第一章微波遥感基础.ppt

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1、微微 波波 遥遥 感感遥感学院遥感学院第一章第一章微波遥感基础微波遥感基础第3页第一节第一节引言引言遥感遥感, Remote Sensing,简称简称RS根据传感器的探测波段，遥感可分为根据传感器的探测波段，遥感可分为（1 1）紫外遥感）紫外遥感: :波长范围为波长范围为0.010.010.38m0.38m（2 2）可见光遥感）可见光遥感: :波长范围：波长范围：0.380.380.76m0.76m（3 3）红外遥感）红外遥感: :波长范围为波长范围为0.760.761000m1000m（4 4）微波遥感）微波遥感: :波长范围为波长范围为1 mm1 mm1 m1 m（5 5）多波段遥感）多波

2、段遥感第4页为什么要研究微波遥感？为什么要研究微波遥感？微波遥感究竟能解决哪些其他遥感手段微波遥感究竟能解决哪些其他遥感手段（光学、红外）所不能解决的问题？（光学、红外）所不能解决的问题？微波遥感的特点第5页光学和红外遥感取得了巨大的成功！光学和红外遥感取得了巨大的成功！北京（30米）台北（0.6米）第6页可见光所遭遇的难题可见光所遭遇的难题 地球上经常有40%-60%的地区被云层覆盖着，尤其是占地球面积五分之三的海洋上，气候条件变化更大，经常被云层遮蔽。第7页第一节第一节引言引言微波遥感的优越性微波遥感的优越性微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力。微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候工作能力

3、。微波具有穿透云层、雾和小雨的能力，而且太阳辐射微波具有穿透云层、雾和小雨的能力，而且太阳辐射对辐射测量没有太大的影响。因此微波辐射测量既可对辐射测量没有太大的影响。因此微波辐射测量既可在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，在恶劣的气候条件下，也可以在白天和黑夜发挥作用，具有较强的全天候、全天时的工作能力，这一特性优具有较强的全天候、全天时的工作能力，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。于可见光和红外波段的探测系统。第8页云层对无线电波从空间到地面之间传输的影响云层对无线电波从空间到地面之间传输的影响第9页微波的衰减微波的衰减能见度能见度(m)(m)可见光可见光（dB/km)dB

4、/km)红外红外（dB/km)dB/km)94GHz94GHz（dB/km)dB/km)37GHz37GHz（dB/km)dB/km)15215230530561061012191219120120606030301010242412126 63 30.880.880.320.320.130.130.0440.0440.190.190.0620.0620.0220.0220.0090.009不同能见度下，微波在海平面云雾水平路径的衰不同能见度下，微波在海平面云雾水平路径的衰减率减率第10页雨对无线电波从空间到地面之间传输的影响第11页 烟雾和尘埃对微波的衰减比较复杂，目前烟雾和尘埃对微波的衰减

5、比较复杂，目前尚无定量的系统资料，但从烟雾和尘埃对红外尚无定量的系统资料，但从烟雾和尘埃对红外波段的衰减特性变化可得出，波长越长，衰减波段的衰减特性变化可得出，波长越长，衰减越小。越小。第12页第一节第一节引言引言微波遥感的优越性微波遥感的优越性微波对地物有一定穿透能力微波对地物有一定穿透能力1.1.微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量，密微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量，密度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微波频率的高端（波长较短）只

6、能获得植被层顶部的信波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。被层底层甚至地表以下的信息。第13页微波信号穿过植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号1米波长由树顶、树干、地面反射的信号由树顶、树干反射的信号第14页 2.2. 微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。作频率有关。不同类型土壤的穿透深度与土壤湿度的关系第15页第一节第一节引言引言微波遥感的优越性微波遥感的优越性微波提供不同于可见光和红外遥感所能提供的微波提供

7、不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息某些信息 如：测距；海洋动力场如：测距；海洋动力场第16页 微波测得的信息与红外和可见光所测信息互为微波测得的信息与红外和可见光所测信息互为补充：补充： 利用微波得到的信息在与红外和可见光波段测得的利用微波得到的信息在与红外和可见光波段测得的信息是不同的。因此联合使用这三个波段的信息，信息是不同的。因此联合使用这三个波段的信息，其结果可以相互补充，更全面地了解被测物体的特其结果可以相互补充，更全面地了解被测物体的特性。性。 在可见光近红外波段所观测的颜色基本上取决于植被和土壤表层分子的谐振特性，而微波波段范围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体的几何

8、特性以及体界电特性，这样，将微波、可见光和红外辐射配合运用，就能够研究表面上几何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。第17页 另外，微波还可以提供某些附加的特性，这另外，微波还可以提供某些附加的特性，这使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影响可以探测海水的含盐度等等。响可以探测海水的含盐度等等。第18页第一节第一节引言引言微波遥感的优越性微波遥感的优越性微波遥感的主动方式可进行干涉测量微波遥感的

9、主动方式可进行干涉测量可以对地形变化进行监测。可以对地形变化进行监测。第19页第一节第一节引言引言微波遥感的不足微波遥感的不足雷达传感器的空间分辨能力比可见光和红外传雷达传感器的空间分辨能力比可见光和红外传感器低感器低其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困难难与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致一致第20页SEASAT Image of Los Angeles, 1978 第21页SEASAT Image of Death Valley, 1978 第22页19981998年年1 1月月1010日张北日张

10、北尚义地震形变图尚义地震形变图第23页第一节第一节引言引言微波遥感分类：微波遥感分类：被动微波遥感和主动微波遥感。被动微波遥感和主动微波遥感。u被动微波遥感被动微波遥感 信号来源：系统自身不发射微波波束，只信号来源：系统自身不发射微波波束，只是接收目标物发射或散射的微波辐射。是接收目标物发射或散射的微波辐射。 典型传感器：微波辐射计（该传感器为成典型传感器：微波辐射计（该传感器为成像传感器）像传感器）第24页第一节第一节引言引言u主动微波遥感主动微波遥感 信号来源：系统自身发射微波辐信号来源：系统自身发射微波辐射，并接收从目标反射或散射回来的电射，并接收从目标反射或散射回来的电磁波。磁波。 典

11、型传感器：高度计、散射计典型传感器：高度计、散射计（均为非成像传感器）和成像雷达。（均为非成像传感器）和成像雷达。第25页第二节第二节电磁波理论与微波电磁波理论与微波电磁波：以波动的形式在空间传播并传递电磁波：以波动的形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。电磁能量的交变电磁场。电磁波具有波长（或频率）、传播方向、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）四个基本振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。物理量。第26页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波1、叠加原理、叠加原理叠加原理的内容叠加原理的内容当空间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，当空

12、间同时存在由两个或两个以上的波源产生的波时，每个波并不因其他的波的存在而改变其传播规律，仍每个波并不因其他的波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率或波长和振动方向，按照自己的传播保持原有的频率或波长和振动方向，按照自己的传播方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量等于各方向继续前进，而空间相遇点的振动的物理量等于各个独立波在该点激起的振动物理量之和。个独立波在该点激起的振动物理量之和。第27页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波1、叠加原理、叠加原理叠加原理的作用叠加原理的作用将任何复杂的将任何复杂的波动看成很多波动看成很多简单的较易理简单的较易理解的波形叠加解的波形叠加的

13、结果。的结果。第28页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波2、相干性和非相干性、相干性和非相干性 干涉的定义：干涉的定义： 由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅矢量和。因此，会出合成波振幅为各个波的振幅矢量和。因此，会出现现 交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。 产生干涉现象的电磁波称为相干波。产生干涉现象的电磁波

14、称为相干波。第29页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波2、相干性和非相干性、相干性和非相干性 相干波，产生干涉现象的电磁波被称为相相干波，产生干涉现象的电磁波被称为相干波。一般地，凡是单色波都是相干波。干波。一般地，凡是单色波都是相干波。 波的相干性导致微波雷达图像的像片上会波的相干性导致微波雷达图像的像片上会出现颗粒状或斑点状的特征。出现颗粒状或斑点状的特征。第30页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波3、衍射、衍射衍射的定义：衍射的定义： 如果电磁波投射在一个它不能透过的有限如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的大小的

15、障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改边界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改变方向绕过其边缘达到障碍物后面，这种使一变方向绕过其边缘达到障碍物后面，这种使一些辐射量发生改变的现象称为电磁波衍射。些辐射量发生改变的现象称为电磁波衍射。第31页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波4、极化、极化波的极化在光学中也叫波的偏振。波的极化在光学中也叫波的偏振。 波的极化是指在空间给定点上电场强度矢量的波的极化是指在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性。用电场强度取向随时间变化的特性。用电场强度矢量的端矢量的端点点在空间描绘出的轨迹来表示。在空

16、间描绘出的轨迹来表示。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。极化电磁波（简称极化波）。 第32页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波4、极化、极化线极化波：如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹线极化波：如果电波传播时电场矢量的空间描出轨迹为一直线，它始终在一个平面内传播，则被称为线极为一直线，它始终在一个平面内传播，则被称为线极化波。化波。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。线极化波又有水平极化波和垂直极化波之分。水平极化（水平极化（H） ：电场矢量与入射面垂直。：电场矢量与入射面垂直。垂直极化（垂直极化（

17、V） ：电场矢量与入射面平行。：电场矢量与入射面平行。图像可有：图像可有：HH、 VV、 VH、HV图像图像第33页EH入射波入射波目标目标入射平面入射平面极化示意图极化示意图第34页XYEZ线极化线极化XYEZ椭圆极化椭圆极化XYEZ圆极化圆极化线极化、椭圆极化、圆极化线极化、椭圆极化、圆极化第35页一、电磁波的基本特征与微波一、电磁波的基本特征与微波4、极化、极化依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种依据发射的及接收的极化的差别，可以有四种组合：组合：HHHH、VVVV、HVHV、VHVHHH or VV HH or VV 图像称为同极化图像图像称为同极化图像HV or VH HV or

18、 VH 图像称为交叉极化图像图像称为交叉极化图像第36页VV极化极化VH极化极化第37页二、电磁辐射与微波二、电磁辐射与微波从物理角度讲，所有电磁波都具有相同的性质，差别仅从物理角度讲，所有电磁波都具有相同的性质，差别仅在于频率不同，其产生机制有差别。在于频率不同，其产生机制有差别。内部状态内部状态能量（能量（ev)ev)相应的电磁波相应的电磁波 原子核内部的相互作用原子核内部的相互作用 内层电子的电离作用内层电子的电离作用 外层电子的电离作用外层电子的电离作用 外层电子的激发外层电子的激发 分子振动，晶格振动分子振动，晶格振动 分子旋转及反转分子旋转及反转 电子自旋和磁场相互作用电子自旋和磁

19、场相互作用 层磁场的相互作用层磁场的相互作用107105104102102441110-510-410-510-410-510-7 射线射线X射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微波微波微波微波米波米波第38页普郎克公式普郎克公式c：真空中的光速k：玻尔兹曼常数， K=1.3810-23J/Kh:普朗克常数,h=6.6310-34JsM(,T):辐射出射度112),(M/52kThcehcT第39页第三节第三节微波与物质的相互作用微波与物质的相互作用一、微波与大气一、微波与大气一般电磁波频率越高（即波长越短），大一般电磁波频率越高（即波长越短），大气衰减作用越显著；相反，频率越低（即波

20、长气衰减作用越显著；相反，频率越低（即波长越长），大气衰减可忽略不计。越长），大气衰减可忽略不计。大气对微波的衰减作用主要有大气中水分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，大气微粒对微波的子和氧分子对微波的吸收，大气微粒对微波的散射。散射。第40页一、微波与大气一、微波与大气1、大气吸收、大气吸收不同波长时氧对微波的吸收不同波长时氧对微波的吸收第41页第42页一、微波与大气一、微波与大气微波遥感的窗口为：微波遥感的窗口为：2.062.22mm、3.03.75mm、7.511.5mm和和20mm以上的波长以上的波长第43页一、微波与大气一、微波与大气2、大气散射、大气散射微

21、粒直径远小于波长，发生瑞利散射；微粒直径相当于波长时，微粒直径远小于波长，发生瑞利散射；微粒直径相当于波长时，发生米氏散射。发生米氏散射。微波频率（波长）微波频率（波长）水滴的作用水滴的作用小于小于10.69GHZ(约约2.81cm)散射衰减作用小于吸收散射衰减作用小于吸收4.805GHZ（约（约6.3cm）散射作用是吸收的散射作用是吸收的1/10大于大于10.69GHZ散射作用不能忽略散射作用不能忽略如果不是暴雨和大雨，雨滴直径不超过如果不是暴雨和大雨，雨滴直径不超过2.5mm2.5mm，而微波，而微波频率不大于频率不大于19.35GHZ19.35GHZ时，雨滴的散射作用可忽略。时，雨滴的散

22、射作用可忽略。第44页一、微波与大气一、微波与大气3、云层噪声、云层噪声 云层本身的亮温作为随机干扰噪声叠加在云层本身的亮温作为随机干扰噪声叠加在目标亮温上，对目标的微波辐射亮度测量产生目标亮温上，对目标的微波辐射亮度测量产生影响。频率越高，噪声越明显。影响。频率越高，噪声越明显。 若实际物体在某一波长下的光辐射度若实际物体在某一波长下的光辐射度 (即即光谱辐射亮度光谱辐射亮度) 与绝对黑体在同一波长下的光与绝对黑体在同一波长下的光谱辐射度相等谱辐射度相等,则黑体的温度被称为实际物体则黑体的温度被称为实际物体在该波长下的在该波长下的亮度温度亮度温度。 第45页一、微波与大气一、微波与大气在在1

23、 1300GHz300GHz的频带内，随波长的减小，大气对的频带内，随波长的减小，大气对微波的衰减作用由弱到强，云层微粒和雨滴微粒对微微波的衰减作用由弱到强，云层微粒和雨滴微粒对微波的衰减作用也从极轻微到十分显著。波的衰减作用也从极轻微到十分显著。微波的重要应用价值：微波的重要应用价值：w 对于地空间的通信和空对地的观测，云、雨的影响可对于地空间的通信和空对地的观测，云、雨的影响可减至最小；减至最小；w 对云层进行观测，可得到关于云层含水量和分布范围对云层进行观测，可得到关于云层含水量和分布范围的信息；的信息；w 在有云层的情况下也可进行除云层参数以外的大气性在有云层的情况下也可进行除云层参数

24、以外的大气性质的测量。质的测量。第46页第三节第三节微波与物质的作用微波与物质的作用二、微波与地物二、微波与地物irrr(a)完全光滑表面完全光滑表面(b)较粗糙表面较粗糙表面第47页二、微波与地物二、微波与地物顺着入射方向的散射分量称为前向散顺着入射方向的散射分量称为前向散射，射，逆着入射方向的散射分量称为后向逆着入射方向的散射分量称为后向散射散射。(c)十分粗糙表面十分粗糙表面第48页二、微波与地物二、微波与地物微波散射与表面粗糙程度的关系：微波散射与表面粗糙程度的关系：w 对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。对于长波雷达，地表较光滑，背向散射小。w 同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷

25、达图像中由同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于背向散射强而显得亮。于背向散射强而显得亮。第49页二、微波与地物二、微波与地物第50页第四节第四节微波遥感波段微波遥感波段微波遥感波段：微波遥感波段：300MHz300MHz到到300GHz300GHz（波长从（波长从1mm1mm到到1m1m）被无线电界划分为：）被无线电界划分为：w 特高频（特高频（UHFUHF）：）：300MHz-3000MHz(300MHz-3000MHz(雷达雷达) )w 超高频（超高频（SHFSHF）：）：3GHz-30GHz3GHz-30GHz（遥感雷达系统）（遥感雷达系统）w 极高频（极高频（EHFEHF）

26、:30GHz-300GHz:30GHz-300GHz（大部分利用不（大部分利用不到）到）第51页第四节第四节微波遥感波段微波遥感波段第52页第四节第四节微波遥感波段微波遥感波段 地球资源应用中的常用波段：地球资源应用中的常用波段：X, CX, C，L L 波长增加，穿透能力增加。波长增加，穿透能力增加。 在晴朗天气状况下，大气对于波长小于在晴朗天气状况下，大气对于波长小于30mm30mm的的微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。微波略有衰减。随波长减小，衰减增大。 波长小于波长小于10mm10mm时，暴雨呈现强反射（用于机载时，暴雨呈现强反射（用于机载天气探测雷达系统）天气探测雷达系统）第53页第四节第四节微波遥感波段微波遥感波段 C C波段可以用来对海洋及海冰进行成像；波段可以用来对海洋及海冰进行成像； L L波段可以更深地穿透植被，所以在林业及波段可以更深地穿透植被，所以在林业及植被研究中更有用。植被研究中更有用。