卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing

卫星海洋遥感导论 An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing 第一部分海洋遥感基础第四章海洋遥感的微波基础武汉大学遥感信息工程学院

第四章海洋遥感的微波基础 Satellite Oceanic Remote Sensing 1 4.1 微波的特性 4.2 大气对微波遥感的影响 4.3 微波遥感的天线 4.4 雷达方程和散射截面 4.5 合成孔径雷达(SAR)的基础

4.1 微波的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 2 微波遥感利用波长范围：0.1-100cm。特点：全天候观测。目标观测量：频率、多普勒效应、极化（偏振）、后向散射（体散射、面散射）、海面风、波向、浪高等。缺点：数据处理复杂。基本概念：叠加原理、相干性（相干时间、相干长度）、衍射、极化。

4.1 微波的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 3 4.1.1 微波的衰减 4.1.2 微波的辐射 4.1.3 微波的表面散射 4.1.4 微波的体散射

4.1.1 微波的衰减 Satellite Oceanic Remote Sensing 4 • 微波的衰减是由于穿过大气时大气分子的吸收和散射以及与大气层中的物质发生复杂的相互作用。 • 大气对微波的衰减程度： • 大气成分及其物理性质相关，如H2O、O2的吸收和其它大气粒子（如雨滴）的散射； • 微波波长负相关； • 云层：吸收和散射微波，也自身发射微波，成为一种噪声，需要去除。

4.1.1 微波的衰减 Satellite Oceanic Remote Sensing 5 大气分子造成的微波吸收雨滴粒子造成的微波的衰减

4.1 微波的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 6 4.1.2 微波的辐射地球表面除辐射可见光、红外线以外，也辐射微弱的微波；黑体热红外—Plank定律；微波辐射—瑞利 -金斯定律；微波遥感中，目标称为“灰体”，用与之相同的具有等辐射率的黑体的热力学温度作为它的亮度温度TB；海面亮度温度TB；与海面真实温度之间的关系：TB=eTs 发射率e(,,i,s,Ss,u,)，观测的天顶角 、辐射计频率 、辐射计极化方式i、海面真实温度s、海面盐度Ss、海面摩擦风速u和风向的函数；影响海水的发射亮度温度的主因：海面粗糙度、泡沫，这在第2章中已经详细讨论过。

4.1.2 微波的辐射 Satellite Oceanic Remote Sensing 7 平静海面的发射率与入射角的关系

4.1 微波的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 8 4.1.3 微波的表面散射一些相关概念 • 表面散射 • 镜面反射：相干成分 • 散射：扩散成分或非相干成分 • 后向散射：反向传感器方向的散射

4.1.3 微波的表面散射 Satellite Oceanic Remote Sensing 9 散射波与表面粗糙度的关系

4.1 微波的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 10 4.1.4 微波的体散射大气、树、土壤、水体、积雪等对微波都可能产生体散射；穿透深度δ：功率降低到1/e时的距离，衡量体散射；体散射强度：介质体内的不连续性、密度的不均匀性成正比；体散射角度：介质表面粗糙度、平均相对介电常数、介质不连续性、波长等相关；雷达接收的信号：与体散射强度和体散射体积的积成正比。多个散射体分布时的体散射介质不均匀时的体散射

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 11 • 水汽、氧气的吸收； • 微粒（水滴如云雾、降水、冰粒、尘埃等）散射； • 云和降水的衰减等。大气对微波的总衰减系数为：氧气对微波的吸收水汽对微波的吸收大气粒子对微波的散射云和降雨的衰减作用

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 12 • 微波为长波时： • 波长远大于大气分子尺度，满足瑞利散射规律； • 分子和云滴的散射可以忽略； • 考虑大气的对微波辐射的发射和吸收。 • 微波为短波时： • 微粒直径大于波长，米散射； • 波长 >0.3cm，水滴直径 <0.1cm时主要为吸收作用，影响因素为总的液态水含量和云滴温度； • 波长 >0.3cm，水滴直径 >0.1cm（降水情况下）时主要为散射作用，瑞利散射规律不再适用。

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 13 4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收 4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收 4.2.3 云对微波的衰减 4.2.4 大气中微波辐射传输模式

4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收 Satellite Oceanic Remote Sensing 14 气体分子对微波吸收和发射主要是分子转动能级之间的跃迁结果，氧分子为双原子的线性分子，根据其特点，其微波吸收系数的公式： C1=2.6742 P为气压（毫米汞柱） v为频率（千兆） T为温度（K） K为玻尔兹曼常数 EN为能级，N=1,3,5,7,…,45 SN为分子跃迁下平均偶极矩阵元素 Van Vleck

4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收 Satellite Oceanic Remote Sensing 15 为共振线频率共46条有表可查半谱线宽度

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 16 4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收 • 水汽分子对微波吸收和发射主要也是分子转动能级之间的跃迁结果，它为三原子的非对称极性分子； • 其吸收主要处于远红外和亚毫米波区，其中两条位于微波波段，即1.348cm和0.163cm处，构成了水汽分子在微波区的主要吸收特征； • 水汽分子的吸收在1.348cm处为共振吸收，在其它高频吸收为剩余吸收。

4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收 Satellite Oceanic Remote Sensing 17 水汽吸收系数频率（GHz）温度（K）水汽密度（g/m3）气压（mbar）

4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收 Satellite Oceanic Remote Sensing 18 可以看出，水汽吸收系数与水汽密度有关，成正比：近似地：平均路径质量吸收系数 路径上的积分总水汽含量

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 19 4.2.3 云对微波的衰减云滴对微波的散射与吸收相比，一般可以作为瑞利散射处理，云的吸收比散射至少大一个量级，因此云的衰减系数可用吸收系数代替。云中液态水的吸收系数为：可近似表示为：其中，W为单位体积云中水含量，T为云滴温度（K），L为θ路径上的积分总水汽含量，Kcloud为云中水平均路径质量吸收系数。

4.2 大气对微波遥感的影响 Satellite Oceanic Remote Sensing 20 4.2.4 大气中微波辐射传输模式 • 有了上面计算得到的吸收系数，采用数值积分方法，可以模拟计算大气微波辐射传输； • 从地面到大气上界，可分为n层，各层的高度Zi, 温度Ti, 气压Pi, 吸收系数i，t(,i)为天顶角方向上地面到第i层的透过率：

4.2.4 大气中微波辐射传输模式 Satellite Oceanic Remote Sensing 21 对于光学上薄的大气层，辐射传输方程为： 方向上大气顶量温海面发射率海面温度透过率大气外部的向下辐射海面处大气的向下辐射大气顶层向上辐射银河噪声 (<1K, f>3GHz) 宇宙背景辐射 (3K) 太阳辐射

4.2.4 大气中微波辐射传输模式 Satellite Oceanic Remote Sensing 22 大气温度为：大气总的吸收系数海面上方高度为z处的大气热力学温度

4.3 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 23 • 天线：高频电流－无线电波转换器； • 天线主要用来发射和接收无线电波，互易且相互关联； • 天线的类型： • 喇叭天线（角锥、圆锥）：校正用天线； • 反射镜面天线（抛物面、卡塞格林及其补偿馈电型）：辐射计、散射计、高度计等； • 相控阵天线（多个单元天线构成，包括线性、平面、曲面阵列）：SAR、真实孔径雷达等。

4.3.1 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 24 抛物面天线结构图

4.3.1 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 25

4.3.1 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 27 卡塞格仑天线原理图

4.3.1 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 30 常见的微波遥感天线真实孔径雷达用的x波段波导管隙缝阵列天线

4.3 微波遥感的天线 Satellite Oceanic Remote Sensing 32 4.3.2 天线的特性天线孔径是在天线上靠近天线的一个假想表面，孔径上天线能量的分布确定了天线方向图。辐射出去的那部分发射功率雷达的辐射效率：（θ,φ）表示方向。天线的辐射方向函数：

4.3.2 天线的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 33 天线的三个主要性能参数 • 增益（和有效孔径） • 辐射方向图（包括波束宽度、旁瓣） • 阻抗（电压驻波比）

4.3.2 天线的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 34 1. 天线增益表示某一天线与标准天线得到同样功率时在同一方向上的功率密度之比，用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。方向增益(方向性系数) 功率增益功率增益一般小于方向增益

4.3.2 天线的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 35 2. 有效孔径天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。有效孔径等于几何孔径与孔径效率的乘积，表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益；有效孔径是一个面积，它与入射功率密度相乘后可以给出天线的接收功率：

4.3.2 天线的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 36 3. 辐射方向图天线中辐射的电场的大小是依方向变化的，称为天线的指向特性，将这个指向特性用天线方向函数图表示时叫辐射方向图。天线辐射平面方向图示意图

4.3.2 天线的特性 Satellite Oceanic Remote Sensing 37 4. 波束宽度最常用的是半功率波束宽度（HPBW），辐射电磁场的大小从主瓣的峰值下降3dB 的2 个点之间的角度间隔。天线的波束宽度与天线孔径的大小、孔径上的振幅与相位分布有关。波束宽度因子的比例常数孔径的尺寸自由空间的波长

4.4 雷达方程和散射截面 Satellite Oceanic Remote Sensing 38 后向散射（backscattering）雷达横截面（Radar Cross-Section，RCS）－  标准化雷达后向散射截面（normalized radar cross section，NRCS）或后向散射系数－ 0

4.4 雷达方程和散射截面 Satellite Oceanic Remote Sensing 39 星载雷达的测量过程示意图

4.4 雷达方程和散射截面 Satellite Oceanic Remote Sensing 40 雷达方程（Radar Equation）的基本形式式中： Pt（Watt 瓦特）为雷达的发射功率， λ为波长， R（m）为距雷达的距离， A（m2）为散射面的面积， Ae（m2）为天线接收能量的有效面积， G为天线增益，Pr（Watt 瓦特）为接收功率。

4.4 雷达方程和散射截面 Satellite Oceanic Remote Sensing 41 雷达方程的一般形式雷达方程的最终形式校准系数镜面反射的贡献 Bragg散射的贡献

4.5 合成孔径雷达的基础 Satellite Oceanic Remote Sensing 42 基本概念多普勒效应及雷达多普勒效应多普勒频率及其分辨率 SAR距离分辨率和方位分辨率海面SAR成像的复杂性海面雷达散射及其成像模型海浪的雷达成像原理与理论长波的轨道速度的影响倾斜调制粗糙度调制波浪运动和时间变化的作用参量相干作用的影响轨道速度的作用雷达观测海面示意图

4.5 合成孔径雷达的基础 t - 雷达脉冲持续时间（s）  - 散射雷达信号的多普勒频（Hz） c - 光速（ms-1） r - 从卫星到观测区域的距离（m） D -天线孔径方位角入射角卫星高度方位角雷达脉冲间隔倾斜距离分辨率距离分辨率宽度长度方位分辨率 Satellite Oceanic Remote Sensing 43

4.5 合成孔径雷达的基础 Satellite Oceanic Remote Sensing 44 4.5.1 基本概念 1. 多普勒效应及雷达多普勒效应由观察者和辐射源的相对运动所引起的电磁辐射的频率改变，就叫多谱勒效应。如果辐射源和观察者之间的距离缩小，接收信号的频率‘就高于传输信号的频率，导致正的多谱勒频移d；如果辐射源和观察者之间的距离增加，则有相反的效应，多谱勒频移是负的。当辐射源和观察者虽然相对固定但散射体或反射体运动，也会产生多谱勒效应。

4.5.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 45 多谱勒效应在遥感中用于观察目标的运动。它也是合成孔径成像雷达利用的基本物理效应，以获得分辨率非常高的图像。

4.5.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 46 安装在卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球海表面发射频率为0的电磁波。由于在照射区域B内，总是存在一些不规则的地物起伏，而且卫星与地球表面存在相对运动，故相对速度等于地速矢量υ在波束方向上的投影，即：而B点所接收的电磁波频率为：波束指向卫星前下方时，接收的频率高于发射的频率；同样当波束指向卫星后下方时，接收频率低于发射频率。雷达接收到的回波频率：

4.5.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 47 2. 多普勒效应频移和多普勒频率分辨率多普勒频率为相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差额：于是有：多普勒频率分辨率：卫星在采样时间内移动的距离方位角的角分辨率：

4.5.1 基本概念 SC代表卫星与探测点之间的距离，AB代表沿雷达波束在地面的投影方向上能够分辨的最小距离，即距离分辨率。卫星入射角 Satellite Oceanic Remote Sensing 48 3. 合成孔径雷达的距离分辨率和方位分辨率雷达的距离分辨率指雷达在地面能够分辨的最小距离。一般用δy表示，由发射雷达脉冲投影到海表面的长度来确定，即：

4.5.1 基本概念 Satellite Oceanic Remote Sensing 49 方位分辨率取决于可以测定发射信号的多谱勒频移所具有的精度。真实孔径雷达的方位角分辨率为δx，它的值与雷达波长（wavelength）λ和孔径（aperture）D的比值有关，表示为：得合成孔径雷达的方位分辨率为：

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