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1、微波遥感基础知识讲义微波遥感基础1一、微波遥感物理基础2二、微波遥感技术的简介42.1 微波遥感42.2 微波遥感器52.2.1 雷达散射计52.2.2 微波辐射计52.2.3 雷达高度计62.3 微波遥感技术的特点72.4 微波遥感的优越性72.5 微波遥感的不足72.6 微波微波拥有强大生命力的根源72.7 我国微波遥感的差距8三、雷达概念、分类83.1 成像雷达83.2 非成像雷达83.3 真实孔径雷达93.4 合成孔径雷达93.5 极化雷达103.6 干涉雷达113.7 激光雷达113.8 侧视雷达11四、微波遥感图像114.1 雷达图像111.1 .1雷达图像111.2 .2雷达图像
2、显示121.3 .3雷达图像分辨率121.4 .4雷达图像的处理124.2 侧视雷达图像134.3 雷达图像校准144.4 雷达图像定标144.5 雷达图像模拟14五、微波遥感定标15六、微波遥感概念、理论和技术的突破15七、我国微波遥感的差距16八、微波相关技术介绍178.1 偏振探测技术的特点178.2 微波散射特性18九、微波遥感有待进一步研究的问题19十、微波遥感的应用2010.1空间对地观测20发现时球面波波数又有规律地增加。这样形成的整个图像，也不想真实孔径雷达图像那杨, 能考到实际的地面图像，而是一相干图像，它需要处理后才能恢复称地面的实际图像。3.5 极化雷达极化雷达是指在极短
3、的间隔中发射H、V极化波脉冲，并同时接受H、V回波。Huynen为雷达极化理论的发展提供了动力，他提出了一些散射矩阵的测量方法，包括 间接法和直接发，其中的直接法被现在的极化SAR广泛采用；特别是1970年其在博士论文 中提出了 “雷达目标现象学理论”，该理论充分利用散射矩阵提供的信息研究了适合所有目 标的雷达目标的一般特性（包括几乎特性），较好地解释了雷达目标的散射机理。由于这一 重要理论的发展，也由于技术水平的提高，20世界70年代，开始了新一轮极化研究和实验, 直到现在，极化研究仍是雷达领域中的一个研究热点。Poelman对多极化技术的应用作出了重要贡献，特别是在自使用极化滤波领域。19
4、81 年，Poelman根据矢量合成原理提出了一种新的方法：极化合成，即在成像处理后，利用己 获得的目标散射矩阵重新生成任意特定极化方式的雷达遥感图像。极化合成理论的提出，使 得多极化雷达系统的复杂度大为下降。Boener对目标散射的极化特性进行了进一步的研究，他将极化合成技术应用到逆散射 和目标识别问题中。目前关于极化SAR的研究可以分为三大类：极化SAR系统研究、目标极化散射特性的 研究和极化SAR图像的应用及分析。极化SAR系统研究包括设计新的极化SAR系统，特别 是星载极化SAR系统、开发极化SAR的新功能，如极化SAR干涉、极化SAR定标、极化SAR 系统模拟、极化SAR误差分析等；
5、目标极化散射特性的研究包括完善目标散射理论，特别 是部分极化散射和双基地散射问题、建立新的散射模型等；极化SAR图像的应用与分析， 包括开发新的应用领域、目标分类、增强和识别、加护滤波、图像统计特性分析、极化数据 融合、目标散射机理分析等。多极化SAR的意义是非常重大的，至少体现在以下几个方面：1）提供更加丰富的目 标信息；2）有利于确定和理解散射机理；3）有利于提高目标检测，辨别和分类能力；4） 有利于扩大SAR系统的应用范围；5）有利于抑制杂波，提高抗干扰能力；3.6 干涉雷达干涉雷达是指采用干涉测量技术的合成孔径雷达，也有称双天线SAR或相干SAR.3.7 激光雷达激光阵列距离扫描仪（L
6、aser Range Scanner,又称为激光雷达）是一种主动遥感方法，也是 现代遥感领域的最新技术之一。激光雷达技术的特点：1）空间时间分辨率高，探测动态范围大，能部分穿越树林遮 挡，直接获取神识地表的高精度三维信息；2）可获得来自目标的能力分布图像、距离选通 图像和速度图像；3）激光雷达扫描或获取的数据量大，数据点密度高，完全能反映物体表 面特征，所以测量精度高，灵敏度高，抗干扰能力强；4）可用于水下探测和水下通信。3.8 侧视雷达侧视雷达是在飞机或卫星平台是哪个由传感器向与飞行方向垂直的侧面，发射一个窄 的波束，覆盖地面上这一侧面的一个条带，然后接受在这一条带上的地物的反射波，从而形
7、成一个图像带。随着飞机或卫星的向前飞行，不断地发射这种脉冲波束，又不断地一个一个 接受回波。从而形成一幅一幅的雷达图像。侧视雷达系统标识为SLR系统（Side-looking Radar System）o如果是侧视机载雷达系统则 标识为SLAR系统。系统中的天线称之为真实孔径天线。四、微波遥感图像4.1 雷达图像4.1.1 雷达图像微波主动式传感器获得的图像常称为雷达图像，这是因为成像微波遥感常采用真是孔 径雷达和合成孔径雷达，都是由雷达发展而来的。所谓雷达就是借助发射无线电波，接收目 标的反射信息以进行探测，当将探测到的各种信息及其它特征信息显示在一幅图像上时就形成了微波遥感图像。4.1.2
8、 雷达图像显示雷达图像有两种距离显示形式，即地距显示和斜距显示。雷达俯角是雷达波束与水平面之间的夹角。4.1.3 雷达图像分辨率雷达图像的分辨率就是图像上一个像元大小对应于水平地面的大小。由于一个像元的 长和宽对应的地面长度和宽度距离常常不相等，因此将分辨率分成两种。把在侧视方向上的 分辨率称为距离分辨率，沿航线方向上的分辨率称为方位分辨率又叫沿迹分辨率。对于雷达遥感，空间分辨率是指传感器区分地面上相邻两个物体的能力。4.1.4 雷达图像的处理图像的质量参数还包括图像的几何精度，在利用图像进行量测分析时必须考虑着一参 数，它是经过图像几何处理最后所达到的精度。雷达图像的几何纠正：利用多项式的几
9、何校正方法、利用模拟图像的几何校正法。雷达遥感可以获得高分辨率的雷达图像。这时因为：1）雷达是以时间序列来记录数 据，而不像相机、光机扫描仪是根据多波长透镜的角距离来记录数据;2）地物目标对微波的 散射性能好，而地球表面自身的微波辐射小；3）除了个别特定频率对水汽和氧分子的吸收 外，大气对微波的吸收与散射均较小，微波通过大气的衰减量小。雷达散射及雷达波束对地面倾斜照射，产生雷达阴影，即图像暗区。此明暗效应能增 强图像的立体感。雷达是一个测距系统。发射雷达脉冲的曲率使近目标回波此案到达，远目标回波后到 达。因而顶部先成像，并向近射程方向位移。这种雷达回波的超前现象，形成顶部位移的“叠 掩倒像”。
10、雷达图像的处理：辐射定标与辐射纠正；去斑点噪声；图像散斑的平滑处理：SAR可以获得分辨率很高的图像。但是，由于散斑的影像，使 图像的刻盘独行大大降低。散斑是由于雷达发射相干脉冲经目标作用在图像上产生的相干明 暗斑点。目前，一般是采用多视凭据算法平滑散斑的影像，但它是以损失地面分辨为代价的, 在选择多视数时，必须权衡对地面分辨率的影响。因此，继续研究散斑性质，寻求一种保持 分辨率不变的条件下消除雷达图像散斑影像的方法，对于提高雷达图像的判读效果是很重要 的。图像的几何校正和辐射校正：雷达图像一般采用斜距显示（投影），使图形比例尺随 距底点的距离而变化。高于地面的目标在图像上产生透视收缩、叠掩等几
11、何畸变。另外，在 透视收缩区和叠掩区，由于回波信号的叠加，影像色调较亮。因此，必须对雷达图像惊醒几 何校正和辐射（灰度）校正。雷达图像的几何校正、平坦地一般是利用相应地区的地形图采 用多项式拟合的方法配准校正；山地一般是利用工艺有的DEM模拟雷达图像，并与实际雷 达图像配准，然后再把实际雷达图像纠正称正射影像。但是，如何提高几何校正的精度和速 度，以及透视收缩的影像景几何拉伸后的灰度应如何赋值等问题，还有待进一步研究。4.2 侧视雷达图像侧视雷达图像的几何特征与摄影图像和扫描影像都很不相同，因为侧视雷达图像的产 生与天线到地物的距离和角度密切相关，而不仅仅是与摄影或扫描角度相关：斜距图像的比
12、例尺变化；地形畸变（头饰收缩和叠掩）；背坡影像和阴影；侧视雷达图像的参数包括系统的工作参数和图像的质量参数。侧视雷达图像的几何特点：1）斜距显示的近距离压缩；2）侧视雷达图像的头饰收缩 和叠掩；3）雷达阴影；侧视雷达图像的信息特点：1）地物目标对雷达波束的集中不同反应；2）地物目标的 几种类型；3）影像雷达图像色调的因素；4）雷达图像中的某些虚假信息；5）雷达图像中 的其它异常现象；侧视雷达属斜距投影类型传感器。对于合成孔径侧视雷达，其成像过程可分为两个阶 段。首先，利用雷达相干波产生全息的雷达信号图像，然后通过光学解码系统，将雷达信号 变为实地图像。侧视雷达图像的几何变形分析：斜距投影变形，
13、外方位元素变化的影响，地形起伏的影响，地球曲率的影响，大气折射的影响，地球自转的影响。4.3 雷达图像校准雷达天线接收地物的目标回波，然后形成图像，在这一过程中，不仅受地物目标散射 能力的影像，而且受雷达系统本身性能的影像，因此辐射校准包括了对雷达系统的内部校准 和利用标准体的外部校准即绝对校准。内部校准是为了克服信号获取过程中的系统误差，外部校准是为了解决回波量测过程 中的随机误差。经过校准后，才能对雷达图像定标，建立图像灰度与地物把目标散射回波的 对应关系。4.4 雷达图像定标雷达图像的定标是确定图像的灰度与标准雷达散射截面的关系。定标是定量分析的前 提，定标后，即可由雷达图像的灰度计算出
14、地物目标回波的绝对值。4.5 雷达图像模拟雷达图像模拟的价值：1）它是雷达系统最优化方案的依据。2）用于图像的几何校正, 因为只要找到真实图像与模拟图像之间的关系，就可以对真实图像进行几何校正。3）用于 培训图像判读分析人员，因为按照雷达图像特有的成像几何关系和地物目标特征所进行的模 拟，可以从多方面培训专业人员。4）由于将多年研究所积累的资料用于模拟，在地物目标 散射特性与雷达图像之间建立起定量关系，因而可以吧模拟图像作为参照，在利用真实图像 的时候，进行定量分析，比如进行土壤湿度的量测等。5）在军事上用于无人驾驶飞行器的 导航，制导等。在模拟雷达图像的过程中，必须以两类数据库作为前提，一个
15、是地理信息数据库，一 个是地物目标特性数据库。地理信息数据库包括数字高程模型（DEM）和土地利用信息数据， DEM是按地面格网点采集高程数据组成的一个数据集合，它可以由地形图等高线的数字化, 然后按格网插值而得。土地利用信息数据主要是各种地物的分布现状数据，在计算各种地物 的散射回波强度时，必须以每个格网所对应的地物为依据，所以土地利用数据是不可少的。4.6 雷达图像几何校正侧视雷达图像的几何变形分析：斜距投影变形，外方位元素变化的影响，地形起伏的 影像、地球曲率的影响，大气折射的影响，地球自转的影响，五、微波遥感定标微波遥感定标是利用被测物体微波辐射或散射特性获取遥感图像和数据。星载微波遥
16、感定标技术就是研究和确定遥感器输出数据与所观测目标特性之间的对应关系。微波遥感定 标分为无源遥感定标和有源遥感定标两种；前者主要研究遥感器输出与被测物体辐射特性的 一致性等。星载有源微波遥感(AMI)定标技术，它是研究遥感器输出与被测物体散射特性的一致成 都，常用的AMI和SAR、微波散射计和雷达高度计，目前所有星载AMI均工作与Ku波段以 下频率。定标技术的采用使得星载AMI有可能进行精确(PRECISION)测量和(ACCURACY)测量。精 确测量值对测量作相对定标，只需考虑系统部分参量变化就能得到研究其时间和空间变化特 性所需的全部信息，前提是在整个测量过程中要使用同一测量系统。当对不
17、同体质遥感测量 结果作比较时，就需要准确测量即进行绝对定标，此时要考虑AMI参数变化绝对值及其固 有偏差。AMI定标的有关技术：天线修正技术、地面定标系统、飞机和卫星搭载试验、星载AMI 定标误差分析。inSAR技术是由Graham Goldstein和Zebker首先提出的,后由Li和Goldstein作了进 一步研究。该技术通过同一目标的两个相干SAR图像的相位差获得地面高度的估值数据， 系统的水平分辨率则分别由六、微波遥感概念、理论和技术的突破现代微波遥感发展40余年形成的若干代表性概念、理论和技术突破，主要有如下几 占 八、1)孔径合成概念及技术的发展：这一技术已成为当代遥感中最主要的
18、探测手段之一。 而且不仅仅是合成孔径雷达机器多模态的工作模式，现已发展成被动遥感孔径合成技术（合 成孔径辐射计）。2）提出了有别于传统的有效截面（后巷散射系数）和概念。在此理论基础上，微波 散射计成为能够测量海面风场等具有遥感功能的设备。3）在高度测量中采用了线性调频技术（Chirp）,大大提高了其测量精度。4）形成了多通道辐射测量技术及合成孔径辐射计概念。5）提出了干涉成像高度计的概念：这一技术的提出使传统高度计在能给出海面平均 高度、有效波高及风俗的同时丁在较宽的足迹上成像且可海陆兼容，其高层分辨率与传统 SAR可比，二维分辨率低于SAR,但整个系统简单。近几年又提出了高性能、高精度高度计
19、 的概念（HiPA或DDA）,用简化的系统达到更高测量精度。6）提出并形成笔型波束扫描型散射计和扇形波束扫描型散射计的概念，为在保持高 测量精度条件下简化系统引进了新的机理。7）发展了多模态综合探测的机理、技术及处理的探测体制。8）权电磁波参数作为信息载体。遥感信息源深入到全电磁波的各参量中，使目标的 信息更加全面，更加丰富、更加精确，大大推进了遥感定量化。9）发展了新的信息处理方法及技术，逐步推进了 “向先进处理技术要精度、要效益”。10）以小卫星，临近空间飞行器作为平台的遥感技术正在成为空间探测的重要手段， 特别是小卫星编队飞行技术为基础的“空间虚拟平台”、“虚拟探测技术”、“虚拟载荷”等
20、空 间探测技术将在未来空间探测中具有重要位置。七、我国微波遥感的差距中国航天事业目前与发达国家相比还存在以下差距：1）从整体上看我国探测器技术， 在重量、功耗、集成度及探测精度等方面与先进航天国家相比还有一定差距；2）高分辨率 空间遥感数据缺乏，仍然无法摆脱对国外数据源的依赖；3）覆盖全球和全国的实时、及时 数据缺乏,还无法满足国家经济社会发展重大问题及国防安全等应用的迫切需求;4）定量 检测与人类生存休戚相关的遥感数据缺乏，无法在环境外交上九全球环境变化、区域响应等 方面的问题与人对话；5）先进空间遥感数据获取、分析、提取能力缺乏，难以进一步在深 层次上加深对地球系统过程的全面认识；6）缺乏
21、有效共享数据的机制和平台；7）中国的深 空探测活动甘冈起步，在行星际飞行技术、深空导航与测控技术、探测器着陆与巡视等方面 基础薄弱，有待搭理发展和技术突破。我国微波遥感技术与国际先进水平的主要差距主要表现在以下几个方面：1）缺乏长远 的统筹协调发展的规划；2）微波遥感科学基础和基础技术能力薄弱；3）高分辨率空间遥感 数据缺乏，因而无法摆脱对国外的依赖；4）缺乏及时覆盖全球和全国的数据，无法满足国 家经济社会发展重大问题对遥感的需求；5）缺乏定量检测与人类生存秀气相关的遥感数据, 无法就全球环境变化及其区域响应问题在环境外交上与人对话；6）先进空间遥感数据获取、 分析、提取能力缺乏，难以进一步在
22、深层次上加深对地球系统过程的认识。我国微波遥感发展中需要认真思考的问题和建议：1）要全面、科学地认识微波遥感技 术，全面认识和配套发展技术、应用及基础理论研究工作；微波遥感使一个包括信息获取、 星上处理、传输、地面处理及应用处理的权过程。从学科层面，包括基础研究、应用研究、 技术研究等方面。从技术体系上考虑，包括微波辐射计、微波散射计、微波高度计、微波雷 达（合成孔径雷达）。它们各自成为独立的遥感体系，应用机理及领域各不相同，在多数应 用中互相补充，协调工作。目前，由于各种原因，有时把SAR作为微波遥感的全部，这对 正常发展微波遥感技术不利。2）关于成像和非成像信息的应用问题。3）关于空间分辨
23、率的 问题。4）发展先进数据处理技术；通过采样数据的超分辨力分析及相干处理、利用相位信 息，可实现高分辨力图像；通过定标和验证，提高定量化说平等。对数据的深入挖掘可以提 升遥感系统的应用能力；通过极化、相位干涉处理可获得高程信息；利用极化散射矩阵特征 分解或处理，可获得目标本证信息等。5）关于增强微波遥感科学基础及技术基础设施建设 的问题。我国微波遥感乃至整个空间应用的科学基础研究很薄弱，空间科学基础设施及配套 设施很弱。特别要极强基础器件及频段器件（特别是毫米波、亚毫米波器件）的自主研发能 力。要重视先进材料研究，使星载系统轻型化、小型化和低耗功化。6）重视海洋、陆地及 空间的定标、校准场建
24、设，加强真实性检验工作的研究与应用。7）开发全电磁参量信息获 取技术与综合探测技术。8）智能处理技术和系统小型化。9）国际合作。八、微波相关技术介绍8.1 偏振探测技术的特点偏振探测是拓展对地测领域的一项重要技术。与其他传统光学和辐射遥感方法相比，偏 振探测技术有三方面的独特优点：1）偏振探测可以解决如云和气溶胶的粒径分布等传统光 学遥感无法解决的一些问题；2）偏振测量无需准确的辐射量就可以达到相对较高的精度； 3）在取得偏振测量结果的同时，还嫩那个得到辐射量的测量数据。偏振探测技术的应用现状：大气探测；地球资源调查；海洋监测和军事应用；SAR的贷款和天线长度确定。利用现在SAR技术比较容易满
25、足地形图对水平分辨率的要 求，系统的垂直分辨率则受信号波长等因素限制，此外inSAR具有宽幅和全天候特性。这些 都是立体相机和激光高度计等光学遥感器所达不到的。现有的inSAR分两种类型：1）双轨道型（duaLpass or repeat-pass）同一雷达沿两条平行轨 道对同一目标采集的两幅图像相干而成。2）但轨道型或双天线型（single-pass or dual-antenna） 两幅天线装在同一遥感平台上，分别与飞行路线垂直，各自获取一幅图像，两幅图像相干。8.2 微波散射特性SAR接收的目标后散射信号的幅度主要取决于目标表面的复介电常数和表面的粗糙度。 散射度随目标表面的复介电常数的
26、增加而增大。散射角特性由目标表面的粗糙度决定。光滑 便面引起镜面反射，后向散射幅度很小。随着表面粗糙度增加，散后成分相对增大。因此, 将后向反射微波信号与被测目标的物理量之间建立严格的对应关系，推知遥感目标的物理特 性和运动特性，就可达到识别目标的目的。随机表面反射幅度取决于采用的微波波长与观测目标表面粗糙度的特征尺度的相对关系，个 使用瑞利散射判据和夫琅禾费判据。因此，微波波长不同，后向散射信号幅度也不同。目前 微波遥感常使用X、C、L、P波段。如果同时取得同意地面的多波段SAR图像，那么久与多 光谱图像一样，可以提高识别目标的效果。微波特性除波长特性外，还包括极化特性。极化表示电磁波电场震
27、动方向。微波从一个介质进入另一介质，在介质内部产生体散射。体微波散射特性主要取决于戒 指的不均匀性和电磁波穿透的有效深度。散射强度正比于介质内介电常数的不连续性和不均 匀性的密度。散射的角方向性取决于分界面粗糙度、介质的平均介电常数、以及相对于波长 的不均匀性的几何尺寸。SAR的技术发展过程：从50年代后期SAR研究成功到目前为止，雷达成像经历了从真是孔径到合成孔径、从机载到星载、从单极化到多极化、从单波段到多波段、从数据的光学 处理到数字处理、从SAR到INSAR（合成孔径雷达干涉测量）等技术发展过程。九、微波遥感有待进一步研究的问题根据姜景山讨论的未来微波遥感发展战略决策。在21世纪初要配
28、套进行一下几方面的 工作：1）提高遥感器性能及发展新机理，发展星载微波遥感器，包括星载合成孔径雷达、星 载多模态微波遥感器和星载多波段微波辐射计；发展新型微波遥感器，包括扫描式微波高度 计（成像雷达高度计）、小型微波遥感器、高空间分辨率微波辐射计、模块化先进微波遥感 器。地面被动探测雷达等。2）加强应用研究扩大应用成果，微波遥感的应用十分广泛，但 由于其信息的特殊性，必须对不同应用都要做深入的应用研究，包括应用机理、信息处理、 信息分析、介质影像的消除以应用模式等研究。紧密结合21世纪我国航天发展，要研究微 波遥感在天基综合信息网中的应用，在数字地球。精准农业。全球变化、军事应用、灾害监 测及
29、预报等方面的应用机理及基础研究。3）开辟更高的频率域及全电磁波综合观测技术， 用于微波遥感的的微波频率包括厘米波、毫米波、亚毫米波，目前为止辐射计频率已覆盖至 200GHz以上，而且实用；高于300GHz频率，主要由于技术条件的限制尚离真正实用有一 段距离。根据报道美国等国已在600GHz左右频段上做了接受器件而且在不久的将来要达到 实用化。我国也是由于技术限制目前用于遥感的频率限制在90GHz，远远不能满足用户要求, 因此，要有计划地开展扩充频率域工作，争取在20世纪内达到200GHz。21世纪初力争突 破400GHz,争取赶上国际水平，逐步开展综合观测技术研究。4）遥感器微小型化工作，小
30、卫星已成为当前和2世纪航天的重要组成部分,而有效载荷的微小型化则是关键问题。因此, 要重视微波遥感器的小型化。微波遥感器与光学系统相比，天线的小型化成为主要难题。因 此从两个方面入手解决这一问题：要研究出新的工作原理，达到易于小型化的目的；用先进 技术来解决天线系统小型化问题。5）加强基础研究工作：L微波遥感定量化研究：包括建 立内外参考标准，建立经验模式，实地数据测量，地物散射源分析等；2彳散波遥感理论研究: 包括建立海洋应用模式及反演，大气应用模式及反演，地面异常信息反演等；3.电磁波和目 标相互作用研究：包括介电特性研究；测量并建立吸收、散射、消光特性模型；面散射、提 散射及去极化；毫米
31、波，特别是大气窗口研究；信息提取及算法研究；多参量（多频率、多 入射角、多极化）研究；多种数据（包括非遥感数据）复合分析.建立空间数据及信息 系统；4）建立功能较强的微波遥感信息库；一、微波遥感物理基础电磁波具有波长（或频率）、传播方向、振幅和极化面（亦称偏振面）四个基本物理量。 极化面是是指电场振动方向所在的平面。电磁波谱有时把波长在mm到km很宽的幅度内通称为无线电波区间，在这一区间按照 波长由短到长又可以划分为亚毫米波、毫米波、厘米波、分米波、超短波、短波中波和长波。 其中的毫米波，厘米波和分米波三个区间称为微波波段，因此有时又更明确地吧这一区间分 为微波波段和无线电波段。振幅是指电场振
32、动的幅度，它表示电磁波传递的能量的大小；极化面是指电场振动方向 所在的平面。所谓极化，即电磁波的电场振动方向的变化趋势。线极化是电场矢量方向不随时间变化得情况，它又分为两个方向的极化，即水平极化和 垂直极化。水平极化是指电场矢量与如赦免（例如侧视雷达发射的很窄的垂直于地面的扫描 波束所形成的一个平面）垂直。而垂直极化是指电场矢量与入射面平行。若发射和接受的都 是水平极化（或垂直极化）电磁波的，则得到图像为交叉极化图像（HV或VH）。一般来说 有四种极化图像。同一地物对不同极化波的反映是不一样的。热能所产生的热辐射是一种重要的电磁辐射，因为热能的本质物质微粒的无规则运动的 功能，这种无规则运动引
33、起微粒间的碰撞，使得电子轨道运动、原子或分子的振动或转动发 生变化，微粒进入高能运动状态，在其重又转变为低能运动状态的过程中个，就发射出电磁 波，热能也就因此转化为电磁能。所以在一定条件下，任何物体都能向外发射电磁辐射，而 这种因热运动所引起的电磁辐射通常称为热辐射，一般只要我温度在0K以上，一切物体都 发生发射出由这一温度所决定的热辐射。物质微粒运动状态的很微小的变换就能产生微波辐 射。具有任意极化的电磁波都可以分解为TE波和TM波两个分量。TE波是电场矢量垂直于 入射平面的极化波，即水平极化波。TM波则是电场矢量平行与入射平面的极化波，即垂直 极化波。微波也是无线电波，其波长从1mm到10
34、00mm,微波在接受和发射时常常仅用很窄的十、微波遥感的应用10.1 空间对地观测为提高对地观测数据获取能力，在国家长期规划、“十一五”发展规划、“八六三”技术、 “九七三”几乎阿吉自然科学基金等研发渠道支持下，以布局了众多预研或有型号背景的研 发项目。下面介绍迹象具有代表意义的项目：1)可见光成像仪，我国在未来儿年研发重点 是：进一步提高空间啊分辨率的同时，加大覆盖宽度，减轻设备重量，降低功耗，提高可靠 性。其分辨率目标是在500km高度上达到0.1m。2)积极发展超光谱成像技术，主要研究 目标是进一步扩大谱段数，提高谱分辨率，研发多工作模式的成像光谱仪。3)微波至亚毫 米波段遥感器，研发重
35、点是进一步拓展频率，开辟亚毫米(THz)空间探测及成像技术，推动 电磁波“间隙”的合拢，研发小型化和低功耗，扩大应用适应能力，主要研发项目有：三维 成像高度计；综合孔径辐射计；地球同步轨道太赫兹探测仪；全球化探测技术；海洋综合探 测技术；超高性能小型雷达高度计(CHiPA)；圆迹SAR(CrSAR);极化干涉技术(POLIN-)；逆合成 孔径雷达技术(ISAR)；高性能合成孔径雷达。3)权电磁波参量探测及全谱段融合探测，研发 重点是全极化目标 探测，多谱段综合探测及信息的融合处理。5)空间激光探测技术，激光 探测技术在一些应用中具有紧迫的需求，国家上夜十分中值其发展。我国在前几个5年极化 研发
36、中已研究机载系统；在今后发展中，星载激光探测技术研究应得到重视，子啊“十一五” 及中长期规划和“八六三”极化中已有一定的投入。6)深入研究先进的信息处理技术，通 过对采样数据的超高分辨率分析及相干处理，利用相位信息，可获取高分辨率图像。通过定 标和验证，提高定量化水平。对数据的深入挖掘可以提升遥感系统的应用能力，通过极化、 相位干涉处理可获得高程信息，利用极化散射急诊特征分解或处理，可获得目标本证信息7) 重视研究和应用空间分布式系统及航天器编队飞行技术。空间虚拟技术如“虚拟平台”、“虚拟天线”、“虚拟孔径”、“虚拟雷达”等。10.2 地物的微波辐射10.2.1 植被与空地相比，植被表面的发射
37、较低。而且当植被覆盖度增加时，微波辐射的水平极化 和垂直极化的差别减小。（可用于评估植被覆盖度）冠层的背向散射与下列因素有关：散射几何；散射体尺寸分布；叶面积；极化；行结 构及方位；10.2.2 海洋谁的微波辐射通常比较低，发射率Ui温度及盐分变化。检测海冰，估计海温。10.2.3 土壤湿度液态水吸收微波辐射。因此，湿润的土壤的微波 辐射主要来自表面薄层。对于干燥 的土壤，微波辐射可以来自10倍波长甚至100倍波长深的地里。对于雪和冰，微波可以透 过，我们可以获得被雪或冰覆盖的地物的信息。土壤的被向散射与下列因素有关：散射几何；雷达俯角；与土壤含水量正相关；波段，所以把微波波段又加以细分并给予
38、详细的命名。在微波遥感中Ka, X, L等都是常用 的波段。波段名称波长（cm）频率(mh2)Ka0.751.14000026.500K1.1 1.672650018.000Ku1.672.418.00012.500X2.43.7512.5008.000C3.75 7.5s7.5154000 2000L15 - 3020001000P301001000300X band:广泛地应用于军事侦察和商业地形勘测；C band:用于记载和星载系统；如ESA的E-ERS1&2卫星和加拿大的RADARSAT；L band:在宇宙飞船飞行任务中经过测试并运行于日本的JERS-1卫星；微波遥感波段：被段名称P
39、LSCX频率区间 被段名称CGHz)0.2250.390 K0.3901.550 Q1.5504.2074.205.75W5.7510.90频率区可CGHz)10.9036.03 5.046046.056.056.01OO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30mm的微波略有 衰减。随波长减小，衰减增大。波长小于10mm时，暴雨呈现强反射（用到了机载天气探 测雷达系统）。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 散射。气体分子所具有的能量有几种形式，即平移动能，与轨道有关的电子能量，振动能量 及转动能量。一般采用、和20mm以上的波长作
40、为微波遥感的 窗口，在这四个波段内大气的吸收作用使很小的。当地物表面是粗糙面时，入射电磁波就会产生散射，即向各方向漫反射，顺着入射方向 的散射分量称为前向散射，逆入射方向的散射分量称为后向散射。二、微波遥感技术的简介2.1 微波遥感微波是电磁波的一种形式。微波遥感就是利用某种传感器接收地面各种地物发射或反射 的微波信号，藉以识别、分析地物，提取所需信息。微波遥感分为主动式和被动式，被动式微波遥感由某种传感器接收地面地物的微波辐 射；主动式微波遥感由传感器发射微波束，再接收地物反射回来的信号。微波遥感按其工作原理可分为主动式和被动式2类，主动式是利用遥感器向地面发射 微波脉冲，然后接受其散射波，
41、包括成像雷达、微波散射计、微波高度计和降雨雷达；被动 式是直接观测地面目标的微波辐射，包括微波辐射计等。微波散射特性SAR接受的目标后散射信号的幅度主要取决于目标表面的复介电常数和表面的粗糙 度。散射幅度随目标表面的复节点常数的增加而增大。散射角特性由目标表面的粗糙度决定。 光滑表面引起镜面反射，后向散射幅度很小。随着表面粗糙度增加，散后成分相对增大，因 此，将后向散射微波信号与被测目标的物理量之间建立严格的对应关系，推知遥感目标的物 理特性和运动特性，就可以达到识别目标的目的。随机表面散射幅度取决于采用的微波波长与观测目标表面粗糙度的特征尺度的相关 关系，通常使用瑞利判据或夫琅禾费判据。因此
42、，微波波长不同，后向散射信号幅度也不同。 目前微波遥感常使用X、C、L、P波段。如果同时取得同意地面的多波段SAR图像，那么久 与多光谱图像一样，可以提高识别目标的效果。由于地物目标的微波特性不同于光谱特性和红红外辐射特性。因此在可见光和红外遥 感中不易探测和识别的目标，当对微波敏感时，可在SAR图像上识别。例如，土壤的微波 介电常数在很大程度上由土壤含水量决定；不同的岩石其物理、化学性质不同，具有不同的 介电常数；不同几何形状和不同粗糙度的地表有不同的散射特性；军事目标很多为金属材料 制造，与其背景比较，有很强的后向散射。因此，SAR图像在土壤调查、土地利用调查、地 质勘察、军事目标侦察中广
43、泛应用。微波从一种介质进入另一种介质，在介质内部产生体散射。体微波散射特性主要取决 于介质的不均匀性和电磁波穿透的有效深度o散射强度正比于介质内介电常数的不连续性和不均匀性的密度。散射的角方向性取决于分界面粗糙度、戒指的平均介电常数、以及相对于 波长不均匀性的几何尺寸。2.2 微波遥感器常用的微波遥感器，有微波辐射计、微波散射计、雷达高度计、合成孔径雷达（SAR）, 其中微波辐射计是被动式遥感器，其他是主动式遥感器，这些微波遥感器各有特点，相互间 不能完全替代。2.2.1 微波散射计（非成像传感器）微波散射计主要用来测量地物的散射或反射特性。通过变换发射雷达波束的入射角，或 变换极化特征以及变
44、换波长，研究不同条件下对目标散射特性的影响。雷达散射计是用来定量测试各类地物散射系统。微波散射计的组成部分包括：1）微波 发射器，2）天线，3）微波接收机，4）检波器和数据积分器。微波散射及的功能是测量地物表面的散射或反射特性，也就是说，它主要用于测量目标 的散射特性随雷达波束入射角变化的规律，也可用于研究极化和波长变化对目标散射特性的 影响。微波散射计可以发射水平极化波，然后同时接受垂直和水平两种极化波，它还可以先发 射一种极化波，再发射另一种极化波，而每次都接受两种极化波，所以对具体研究地物目标 在各种情况下的散射特性是十分有利的。雷达散射计：最主要用于目标后向散射特性研究和 海洋风场测量
45、。目前为止它是唯一能给出海洋风场得遥感器，几十年来管饭应用于海洋探测 和陆地散射特性测量中，发展出了一扇型波束的杆状天线阵技术。上世纪80年代，RK莫 尔和姜景山发展了笔型波束扫描技术，进来一些专家正在发展扇型波束扫描技术以适应各种 平台和对系统简化的要求。2.2.2 微波辐射计（成像微波传感器）微波辐射计可用于记录目标的亮度温度。辐射计天线接受的辐射能量来自地面物体的发 射辐射和反射辐射。微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温度，并生成亮度、温度图像，因为地面无图都有发射微波信号的能力，其发射的强度与自身的亮度温度有关。通过扫描接受这些信号并换算成对应的亮度温度图，对地面物体状况的探测很有意
46、义。2.2.3 雷达高度计（非成像传感器）雷达高度计主要功能是测量海面平均高度、有效波高和风向、几十年来已发射了专用高 度计卫星，典型的有TOPEX/POSEIDON、JASON等。近年来为满足更高测量精度的要求又发 展了几种新型雷达高度计，其中成像雷达高度计是中国专家在1988年提出的，在2003年完 成其初次飞行的新技术。这一技术也可适用于陆地和冰的探测中。20世纪90年代，美国 APL专家发展了一种新的探测机理，岩石多普勒高度计（HipA）,这些技术大大提高了高度计 探测精度，简化系统，还可给出三维图像。雷达高度计的工作原理是按定时系统的指令，发射机发出调制射频波束，经转换开关导 向天线
47、，由天线将波束射向目标，然后还是由天线收集向天线方向发射或散射回来的那部分 能量，再由转换开关引向接收机，将返回的信号进行处理后提供输出数据，以决定往返双城 传播的时延，因为传播速度是已知的，由时延测量即可计算目标的距离。为了准确地测量地面高度变化，必须要求定时系统在测量器件具有良好的稳定性，保证 测量是可以重复的。由于平台的姿态和高度变换可能引入很大的量测误差，因此还必须设法 修正由于姿态和高度的变换带来的误差。雷达高度计系统可能达到的量测精度，有赖于测量 高度计的类型和工作效率以及特殊的系统设计。雷达高度计侧量目标物与遥感平台的距离，从而可以准确得知地表高度的变化，白狼的 高度等参数，在飞
48、机，航天器，海洋卫星中广泛应用。其原理主要根据发射波和接受波之间 的时间差，波的传播速度为已知，求出距离。2.2.4 无线电地下探测器无线电地下探测器是测量地下岑估计其分界的一种装置，其工作原理包括以下几个方 面：1）对于某跌地区，地频率波束可以穿透其表面。2）探测器接收到的反射功率可以检测 出来。3）能实现足够的距离分辨力。2.3 微波遥感技术的特点微波遥感技术具有某种其特殊的特点：1）微波能穿透云零、雨雪，且不需要太阳的照 射，具有全天候工作的能力；2）微波对地物有一定的穿透能力；3）微波能提供不同于可见 光和红外遥感所能提供的某些信息；4）微波遥感的主动方式即雷达遥感不仅可以记录电磁 波振幅信号，而且可以记录电磁波相位信息，由数次同侧观测得到的数据可以计算出针对地 面上每一点的相位差，进而计算出这一点的高程，其精度可达几米。2