1、课微波与图像处理部分课件下载地址http:/ 7 全天侯工作，不受云、雾和小雨的影响。全天侯工作，不受云、雾和小雨的影响。 全天时工作，不受时间限制，黑夜也能工作。全天时工作，不受时间限制，黑夜也能工作。 对某些地物有一定的穿透能力，可在一定程对某些地物有一定的穿透能力，可在一定程度上获取隐伏的信息。度上获取隐伏的信息。 微波能穿透冰雪、植被、人工伪装，并能对地面表层微波能穿透冰雪、植被、人工伪装，并能对地面表层土壤穿透一定深度，所以可用于测量许多陆地特征，土壤穿透一定深度，所以可用于测量许多陆地特征，如土壤湿度、雪被深度和地质构造。如土壤湿度、雪被深度和地质构造。 直接观测土壤、岩石边界。直
2、接观测土壤、岩石边界。 适当选择工作频率和波束入射角，可穿透大多数植被，适当选择工作频率和波束入射角，可穿透大多数植被，除了极茂密的森林。除了极茂密的森林。3微波遥感的优越性 微波的基本特性微波的基本特性 微波遥感的特性微波遥感的特性 微波传感器及其分类微波传感器及其分类 机载侧视雷达机载侧视雷达工作工作原理原理 合成孔径雷达合成孔径雷达4本章内容51. 微波的基本特性 微波微波的衰减与透射的衰减与透射 微波的散射微波的散射 微波微波的多普勒效应的多普勒效应 微波的极化微波的极化6微波基本特性7微波的基本特性衰减与透射 表面表面散射：和介质表面粗糙度散射：和介质表面粗糙度有关；有关； 体体散射
3、：介质内部产生的散射，为经多路径散射：介质内部产生的散射，为经多路径散射后所产生的总有效散射散射后所产生的总有效散射。 粗糙度与波长相关粗糙度与波长相关8微波的基本特性散射 表面表面散射：和介质表面粗糙度散射：和介质表面粗糙度有关有关9微波的基本特性散射光滑： h /32 cos()例如： 1.5 GHz = 60入射 h 1.25 cm 散射截面散射截面 散射波的全功率与入射功率密度之比，可理解为雷达散射波的全功率与入射功率密度之比，可理解为雷达的全反射率，用有效散射面积表示。它是波长或频率的全反射率，用有效散射面积表示。它是波长或频率的函数，表示雷达目标截获并散射入射能量的能力。的函数，表
4、示雷达目标截获并散射入射能量的能力。 散射系数散射系数 o 单位截面上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散单位截面上雷达的反射率或单位照射面积上的雷达散射截面，是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度射截面，是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度量。量。10微波的基本特性散射 多普勒效应：指多普勒效应：指由观察者和辐射源（或目标由观察者和辐射源（或目标与遥感器）的相对运动，所引起的电磁发射与遥感器）的相对运动，所引起的电磁发射频率与回波频率的变化频率与回波频率的变化。11微波的基本特性多普勒效应静止目标静止目标移动目标移动目标 当当一个电磁辐射一个电磁辐射源发射频率为源发射频率为、方向为、方向为
5、ki的的电磁波，目标运动速度为电磁波，目标运动速度为V，方向与，方向与ki夹角夹角，与接收方向夹角为与接收方向夹角为，则，则接收机收到接收机收到的信号的信号频率频率不不等于等于，其其差称为差称为多普勒频移多普勒频移。12微波的基本特性多普勒效应coscosV 遥感遥感利用频率上表现的多普勒效应，可以观利用频率上表现的多普勒效应，可以观测目标的运动，得到地表物体的信息，并可测目标的运动，得到地表物体的信息，并可以通过外差技术测出和区分多普勒频移，以以通过外差技术测出和区分多普勒频移，以避免产生图像模糊和分辨率下降，避免产生图像模糊和分辨率下降，确保获得确保获得高分辨率的雷达图像。高分辨率的雷达图
6、像。 即使即使频率相对变化仅为百万分之一，但用外频率相对变化仅为百万分之一，但用外差技术仍可很容易地被测量、识别与区分并差技术仍可很容易地被测量、识别与区分并通过相关处理，以避免图像模糊。通过相关处理，以避免图像模糊。13微波的基本特性多普勒效应 电矢量电矢量所指的方向可能随时间变化，也可能所指的方向可能随时间变化，也可能不随时间变化不随时间变化。 当当电场矢量的方向不随时间变化时，称为电场矢量的方向不随时间变化时，称为线线极化极化。 线极化线极化分为分为水平极化水平极化和和垂直极化垂直极化。14微波的基本特性极化 雷达波雷达波发射后，遇目标平面而反射，其极化发射后，遇目标平面而反射，其极化状
7、况在反射时会发生改变，根据传感器发射状况在反射时会发生改变，根据传感器发射和接收的反射波极化状况可以得到不同类型和接收的反射波极化状况可以得到不同类型的极化图像的极化图像HH VV HV VH 同一种地物在不同极化图像里常常表现出不同一种地物在不同极化图像里常常表现出不同的同的亮度亮度，不同的地物也会表现出不同的，不同的地物也会表现出不同的对对比度比度 因此因此利用不同的极化利用不同的极化特征，有特征，有可能在微波遥可能在微波遥感图像上解译出更多的感图像上解译出更多的信息信息15微波的基本特性极化16HHHVVVComposite17CV-580 C-band SAR, South of Ot
8、tawa, 9 July 1998Linear Polarization Composite: Red = HH Green = HV Blue = VV182. 微波遥感的特性 全天时全天时 全天候，不受云、雾和小雨的影响全天候，不受云、雾和小雨的影响 地物穿透能力（冰雪、植被、土壤、伪装）地物穿透能力（冰雪、植被、土壤、伪装） 天线方向可调整天线方向可调整 信号与物质组成、结构有关，与光学互补信号与物质组成、结构有关，与光学互补 多种频率、多种极化方式、多个视角工作多种频率、多种极化方式、多个视角工作 获取目标空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称获取目标空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称
9、性、复介电特性等信息性、复介电特性等信息19微波遥感的特性1. 微波微波穿透植物层的深度，取决于植物的穿透植物层的深度，取决于植物的含水含水量量、密度密度、使用的、使用的波长波长和和入射角入射角。 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。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。以获得植被层底层甚至地表以下的信息。20微波遥感
10、的特性穿透性21微波信号对植被的穿透性1厘米波长由树顶反射的微波信号由树顶反射的微波信号1米波长由树顶、树干、由树顶、树干、地面反射的信号地面反射的信号由树顶、树干反由树顶、树干反射的信号射的信号2. 微波微波穿透土壤的深度与土壤湿度、类型及工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。22不同类型土壤的趋肤深度与土壤湿度的关系不同类型土壤的趋肤深度与土壤湿度的关系微波遥感的特性穿透性 在在可见光近红外波段所观测的颜色，基本上取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决于植被和土壤表层分子的谐振特性表层分子的谐振特性； 而微波波段范围内观察到的而微波波段范围内观察到的
11、“颜色颜色”，则取决，则取决于研究对象于研究对象面或体的几何特性面或体的几何特性以及以及体介电特性体介电特性。 微波微波、可见光和红外辐射配合运用，就能够研、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究表面上几何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。的特性。23微波遥感的特性与光学遥感互补 微波传感器的天线方向可调整，可增多所获地微波传感器的天线方向可调整，可增多所获地表特征。表特征。 比如：利用适量阴影，以突出地貌的形态特征和敏感地比如：利用适量阴影，以突出地貌的形态特征和敏感地形细节。形细节。 多种频率、多种极化方式、多个视角进行工作，多种频率、多种极化方式、
12、多个视角进行工作，来获取目标的空间关系、形状尺寸、表面粗糙来获取目标的空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等方面的信息。度、对称性和复介电特性等方面的信息。 比如：比如：- 根据根据不同类型冰不同类型冰的介电常数的介电常数不同可以探测海冰的结构和不同可以探测海冰的结构和分类；分类；- 根据根据含盐度对水含盐度对水的介电常数的介电常数的影响可以探测海水的含的影响可以探测海水的含盐度。盐度。24微波遥感的特性 微波是海洋探测的重要波段，适用于精确的微波是海洋探测的重要波段，适用于精确的距离测量、海面波动、风力等。距离测量、海面波动、风力等。 微波还是测量地面高程、大地水准面等的良微波
13、还是测量地面高程、大地水准面等的良好波段。好波段。 此外，在土壤水分及地表下测量等方面也是此外，在土壤水分及地表下测量等方面也是可见光和红外遥感所达不到的。可见光和红外遥感所达不到的。25微波遥感的其他特性 不能记录与颜色有关的信息，人工解译识别不能记录与颜色有关的信息，人工解译识别比较困难。比较困难。 设备复杂、昂贵，高品质的数据结果出产困设备复杂、昂贵，高品质的数据结果出产困难。难。 图像有特有的畸变，校正过程复杂，技术难图像有特有的畸变，校正过程复杂，技术难度高。度高。26微波遥感的弱点 微波遥感的优越性微波遥感的优越性-全天候全天候-全全天时天时-目标穿透特性目标穿透特性 微波遥感中的
14、基本概念微波遥感中的基本概念-极化极化-散射散射-多普勒效应多普勒效应27本节小结283. 微波传感器及其分类传感器种类传感器种类观测对象观测对象被动被动传感器传感器微波辐射计微波辐射计Microwave radiometer固定视场，扫描式固定视场，扫描式海面状态、海面温度、海风、海水盐分浓海面状态、海面温度、海风、海水盐分浓度、海冰水蒸气量、云层含水量度、海冰水蒸气量、云层含水量降水强度降水强度大气温度、风大气温度、风臭氧、气溶胶、臭氧、气溶胶、NOx、其他大气微量成分、其他大气微量成分主动主动传感器传感器微波散射计微波散射计Microwave scatterometer土壤水分、地表面粗
15、糙度土壤水分、地表面粗糙度湖冰、海冰分布、积雪分布湖冰、海冰分布、积雪分布植被密度、海浪、海风、风向、风速植被密度、海浪、海风、风向、风速雷达高度计雷达高度计Microwave altimeter海面形状、大地水准面海面形状、大地水准面海流、中规模漩涡、潮汐、风速海流、中规模漩涡、潮汐、风速侧视雷达侧视雷达Imaging radar合成孔径合成孔径地表的影像地表的影像海浪、海风海浪、海风地形、地质地形、地质海冰、雪冰的监测海冰、雪冰的监测29微波传感器及其分类 微波辐射计 微波辐射计主要用于探测地面各点的亮度温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度并生成亮度温度图像。 由
16、于由于地面物体都具有发射微波的能力地面物体都具有发射微波的能力 , 其发其发射强度与自身的亮度温度有关射强度与自身的亮度温度有关。 通过扫描通过扫描接收这些信号并换算成对应的亮度接收这些信号并换算成对应的亮度温度图温度图 , 对地面物体状况的探测很有意义。对地面物体状况的探测很有意义。31微波传感器微波辐射计 测量微波区域地球的热辐射。强度与目标的测量微波区域地球的热辐射。强度与目标的温度与发射率、反射率及透射率温度与发射率、反射率及透射率有关有关 波 长波 长 较 短 。 由 于 能 量 较 低 ， 图 像较 短 。 由 于 能 量 较 低 ， 图 像 相 对相 对“noisy”，空间分辨率
17、低，解译空间分辨率低，解译复杂复杂 可以可以测量视场中大气总的含水量，进行海测量视场中大气总的含水量，进行海冰制图，估算其他海洋参数（比如表面风及冰制图，估算其他海洋参数（比如表面风及降雨速率）降雨速率）32微波传感器微波辐射计Earth Science and RF RadiometeryMicrowave Radiometry Applications.Ocean surface windSoil moistureSea surface temperature/Sea surface salinityAtmospheric temperature, humidity, and clouds
18、PrecipitationAtmospheric chemistryHartley, NASA34l 地表真实温度也可以叫分子动力学温度，是物质内部分子的平均热能，是组成物体的分子平均传递能量的“内部”表现形式。l 辐射温度也可称为表征温度，主要是指物体辐射能量，其辐射能量是物体能量状态的一种“外部”表现形式。按照 Stefan-Boltzmann law ：对于遥感器而言，其接收到的辐射能量即地物的辐射出射度，但是传感器接收到的M=斯波常数*辐射温度的四次方，这里两个M是相等的，所以： l 亮度温度是指辐射出与观测物体相等的辐射能量的黑体温度。其在数值上等于辐射温度，只是叫法不一样：在微波遥
19、感中常用亮度温度，而在红外遥感中较多地用到辐射温度。4-2-1WmSrTB4TB辐射温度：比辐射率 微波散射计 非成像非成像 测量后向散射测量后向散射 在两个或更多方向扫描地表在两个或更多方向扫描地表 主要应用为测量海洋表面的风矢量主要应用为测量海洋表面的风矢量 海洋表面粗糙度的变化由风引起。海洋表面粗糙度的变化由风引起。 虽然不能成像，但可以在很大尺度上构建全虽然不能成像，但可以在很大尺度上构建全球风场。球风场。36微波传感器微波散射计 主动、非成像雷达系统 通过通过向海表、陆面发射微波脉冲信号并接收其后向散射回波信号能量来探测有关目标的信息 回波信号能量的强弱取决于目标物表面的粗糙度以及物
20、质本身的介电特性，这两者都可以描述海冰和植被覆盖的特征。37星载微波散射计 对于海洋表面，通常用布拉格谐振来描述海表对微波信号的后向散射，当风速、风向变化时，将导致海面粗糙度发生变化, 进而影响雷达所探测到的回波信号的能量38星载微波散射计 散射计将接收的回波能量转换为目标的归一化雷达散射截面（NRCS , 0） 在海洋表面, 0随着风速的增大而增大，在一定的风速范围内表现出线性正相关, 但风速增大到一定程度后(如大于20m/s)，这种线性关系迅速减弱 0也随着观测方位角发生着改变，散射计正是利用0随观测方位角变化规律来反演海面风场信息。39星载微波散射计40Cross-Calibrated
21、Multi-Platform Ocean Surface Wind Vector Analyses 雷达高度计42雷达高度计 Radar altimeter is a short pulse radar used for accurate height measurements. Ocean topography Glacial ice topography Sea ice characteristics-Classification and ice edge-Vegetation 压缩脉冲的长度和测量表面的平坦度压缩脉冲的长度和测量表面的平坦度决定足决定足迹迹的的大小大小 典型足迹大小在直径
22、典型足迹大小在直径2km量级量级 3dB天线天线波束宽度内只有约波束宽度内只有约1/10的发射功率的发射功率在限在限足迹足迹以内，其余大部分功率以内，其余大部分功率均在均在脉冲足脉冲足迹以外，这迹以外，这部分功率对高度测量的贡献很部分功率对高度测量的贡献很小小 当测量表面的粗糙度当测量表面的粗糙度加大时，脉冲足迹加大时，脉冲足迹也随也随之之增加，当增加，当扩大的足迹扩大的足迹内高度内高度发生变化发生变化时，时，足迹足迹不能有效地跟踪高度不能有效地跟踪高度的变化，进而的变化，进而使测使测量性能量性能下降下降43雷达高度计Pulse-limited方式 延时多普勒雷达高度计延时多普勒雷达高度计(D
23、elay Doppler Radar Altimeter, DDA)是采用孔径合成技术进行高是采用孔径合成技术进行高度测量的雷达度测量的雷达高度计。高度计。 与与传统雷达高度计传统雷达高度计相比，采用相比，采用DDA技术可以技术可以使仪器测量精度更高、空间分辨率更高、功使仪器测量精度更高、空间分辨率更高、功耗更耗更低，易于低，易于实现实现小型化。小型化。 DDA代表了新一代的卫星测高代表了新一代的卫星测高技术，特别技术，特别适适合海洋、合海洋、 海岸带和极冰的海岸带和极冰的测量。测量。44雷达高度计454647雷达高度计获取的海洋表面高度 雷达 RADAR = Radio Detection
24、And Ranging 获取目标的获取目标的：方位方位、距离和飞行速度、距离和飞行速度49微波传感器雷达50微波传感器雷达TRANSMITTERRECEIVERCIRCULATORRADAR PULSETARGETFM-CW信号线性调频信号Chirp信号啁啾信号 雷达波束雷达波束52微波传感器雷达 = / d越小，雷达方向越准确，主瓣功率越大，识别目标能力越强越小，雷达方向越准确，主瓣功率越大，识别目标能力越强 雷达方程雷达方程 描述描述由雷达天线接收到的由雷达天线接收到的回波功率回波功率与雷达与雷达系统参数系统参数及及目标目标散射特征散射特征（目标参数）的关系的数学表达式（目标参数）的关系的
25、数学表达式。53微波传感器雷达22144trrPGPARR雷达天线接收到的回波功率可表示为雷达天线接收到的回波功率可表示为：54 微波散射计 微波辐射计 雷达高度计 雷达554. 机载侧视雷达565758 波长或频率波长或频率：对于：对于不同的雷达波长，同一目不同的雷达波长，同一目标的影像特征不一样标的影像特征不一样 俯角（入射角）和照射带宽度俯角（入射角）和照射带宽度 极化方式：影响到回波强度和对不同方位信极化方式：影响到回波强度和对不同方位信息的表现息的表现能力能力 雷达系统类型雷达系统类型 ：真实孔径雷达，合成孔径雷：真实孔径雷达，合成孔径雷达达 59雷达遥感系统参数 距离距离向向分辨率
26、分辨率 在在脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小脉冲发射方向上（距离向）能分辨两个目标的最小距离。距离。 方位向方位向分辨率分辨率 在在与辐射波束垂直方向（方位向）上相邻的两束脉冲与辐射波束垂直方向（方位向）上相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。之间，能分辨两个目标的最小距离。 两者互不两者互不相关相关60真实孔径雷达分辨率61距离分辨率612cosrcR2OcRSlant RangeGround Range 距离分辨率由距离分辨率由脉冲脉冲宽度宽度和波束视角和波束视角所所决定，要提高地决定，要提高地距分辨率，则必须距分辨率，则必须减小脉冲宽度减小脉冲宽度和视和视角。角。 但
27、但脉冲宽度过窄，脉冲宽度过窄，则能量太小则能量太小，信噪，信噪比太低，不利于比太低，不利于目目标的探测。标的探测。距离分辨率 提高距离分辨率提高距离分辨率脉冲压缩技术脉冲压缩技术 用大功率的宽脉冲进行用大功率的宽脉冲进行线性调频线性调频后发射后发射 接收接收时，使回波信号通过在频率及时间关系上与发射时，使回波信号通过在频率及时间关系上与发射时具有相反频率特性的时具有相反频率特性的匹配滤波器匹配滤波器（Matched filter）,提取出脉冲宽度压缩的信号。提取出脉冲宽度压缩的信号。 在在脉冲宽度脉冲宽度 的时间内，通过脉冲压缩和频率的时间内，通过脉冲压缩和频率 f 调制调制-振幅为原来的振幅
28、为原来的-脉冲宽度为原来的脉冲宽度为原来的距离分辨率f1f 匹配滤波器是最优滤波器的一种。匹配滤波器是最优滤波器的一种。 所谓所谓的最优滤波器，实际上都是在某个准则的最优滤波器，实际上都是在某个准则下的最优下的最优。 匹配滤波器匹配滤波器对应的最优的准则是对应的最优的准则是输出信噪比输出信噪比（SNR）最大）最大。 而且而且还有一个前提条件还有一个前提条件是：在是：在白噪声背景下白噪声背景下。 匹配滤波器匹配滤波器的表达式为的表达式为： H( f )=S*( f )匹配滤波器的频率响应是输入信号频率响应的共轭匹配滤波器的频率响应是输入信号频率响应的共轭64匹配滤波器 从幅频特性来看，匹配滤波器
29、和输入信号的从幅频特性来看，匹配滤波器和输入信号的幅频特性完全一样。这也就是说，在信号越幅频特性完全一样。这也就是说，在信号越强的频率点，滤波器的放大倍数也越大；在强的频率点，滤波器的放大倍数也越大；在信号越弱的频率点，滤波器的放大倍数也越信号越弱的频率点，滤波器的放大倍数也越小小 也就是说，匹配滤波器是让信号尽可能通过，也就是说，匹配滤波器是让信号尽可能通过，而不管噪声的特性。而不管噪声的特性。因为其前提因为其前提是白噪声，是白噪声，也即是噪声的功率谱是平坦的，在各个频率也即是噪声的功率谱是平坦的，在各个频率点都一样。因此，这种情况下，让信号尽可点都一样。因此，这种情况下，让信号尽可能通过，
30、实际上也隐含着尽量减少噪声的通能通过，实际上也隐含着尽量减少噪声的通过。过。 65匹配滤波器 从相频特性上看，匹配滤波器的相频特性和从相频特性上看，匹配滤波器的相频特性和输入信号正好完全相反。这样，通过匹配滤输入信号正好完全相反。这样，通过匹配滤波器后，信号的相位为波器后，信号的相位为0，正好能实现信号正好能实现信号时域上的相干叠时域上的相干叠加。而噪声的相位是随机的，加。而噪声的相位是随机的，只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了只能实现非相干叠加。这样在时域上保证了输出信噪比的最大。输出信噪比的最大。66匹配滤波器Example (chirped pulse) 发射脉冲为红色，2个回波信号
31、为蓝色 (carrier 10 Hz, modulation on 16 Hz, amplitude 1, duration 1s) Example (chirped pulse) 在脉冲压缩之后，可以认为回波信号功率被放大了f 倍Example: same signals as above, plus an additive Gaussian white noise ( = 0.5) 在方位向上，若两个目标能被区分，则该两在方位向上，若两个目标能被区分，则该两目标就不能在同一波束内目标就不能在同一波束内 。 方位方位向分辨率指相邻的两束脉冲之间，能分向分辨率指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目
32、标的最小距离辨两个目标的最小距离。 方位向分辨率与波长和观测距离成正比，与方位向分辨率与波长和观测距离成正比，与天线孔径成反比，因此，要提高方位向分辨天线孔径成反比，因此，要提高方位向分辨率，须采用波长较短的电磁波和增大天线孔率，须采用波长较短的电磁波和增大天线孔径及缩短观测距离径及缩短观测距离。方位分辨率ctgaRSSHddslant range wavelength=antenna lengthaSRd715. 合成孔径雷达合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。合成孔径雷达是一种高分辨率相干成像雷达。高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的高分辨率在这里包含两方面的含义：即高的方位向分辨率
33、，足够高的距离向分辨率方位向分辨率，足够高的距离向分辨率。它它采用以采用以多普勒频移理论多普勒频移理论和和雷达相干雷达相干为基础为基础的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，的合成孔径技术来提高雷达的方位向分辨率，而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术而距离向分辨率的提高则通过脉冲压缩技术来实现来实现。72合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达系统通过飞机或星载飞行器的系统通过飞机或星载飞行器的向前运动构成合成孔径向前运动构成合成孔径。当当真实孔径太长，不可能实现的时候，合成真实孔径太长，不可能实现的时候，合成孔径雷达就起到了不可估量的作用，它特别孔径雷达就起到了不可估量的作用，它特别适用于星载
34、的适用于星载的飞行器飞行器中中。只要只要目标被发射能量波瓣照射到或位于波束目标被发射能量波瓣照射到或位于波束宽度之内，此目标就会被采样并被成像。宽度之内，此目标就会被采样并被成像。73合成孔径雷达74合成孔径方式多普勒波束锐化7576Synthetic aperture radar (SAR)77 合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。合成孔径雷达主要由发射机、接收机和天线组成。由发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发由发射器产生的线性调频脉冲经放大后，馈送至天线发射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，射出去，平台做等速直线飞行并保持天线的指向稳定，天线接收的地面回波信
35、号，经接收系统混频、中放、相天线接收的地面回波信号，经接收系统混频、中放、相位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存储器位检波等一系列的信号处理后，再送入存储器，存储器的信号经成像后形成雷达图像。合成孔径雷达与真实孔的信号经成像后形成雷达图像。合成孔径雷达与真实孔径雷达有许多共同点，其主要差异在于合成孔径雷达是径雷达有许多共同点，其主要差异在于合成孔径雷达是利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。利用合成孔径原理来改善方位向分辨率。合成孔径雷达合成孔径雷达78利用小天线D作为单个发射接收单元，当平台以等速直线飞行时，将经过1，2，3，n等若干位置，在每个位置上发射一个信号，并接收来自目标的回波
36、信号，且存储其幅度和相位，将存储的信号经叠加处理，就得到等效孔径L=nD的天线所获取的结果。 真实孔径天线是在一个位置上接收地物真实孔径天线是在一个位置上接收地物目标的回波，而合成孔径天线是在不同位置目标的回波，而合成孔径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号。上接收同一地物的回波信号。 方位方位向分辨率向分辨率79合成孔径雷达sLRD合成后的天线长度合成后的天线长度22sDLR双程距离差而导致的双程距离差而导致的波束宽度为波束宽度为22aDRL对应的地面方位向分对应的地面方位向分辨率为辨率为 （1）方位向分辨率与距离、波长无关）方位向分辨率与距离、波长无关 （2）方位向分辨率与平台飞行高度
37、无关。）方位向分辨率与平台飞行高度无关。 （3）理论上方位分辨率是雷达天线真实孔）理论上方位分辨率是雷达天线真实孔径长度径长度D的一半。如的一半。如ERS-1 SAR天线长度为天线长度为10米，理论上方位向分辨率能达到米，理论上方位向分辨率能达到5米。米。80合成孔径雷达81Shuttle Radar Topography MissionSRTM由NASA和NIMA联合测量。2000年2月11日，美国发射“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。82S
38、RTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分别对应的分辨率精度为30m和90m数据（目前公开数据为90m分辨率的数据）。83846. 雷达图像的特点 雷达回波强度雷达回波强度雷达图像上各种地物的灰雷达图像上各种地物的灰度值（图像密度、辐射亮度温度值）。度值（图像密度、辐射亮度温度值）。 雷达回波强度与后向散射系数直接相关，而雷达回波强度与后向散射系数直接相关，而雷达后向散射系数受到雷达遥感系统参数雷达后向散射系数受到雷达遥感系统参数（波长、俯角和照射带宽度、极化方式和雷（波长、俯角和照射带宽度、极化方式和雷达系统类型）以及地表特性（复介电常数、达系统类型）以及地表特性（复介电常数、坡
39、度、表面粗糙度、不均匀介质中的体散射坡度、表面粗糙度、不均匀介质中的体散射系数）的影响。系数）的影响。 目前还不能给出它们之间的具体表达式，但目前还不能给出它们之间的具体表达式，但可以根据理论分析和大量实验，进行定性和可以根据理论分析和大量实验，进行定性和部分定量描述部分定量描述。85雷达回波强度的影响因素86 1. 高空间分辨率。雷达图像的分辨率一般表示高空间分辨率。雷达图像的分辨率一般表示为距离分辨率为距离分辨率方位分辨率，可称为面分辨率。代方位分辨率，可称为面分辨率。代表地面分辨单元的大小。表地面分辨单元的大小。 2. 穿透能力。趋肤深度穿透能力。趋肤深度雷达图像雷达图像的特点的特点87
40、 3. 立体效应。雷达散射及雷达波束对地面倾斜照射，立体效应。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。这种明暗效应能增强图像产生雷达阴影，即图像暗区。这种明暗效应能增强图像的立体感。的立体感。 4. 几何特性。斜距图像的比例失真、几何特性。斜距图像的比例失真、 透视收缩、叠透视收缩、叠掩现象、雷达视差与立体观测。掩现象、雷达视差与立体观测。 5. 其他：对与水有关信息的识别能力更强其他：对与水有关信息的识别能力更强/对松散沉对松散沉积物的表面结构反映明显积物的表面结构反映明显/对居民点及线性地物的表现尤对居民点及线性地物的表现尤为明显。为明显。雷达图像的特点雷达图像的特点8
41、8Variability with look direction89Polarization1st letter is transmitted polarization, 2nd is received Can have VV, HH (like) HV, VH (cross)90Polarization with visible lightIn this case, incoming radiation (sunlight) is not polarized (or is polarized in both directions) Vertically polarized light is
42、reflected from surface At this view angle, horizontally polarized light is notSo horizontal filter allows us to see the bottom91Polarization with radara.b.look directionNKa - band, H H polarizationKa - band, H V polarization92Foreshortening透视收缩 Layover叠掩 Shadow阴影Geometric distortions in all radar im
43、agery93Foreshortening94LayoverExtreme case of foreshortening, when incidence angle is less than slope angle toward radar (i.e. 96极化雷达和干涉雷达极化雷达和干涉雷达 极化雷达极化雷达 ：指在极短的间隔里发射：指在极短的间隔里发射H、V极化波脉冲，极化波脉冲，并同时接收并同时接收H、V回波。既记录了相干回波信号的振幅变化，回波。既记录了相干回波信号的振幅变化，又记录了不同极化回波间的相位变化（相位差）。因此，又记录了不同极化回波间的相位变化（相位差）。因此，极化雷达能
44、获得比常规成像雷达更多的回波信息，更有利极化雷达能获得比常规成像雷达更多的回波信息，更有利于解释地物散射特性。于解释地物散射特性。遥 感 数 字 图 像 处 理基本概念1辐射失真与校正2几何失真与校正3光谱图像分类4遥感图像数据源图像数据的误差校正和配准辐射失真几何失真数字图像数据的解译辐射增强技术图像数据的多光谱变换图像分类监督分类非监督分类分类精度评价多源、多传感器图像分析高光谱图像数据解译图像数据的误差校正和配准辐射失真几何失真图像分类监督分类非监督分类分类精度评价卫星遥感图像处理过程 Pre-processing Enhancement and Transformations Clas
45、sification and Feature extraction1多波段遥感数字图像高光谱遥感光谱图像立方体spectral-image cube成像光谱技术以纳米级超高光谱分辨率，几十至数百个波段对地物同时成像，在获得地面二维空间图像信息的同时，还获取地物的连续光谱信息。既可以在空间切面依据图像特征对地物做图像分析和鉴别，又可以在光谱维上根据光谱特征对地物做光谱特征分析，直接识别地物的种类、组分和含量。视场与像素遥感成像方式 光机扫描 线阵推帚扫描 面阵推扫光机扫描成像线阵推扫成像面阵推扫成像2 图像数据的误差校正 辐射失真 失真源 校正方法 几何失真 失真源 校正方法 图像配准2辐射失真
46、源 辐射失真的表现 特定波段内：亮度相对分布 地表亮度分布 不同波段、同一位置：相对亮度 光谱特性 辐射失真的来源 大气对辐射的影响 仪器误差大气对辐射的影响太阳照射传感器大气太阳辐射能经过多少种方式、路径进入传感器？像素（地面分辨单元）相邻像素太阳照射辐射到传感器大气T天空照射成分1路径辐射成分2天空照射成分2路径辐射成分1E0Irradiance Area, A Radiant flux, Concept of Radiant Flux Density E = Area, A Exitance Radiant flux, M = Side view of Source Area, A Pr
47、ojected Source Area = Normal to Surface Radiant flux, Solid Angle, L Concept of Radiance A Cos A Cos 遥感图像数据源在没有大气影响时，假设太阳射到地球的光谱辐照度为 E ，则在天顶角 时，地面的光谱辐照度为 Ecos 。此时，波长 1和 2和之间的辐照度为 =1- 2一般足够窄：假设表面反射率为R，且地表为漫反射，那么散射到上半球的辐射亮度为212cosWmOSEEd 2cosWmOSEE 21cos2Wm srLER 像素（地面分辨单元）相邻像素太阳照射辐射到传感器大气T天空辐照成分1路径辐照
48、成分2天空辐照成分2路径辐照成分1E0对于特定传感器来说，量化后的数值为DN，那么特定像素对应的辐射亮度为其中如果考虑大气的影响？需要对公式进行修正。 透过率（Transmittance） 有无大气条件下，到达地面的辐照度指标，称为透过率，用 T 表示 天空辐照度（Sky irradiance） 在地面测得的，包括天空的散射和周围景物的散射，用 ED 表示 路径辐射亮度（Path radiance） 在传感器处测得的，包括天空散射和周围景物的散射，用 LP 表示大气影响的相关参数考虑大气因素修正后，地面的总辐照度为由像素的总辐照度产生的辐射亮度变为传感器获得的总辐射亮度变为2cosWmGDEE
49、E 21cosWm srTDRLEE 21cosWm srSDPRTLEEL 仪器误差 光学系统误差 边缘减光（透镜系统） 辐射探测器的非线性： 暗电流（偏置） 传输特性斜率（增益）不均匀仪器误差 效果：产生条带辐射失真校正 大气影响的精确校正 基于大气传输理论模型 大气影响的粗校正 基于图像特征模型 暗目标法 直方图调整 波段间的数学变换 仪器误差校正大气影响的精确校正 宽带系统的大气校正 窄带系统的大气校正 高光谱 大气成分的吸收与散射建模 精细光谱吸收曲线对地物光谱反演的影响较大Correcting Atmospheric Effects in NarrowWaveband System
50、s1. 转换DN值到辐射值2. 补偿太阳光谱曲线的影响3. 补偿大气透过率，分子与气溶胶的散射；转换表观反射系数到归一化的地表反射率4. 考虑地表结构的影响，转换归一化的地表反射率到实际的地表反射率大气影响的粗校正 有些情况下，精确校正是不需要的。 假设给定场景的每个波段数据都存在等于或接近零亮度的值，并且大气影响，尤其是路径辐射，对带内每个像素都附加了一个常量。 大气散射总体提升了每个波段图像的亮度。蓝色绿色红色近红外大气影响大气散射路径辐射各通道直方图路径辐射-米氏散射(04)大气影响的粗校正 基于图像特征方法适用的假设： 地表为朗伯体 大气水平均一 不同时间、不同波段的图像间存在线性相关
