微波遥感技术作业

微波遥感技术作业

---02107035 韩倩

1、 微波传感器与光学或红外相比的优缺点？

优势：

优势一：能够全天候、全天时工作

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，这一特性优于可见光和红外波段的探测系统。

优势二：对地物有一定的穿透能力

微波对地物的穿透深度因波长和物质不同有很大差异，波长越长，穿透能力越强。同一种土壤湿度越小，穿透越深。微波对干沙可穿透几十米，对冰层能穿透100m左右，但对潮湿的土壤只能穿透几厘米到几米。

a.微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工作频率有关。

b. 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），则可以获得植被层底层甚至地表以下的信息。

优势三：对某些地物具有特殊的波谱特性

比如微波高度计和合成孔径雷达具有测量距离的能力，可用于测定大地水准面；还可以利用微波探测海面风

在可见光、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特性以及体介电特性，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。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响可以探测海水的含盐度等等。

优势四：具有多极化特性

不同的极化特性，表现更加丰富的目标特征信息。HH极化方式，VV极化方式，HV极化方式，VH极化方式。

优势五：雷达可以进行干涉测量

微波遥感的主动方式即雷达遥感不仅可以记录电磁波的振幅信号，还可以记录电磁波的相位信息，通过相位信息可以进行雷达干涉测量。例如：可以实现地形主动干涉测高，微波遥感的主动方式可进行干涉测量对地形变化进行监测，实现InSAR地形测量。

不足：

（1）SAR一般是侧视成像，侧视SAR图像具有阴影、迎坡缩短、顶底倒置等几

何失真

（2）光学成像通常是一次成像，而SAR是多次扫描后的叠加成像，成像的效果与雷达的一些实际状态有关

（3）相干斑现象严重，解译困难

（4）微波传感器的空间分辨率要比可见光和红外传感器低；

（5）其特殊的成像方式使得数据处理和解译相对困难些

（6）与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致

2、 同光学与红外相比微波遥感的意义和应用？

微波频率具有穿透云层和一定量的降雨的能力，特别是厘米波以下频率的微波，可以进行全天候的对地观测，因此微波信号可以穿透云层，便于从空间进行对地面目标的探测；具有一定的穿透能力，可以获得地下或水下浅层目标的信 息；应用：海洋应用大气应用冰雪研究应用

电磁波穿透目标媒质表面并在其中传播的能力随频率的升高而降低，在微波频率的低端，电磁波可以穿透表面，具有进行次表层观测能力，在干燥的沙漠地区，L波段的雷达可以获得穿透几米的地下信息，而可见光和红外则只能获得目标的表层信息；应用：地理测绘应用农业与土壤应用

有源微波遥感对阳光辐射的依赖性弱，具有全天时工作的能力；目前的有源遥感器包括激光雷达和微波雷达，其中微波雷达的技术最为成熟，微波雷达可以进行昼夜观测。由于频率较低，能够进行极化接收、相干接收和幅相矢量接收：可以实现通过信号编码调制技术，获得更高的信噪比；可以进行深层次的信号处理，便于提取更多的信息，提高系统的性能；

微波波段的频率远低于可见光和红外波段，对于发射、接收和处理系统的响应速度的要求要比可见光和红外波段低得多，所以能够实现更高的系统性能；在微波波段，发射和接收天线容易实现单一极化方向，所以极化信息在微波遥感中得到很好的应用。而多数的光学遥感器，必须在探测前进行特殊的处理，才能产生偏振信号；电磁波的特征参数包括幅度、相位、频率和极化信息。在微波波段可以通过极化接收获得极化信息；可以通过相干接收获得相位信息。上述特点是可见光和红外遥感所难以提供的；

微波波段的物体的散射和辐射特性对物体表面的几何特征敏感，入射角的变化能够引起目标微波特性的显著变化，相对入射角的微波散射和辐射特性是进行目标识别与分类的一个重要信息；通过相干接收，微波遥感可以获得目标的距离信息，能够实现对目标的三维观测；由于微波容易实现高相干性，所以微波遥感可以通过矢量接收、相位测量获得距离信息，大气折射率变化对电磁波测距的影响可以通过多频加以校正；微波频段电磁波的波长能够与多数自然目标和人工目标的尺寸相匹配，可以携带关于这些目标结构细节的信息；根据电磁波传播的理论，电磁波所能够携带的目标的结构信息的尺度是与目标的电尺寸有关的；当目标与电磁波波长匹配时，两者的相互作用可以获得更多的关于目标结构的信息；微波波段的波长恰好与大多数自然和人工目标的尺寸相匹配，所以最适合进行目标结构特性的探测；被动微波遥感与可见光、红外遥感提供关于目标物性参数的不同方

面，微波波段的电磁波与物质相互作用要是大量物质分子共同作用的宏观系统效应以及物体的宏观结构特性，是完整的地物信息探测的一个不可或缺的组成部分。物质发射电磁波的能力是宽频谱的，但是不同频率的电磁发射的机理是不同的，它们分别携带了物质微观结构不同层面的信息，所以要获得关于地物目标物性的完整信息，进行完整的频谱测量是必要的。微波波段是目标电磁发射的最低频段，它所表征的目标特性是可见光和红外波段的电磁波不能取

代的。

微波、毫米波遥感对气体成分有敏感的谱线，便于进行对这些气体成分的探测，并进而通过对某些气体成分异常分布的测量进行地震预报、资源探测等。气体分子转动产生的电磁能量发射主要分布在微波、毫米波波段，这种发射形成表征体组分的谱线；由于微波接收机可以同时获得较高的频率分辨率，（相对于红外和可见光），能够比较准确地跟踪和鉴别不同成分的谱线，是目前主要的遥感手段

应用：大气降雨、大气可降水量、云中液态水含量，海面风场、台风、海冰的监测，陆地土壤湿度、积雪、干旱洪涝灾害、陆地水文、植被与农作物生长监测等都有重要的应用。同时，还可在土地利用、地质资源与探矿、地下目标探测、大地河口与海岸监测、城市发展管理、海流与海面污染、海面舰船或地面目标的识别等民用和国防技术中有十分重要的关键性的应用。全极化SAR与INSAR图像还可以用来反演森林树木高度、地面数字高程、地面形变、各类地表的分类等

3、 从参考文献或参考书目中，了解现有星载微波遥感的各种工作

模式、应用范畴以及趋势？

工作方式：

星载微波遥感器一般分为两类, 一是有源微波遥感器, 二是无源微波遥感器。 有源徽波遥感器

凡是由微波遥感器发出探测用的微波照射在被测目标物体, 与被测目标物体相互作用, 发生反射、散射或穿透一定深度, 然后接收被测物体散射(或反射) 回来的微波信号, 通过检测、分析回波信号确定物体的各种特性。这类微波遥感器称为有源微波遥感器, 或称主动式微波遥感器。星载S A R、高度计、散射计是目前三类有源微波遥感器。.

无源徽波遥感器

又称被动式微波遥感器。遥感器本身不发射电磁波, 只接收被测目标背景辐射的微波能量来探测目标物体特性。微波辐射计属无源微波遥感器。

星载S A R：应用：海洋应用、地理测绘等

发展趋势：1 9 7 8 年6 月发射的“Se a s at 一A ”的S A R, 是第一个从空间对地球进行成像探测的雷达系统, 拍摄了地球表面1 亿多平方公里的陆地、海洋图像, 显示了微波遥感的潜在价值, 打开了从空间监视我们星球的遥感频谱新领域。90 年代初, 星载S A R 进入应用阶段, 开始了永久性沿轨道运行的S A R 的新时代1 9 9 1 年标志着S A R 永久在空间的开端, 相继发射了A lm a z 一1、E R S 一

1、JE R S一、R A D A R S A T 等。由表1 可见, 未来SA R 的发展趋势为: 频段扩展,几个频段组合使用, 多种极化, 具有不同分辨率(3 o m 一2 5 o m ), 不同幅宽(3 0 k m 一so o k m ), 可在1 5 。~ 5 0 0 范围内选择入射角及其可调, 多种成像模式。计划在本世纪末上天的E O S 一SA R 选用3 个频段(L,C, X ) , 多种极化成像(L : 正交极化;C 、X : 双极化) , 电子束控制, 将获取多种入射角度和扫描S A R 数据。它具有3 种成像模式: 局部高分辨模式(分辨率: Zo m 一3 o m , 幅宽: 3 o k m 一so km ) ; 区域测绘模式(分辨率so m 一lo o m ,幅宽1 0 0k m ~ 2 0 o km )和全球测绘模式(分辨率: 2 50 m , 幅宽: 3 6 0k m ) 。这将代表下世纪初星载S A R 的技术发展趋势。

星载高度计(A ltim e t e r )：

应用：海洋、地质探测、军事跟踪

发展趋势：高度计实质上是一个短脉冲高分辨雷达, 通过精密测量发射脉冲的往返时间, 获取飞行器轨道各点到地面的垂直距离, 并能沿星下点轨迹测量有效波高, 从而提供了沿星下点轨迹来测量海面形状的方法。高度测量数据已被广泛用于大地测量学、深海测量学、中尺度海洋学、潮汐、海冰地形学、海风海浪等的研究。世界上第一种星载高度计S k y lab 的S 一1 93 高度计是1 9 7 3 年发射的, 此属概念性演示第二种星载高度计是1 9 7 5 年4 月发射的G E O S 一C 卫星上的高度计, 是第一个应用型专用高度计。第三种就是1 9 7 8 年6 月发射的Se as at 一A 卫星高度计, 是海洋卫星专用设备之一, 也是第一个试图从轨道上获得1 0c m 精度的高度计, 其主要任务是测量海面平均高度、有效波高和 风速。星载高度计性能指标见表2 。

从表2 看出, 星载高度计的技术发展为:测高精度越来越高, 由S e a s a t 一A 的lo e m 精度, 提高到T O PE x / Po s e id o n 的24 e m 的精度。采用脉冲压缩技术, 自S k ylab之后, 各系统都使用了脉冲压缩技术, 压缩比从80 提高到3 2 7 6 8降低峰值功率, 前几个系统采用的都是Zk w 的栅控行波管, 工作寿命1 一3年, T OP E x使用了长寿命、低功率(Zow )的行波管。峰值功率的降低是通过把非压缩脉冲的宽度增加到了102.4以及改善低噪声前置放大器的噪声系数来实现的,

且

Posei d on 采用了固体放大器, 功率更小, 只有4w。双频工作以提供电离层修正, 在T O PE X 设计中, 增加了5.3G H z 第二信道。全去斜率处理技术的采用, 用接收的海面回波信号代替发射脉冲信号与本振信号混频,经混频处理后, 将海面上分离的距离转换为分离的频率, 即将时域测量转换到频域测量, 测量频率比测量时间来得容易。这种技术的优点要求把处理回波信号的带宽压缩(把C hrip脉冲的32 0MH z 带宽压缩到1.25 M H z 带宽) , 便于全数字信号处理, 能实现频域的高精度跟踪。

星载微波散射计(S e a t te r o m e te r )

应用：气象、地理、海洋

发展趋势：微波散射计是专门用来测量分布目标后向散射系数σo和点目标雷达横截面σ的有源微波遥感器, 实质上是一种定量测量目标背景后向散射回波功率的雷达。散射计是海洋测量的重要工具, 根据回波功率与风速风向的关系, 可进行洋面矢量风的测量, 具有其他遥感器不可替代的作用。由于散射计不用于成像, 因而对空间分辨率要求不。星载散射计的性能指标见表3 。Se as at 一A 散射计(S A S S) 采用扇行波束, 4 副夭线, 前后两个方位角同时观测, 多普勒单元分辨, 固定多普勒频率滤波器组滤波技术, 获取星下点两侧7 5 0k m 幅宽的海面风速风向。测风速精度士Zc m / s 。E R S 一1散射计增加了一个中间扇形波束, 以消除风向模糊。同时采用距离单元分辨测量技术, 以获取散射回波频率。在A de os一I 装载的散射计(N S C A T ) , 6 副扇形波束天线, 3 个方位角同时观测星上首次采用了先进的数字滤波器代替了固定频率多普勒滤波器, 将分辨单元由50m 提高到Zsk m , 将测风速范围从3 m / s一2 5 m / s 提高到3m / s 一3 o m / s 。上述星载散射计都采用了扇形波束天线固定入射角工作方式。缺点：一是幅宽不能连续覆盖, 星下点两旁有一定的间隙。二是棍夭线尺寸长, 发射时需折叠, 轨道上需展开。三是由于地球自转, 同一时间前后天线波束不能完全覆盖, 且天线在地面的投影经纬度不一致, 导致星上处理很复杂。为克服上述不足, 美国人M o re 提出了点波束圆锥扫描体制。

·频谱仪, 其频带窄, 工作频率调谐在微波谐振频率上或者其附近, 主要用于测量水汽和

氧吸收谱线, 是气象卫星上大气参数监测的主要仪器。

·连续谱辐射计(简称辐射计) , 主要用于遥感测量宽广频谱特性的地物目标。 ·探测仪, 主要探测大气温度廓线和水汽廓线。

·成像仪, 用于遥感地球表面特性。

微波辐射计其技术正向多频、多极化、多视角、亚毫米波方向发展。空间分辨率和频率分辨率不断提高, 增强了辐射计的数据收集能力。多频、多波束、多极化高性能扫描天线技术将是发展无源微波遥感的关键, 而研制工作在毫米波和亚毫米波段的辐射计的准光学器件, 是发展无源微波遥感向电子学提出的挑战。这些技术的突破, 将把辐射计的应用扩展到一个新的领域。

4、 通过本章的学习，请您谈谈您对“微波遥感”的理解？

微波遥感是传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，是利用某种传感器接受地理各种地物发射或者反射的微波信号，藉以识别、分析地物,提取地物所需的信息，相较于红外和可见光的传感器而言有着明显的优势在近些年来取得了巨大的发展。