微波遥感基础Word格式.docx
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4.4雷达图像定标12
4.5雷达图像模拟12
五、微波遥感定标13
六、微波遥感概念、理论和技术的突破14
七、我国微波遥感的差距15
八、微波相关技术介绍17
8.1偏振探测技术的特点17
8.2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21
10.1空间对地观测21
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1000mm，微波在接受和发射时常常仅用很窄的波段，所以把微波波段又加以细分并给予详细的命名。
在微波遥感中Ka，X，L等都是常用的波段。
Xband:
广泛地应用于军事侦察和商业地形勘测；
Cband:
用于记载和星载系统；
如ESA的E-ERS1&
2卫星和加拿大的RADARSAT；
Lband:
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：
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2.06-2.22mm、3.0-3.75mm、7.5-11.5mm和20mm以上的波长作为微波遥感的窗口，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，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，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。
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。
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，R.K.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，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。
2.2.3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）微波能穿透云雾、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。
2.4微波遥感的优越性
微波遥感的优越性：
1）微波能穿透云雾、雨雪，具有全天候的工作能力；
2）微波对地物有一定穿透能力；
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，其精度可以达到几米，这就是干涉测量。
利用干涉测量技术，可以对地形变化进行检测。
2.5微波遥感的不足
微波遥感器的不足：
除合成孔径侧视雷达图像外，一般说来，微波传感器的空间分辨率比可见光和红外传感器低，其特殊的成像方式使得数据处理和结义相对困难些，与可见光和红外传感器数据不能在空间位置上一致，不像红外与可见光传感器可以作到同步获取同一地物的信息，两类图像中的相应像元在空间位置上可以做到一致。
2.6微波遥感拥有强大生命力的根源
回顾与总结国际上微波遥感发展过程，可以看出微波遥感之所以具有很强的生命力，发展迅速并不断提出创新的理论与技术，主要原因有如下几点：
1）微波遥感的发展适应了时代的需求，紧密地结合广泛的需求，坚持走需求牵引、技术驱动之路。
无论是美、俄、欧空局等，都是西从本国或全球的需求出发发展微波要给你的，而军民两用方面的需求，特别是军事需求仍是驱动其发展的动力。
2）技术的发展带动了应用的深入。
一项新技术的出现马上会导致应用领域的开拓和应用的深化。
全球环境的变化以及这种变化对人类生存和发展所造成的威胁促进了遥感的全球化、定量化和高频度观测与分析技术的发展。
3）军事应用及城市、工程等方面的需求带动了高空间分辨率、高光谱分辨率及高时间分辨率技术的发展，特别是快速全球覆盖和全天时、全天候观测需求对微波遥感发展提出了新的理论。
为适应这一需求，几十年来微波遥感在理论、机理、信息获取及先进的处理方法等方面都有了长足的发展。
4）微波遥感从不同的空间应用深度出发，其频率已逐步拓展到亚毫米波段，即我们称之为“广义微波遥感”，包括微波、毫米波及亚毫米波。
5）微波遥感的发展常与航天使命结合，以一系列重大全球性和区域性计划带动了其发展。
2.7我国微波遥感的差距
尽管这些年来我国微波遥感事业硕果累累，但距国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：
1）基础理论和技术能力薄弱；
2）缺乏长远的统筹的协调发展规划；
3）缺乏高分辨率空间遥感数据，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，无法满足重大问题对遥感的实时要求；
5）缺乏与人居环境密切相关的遥感数据的定量检测；
6）缺乏对先进空间遥感数据获取、分析、提取的能力。
三、雷达概念、分类
按照雷达的工作方式可分为成像雷达和非成像雷达。
成像雷达又可分为真实孔径雷达和合成孔径侧视雷达。
一个雷达系统，基本包含发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。
雷达（Radar-RadioDetectionandRanging）;
3.1成像雷达
3.2非成像雷达
3.3真实孔径雷达
合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR）与真实孔径雷达（RealApertureRadar,RAR）的主要差异在于它利用了合成孔径原理来改善方位向分辨率，从而克服了真实孔径雷达的方位向分辨率受天线孔径限制的缺陷。
3.4合成孔径雷达
合成孔径雷达与测试雷达类似，也是在飞机或卫星平台上由传感器向与飞行方向垂直的侧面发射信号。
所不同的是把发射和接受天线分成许多小单元，每一单元发射和接受信号的时刻不同。
由天线位置不同，记录的回波相位和强度都不同。
这样做的最大好处是提高了飞行的图像方向的翻遍率。
天线的孔径越小，分辨率越高。
合成孔径雷达（SAR,SyntheticApertureRadar）也是侧视雷达。
它的基本概念是利用段的天线，通过修改数据机理和处理技术，产生很长孔径的天线的效果，也就是通过加长天线孔径来提高观测精度。
具体作法是，在沿飞行航迹方向上形成一个天线阵列，并与数据机理和处理过程联系子啊一起。
如果和前面描述的侧视雷达真实孔径天线来比较，真实孔径天线是在一个位置上接受地物目标的回波，而合成孔径天线在在不同位置上接受同一地物的回波信号，这些信号得到的时间不同，相位和强度也不相同，因而形成相干影像。
经过复杂的处理，才能得到地面的实际影像。
合成孔径技术的基本思想，是用给一个小天线沿一直线方向不断移动。
在移动中每个位置上发射一个信号，接受相应发射位置的回波信号贮存再来。
贮存时必须同时保存接受信号的振幅和相位。
当天线移动一段距离L后，存贮的信号和长度为L的天线线阵列诸单元所接受的信号非常相似。
合成孔径天线是指爱不同位置上接受同一地物的回波信号，真实孔径天线则在一个位置上接受目标的回波。
如果把真实孔径天线划分成许多小单元，则每个单元接受回波信号的过程与合成孔径天线在不同位置上接受回波的过程十分相似。
真实孔径天线接受目标回波后，好像物镜那样聚合成像，而合成孔径天线对同一目标的信号不是在同一时刻得到，它在每一个位置上都要记录一个回波信号，每个信号由于目标到飞行器之间的距离不同，其相位和强度也不同。
然而，这种变换是由规律的，当飞行器向前移动时，飞行器与目标之间的球面波波数逐渐减少，目标在飞行航线天线外的发现上时距离最小。
当飞过这条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。
1981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，利用已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；
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（LaserRangeScanner,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-lookingRadarSystem）。
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”。
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，外方位元素变化的影响，地形起伏的影响，地球曲率的影
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