(系统参数)—波长、入射角和极化方式，以及目标的物理特性(目标参数)—几何构形(相对于波长而言)和介电性质有关。西安电子科技大学理学院271、雷达图像信息及其处理雷达成像需要经过特殊的信号处理来实现，雷达成像是把目标回波功率转换为胶片（或者图像记录装置）密度（曝光程度），根据胶片曝光规律（即胶片密度）反映回波功率（称为灰度方程），根据回波功率与目标特性之间的规律解译目标信息，进而实现成像过程(雷达成像信号处理，胶片传递函数)。I(雷达接收机视频输出信号强度)与回波功率的大小关联（回波功率与接收机传递函数的乘积）。K是与胶片和曝光时间有关的参数，γ表示胶片的传递函数。西安电子科技大学理学院28雷达图像参数包括：图像分辨率（空间分辨率、灰度分辨率、体分辨率）、几何精度等。=K系统常数，它依赖于作用距离、接收机的传递函数、天线增益、发射机功率和象元面积等。散射系数是影响图像灰度的因素之一，影响散射系数的因素包括：工作频率、信号极化方式、入射波照射角度、目标表面特性、目标的电特性等。西安电子科技大学理学院29频率越高散射系数越大；回波信号极化可能与入射波极化方式不同，这种不同是解译图像的信息；入射波照射角度在10-55度范围时，散射系数较大，因为成像雷达常以俯视工作方式；目标表面越粗糙，散射系数越大（解译图像的信息）；导电性越好散射系数越大（解译图像的信息）。西安电子科技大学理学院302、散射测量中的基本问题(1)测量系统的校正：达到精确测量不可缺少的重要手段。(2)照射面积的确定：保证测量精度的一个十分重要的因素。双站雷达确定更加困难。(3)获得精确测量所需要的独立取样数：地面散射计测量中尤为重要，除了频率平均以外，有时还需要空间平均和时间平均。西安电子科技大学理学院313、散射系统的校准分布目标雷达方程点目标的雷达方程散射测量的外部校准：将一个已知雷达截面积的标被反射体点目标作为参考值，达到消除对分布目标测量时系统常数变化的影响。西安电子科技大学理学院32散射测量内部校准：达到消除环境变化引起测量结果的影响。作为外部校准的参考目标必须具备的基本条件(1)σc值已知；(2)σc必须足够大，以保证一定的信噪比；(3)两主平面波束宽度都足够大，使得σc对方向不敏感，以减小天线偏向误差。西安电子科技大学理学院33可选择的外部校准反射体及性能西安电子科技大学理学院34某微波探测单位要求科研合作题目概要：使用雷达频率和发射功率一定但是极化方式可以选择，要求论证能探测的最大深度（或者探测深度一定要，要求给出建议功率）。请根据对方要求提出对方需要提供参数或者物理样本，并且设定论证方案。西安电子科技大学理学院35§3.4侧视雷达雷达是利用远处地形、目标所反射无线电波来获得信息的一种主动遥感器。侧视雷达又可分为真实孔径侧视雷达（非相干型雷达）和合成孔径侧视雷达（相干型雷达）两类。所谓“侧视”，是指把天线安装在飞行器的侧面，向航线的一侧或两侧发射雷达波束。雷达波束与飞行器的航线垂直，随着飞行器向前飞行，雷达波束就在目标区域扫过，从而获得该地区的雷达图象。西安电子科技大学理学院36西安电子科技大学理学院37真实孔径侧视雷达是利用加大天线长度和缩短工作波长来改善方位分辨率（航向分辨率）。例如，一台波长8毫米、天线孔径4米的真实孔径侧视雷达，在10公里的距离上方位分辨率为