雷达遥感原理；侧视雷达成像系统；雷达回波强度的影响因素；雷达遥感及雷达图像的特征

第十六讲

1、本讲主题编号

专题序号	专题名称	子专题号	子专题名称	子专题主要内容	课程编号
10	微波遥感	1	微波遥感	雷达遥感原理；侧视雷达成像系统；雷达回波强度的影响因素；雷达遥感及雷达图像的特征	RS-10-01-16
		16/18

2、本讲内容概述

（1）概述
（2）雷达遥感原理
（3）侧视雷达成像系统
（4）雷达回波强度的影响因素
（5）雷达遥感及雷达图像的特征

3、本讲内容

3.1 概述
　　● 物体的微波反射、发射与它们的可见光或热红外的反射、发射无直接关系。一般说来，微波响应给人们一个完全不同于光和热的视角去观察世界。
　　● 微波波长范围为1mm~1m（300GHz~300MHz），实质上是属于无线电波范围的一种电磁波。
　　● 微波遥感波段：

　　微波遥感器的分类

3.2雷达遥感原理
　　● 微波与目标的相互作用，可以测量目标的后向散射特性、多普勒效应、偏振特性等，还可以反演目标的物理特性(介电常数、湿度等)，及几何特性(目标大小、形状、结构、粗糙度等)多种有用信息。

（1）微波的散射
　　1） 表面散射
　　自然表面可以分解为一系列平面元，其中有小尺度的几何形状——即粗糙度。 在表面散射中，散射面的粗糙度是非常重要的。若表面是光滑的，入射的能量与表面相互作用后形成两束平面波，一束为表面向上的反射波。它与法线的夹角与入射角相同，方向相反(即镜面反射)：另一束为表面向下的折射波或透射波。若表面是粗糙的，入射的能量与表面相互作用后，再辐射而射向各个方向，成为散射场(即漫反射）。
　　2） 体散射
　　体散射指在介质内部产生的散射，为经多次散射后所产生的总有效散射。当介质不均匀，或不同介质混合的情况下，往往发生体散射。如，降雨(属多个散射体分布)、土壤或积雪内部、植被等。 

　　3） 散射截面与散射系数
　　散射截面——一个可与目标等效的各向同性反射体的截面积，它对入射电磁波的反射功率能相等于实际目标的散射功率；
　　散射系数 ——在给定方向上单位立体角内，单位散射体积对入射电磁波单位能流密度的散射功率。它是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度量；
　　后向散射——沿电磁波入射方向返回的散射；
　　后向散射截面——入射方向的散射截面。

（2）雷达方程

　　式中，Wr为接收功率；Wt为发射功率；G为天线增益；R为目标离雷达的距离；σ为目标的雷达散射截面；Ar为接收天线孔径的有效面积；Ar＝Gλ2/4π。
　　则得 ，此式是针对点目标而言，对于面目标σ=σ⁰A，则面目标的回波效率，用积分表示为：
　　式中，σ⁰为后向散射系数；A为雷达波束照射面积；若目标为散射体，则σ⁰为单位体积的散射截面，A则对应辅照体内的体积分。
　　从雷达方程可知，当雷达系数参数(Wt,G, λ)及雷达与目标距离(R)确定后，雷达天线接收的回波功率(Wr)与后向散射系数(σ⁰)直接有关。

（3）多普勒效应  (Doppler)
　　“多普勒效应”指由观察者和辐射源(或目标与传感器)的相对运动，而引起的电磁发射频率与回波频率的变化。
　　对于成像雷达而言，飞行器与地面相对运动，由于多普勒效应，雷达的发射频率r，到达地面时已改变为r’，其差△r＝r’－r，称为多普勒频移。若两者距离缩小则△r ＞0：若两者距离增加，则△r ＜0。最终传感器所接收的回波频率，已是又经过1次多普勒频移的r〞了。 其关系可用下式表达：

　　式中，u为辐射源和观察者之间的相对速度；c为光速，即电磁辐射速度； θ为辐射源与观察者间连线与运动方向的夹角。
　　尽管对于飞机或空间飞行器的运动速度来说，此频率的改变是很小的，但它对遥感是有用的。遥感利用多普勒效应，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，确保获得高分辨率的雷达图像。

3.3侧视雷达成像系统
　　● 雷达（RADAR）一词是取自 Radio Detection and Ranging （无线电探测和测距）的缩写词，它不仅能探测，而且能测距。
　　机载侧视雷达
　　星载侧视雷达
　　侧视成像雷达是一种主动微波遥感系统。它是测量目标物对雷达波束后向散射回波强度的成像设备。
　　以机载侧视雷达为例，一个雷达成像系统，基本包含发射器、雷达天线、接收器、记录器等四个部分。
　　由脉冲发生器，产生高功率调频信号(即电磁波计时脉冲)：经发射器，以一定的时间间隔， (脉冲长度)反复发射具有特定波长的微波脉冲；
　　通过发射天线向飞行器的一侧沿扇状波束宽度发射雷达信号照射与飞行方向垂直的狭长地面条带：借助于发射／接收转换开关  (它使天线处于发射／接收轮换工作状态)，再通过天线接收地面返回的能量；
　　接收器将接收的能量处理成一种振幅／时间视频信号：这种信号再通过胶片记录仪产生图像。一种是直接扫描得图像产品；另一种是数字胶片经过光学相干处理器进行数／模变换的成像处理而成雷达图像；
　　雷达天线随飞行器前进，发出的波束依次向前扫描(航向扫描)，天线发出的能量脉冲指向飞行器的一侧(距离向扫描)。侧视成像雷达就是以这种连续带状形式对地表进行二维扫描，逐行成像。

侧视雷达的运作

　　● 雷达与目标的距离(斜距)，可通过发射脉冲到接收回波的时间(行程时间J／2)与电磁波传播速度(C)的乘积，即斜距：CJ／2，所以侧视雷达系统又是个测距系统。

3.4 雷达回波强度的影响因素
　　● 雷达回波强度，即雷达图像上各种地物的灰度值——图像密度(辐射的亮度温度值)，受到雷达遥感系统参数(波长、俯角、极化方式等)以及地表物理性质(复介电常数、坡度、表面粗糙度等)的影响。

（1）雷达遥感系统参数
　　1） 波长(频率)
　　从雷达方程可知，雷达回波强度与入射波长直接相关。同时，雷达遥感系统所选择的波长长短，决定了表面粗糙度的大小以及入射波穿透深度的能力，也直接影响到雷达回波的强弱。
　　2） 俯角和照射带宽度
　　俯角α或入射角θ与后向散射强度密切相关，构成一个立于地面的椭球体， θ→小(或α→大)，则回波强度I→大；
　　雷达波束照射的地面宽度称为照射带宽度。图像的近距点对应波束的俯角大，回波强度大;远距点对应于波束的俯角小，回波强度小。同一目标处于雷达波束的不同俯角区时，其回波大小可能不同，在雷达图像上的表现也可能很不同。因而，多视向(视角)是丰富雷达遥感资料的一种重要手段。
　　3） 极化方式
　　雷达发射的能量脉冲的电场矢量，可以在垂直或水平面内被偏振。若雷达波的偏振(电场矢量)方向垂直于入射面为水平极化(H)、平行于入射面为垂直极化(V)。大多数返回天线的能量脉冲与发射脉冲的偏振方向相同。雷达波的能量与地表相互作用，有一部分被“去偏振”。有些雷达系统具有第二天线专门接收与发射方向成直角振动的去偏振能量，因而获得交叉极化的图像。雷达遥感系统常用四种极化方式———HH、VV、HV、VH。前两者为同向极化，后两者为异向(交叉)极化。
　　雷达系统的极化方式，影响到回波强度和对不同方位信息的表现能力，致使图像之间产生差异；因而，可以利用不同极化方式图像的差异，更好地观测和确定目标的特性和结构，提高图像的识别能力和精度。
　　4） 雷达系统类型
　　● 成像雷达系统可分为
　　真实孔径雷达(RAR—Real Aperture Radar)
　　合成孔径雷达 (SAR—Synthetic Aperture Radar)

（2）地面目标特性
　　1） 复介电常数
　　物质的电学性质也影响其与电磁能量的相互作用，这种特性一般以复介电常数表示。物体的复介电常数e反映本身的电学性质，它是由物质组成及湿度决定的 。
　　介电常数ε越大，回波强度I越强，雷达图像上色调越浅。例如金属的ε大，呈浅色：基岩的ε大干沙丘的ε ，因而在雷达图像上，基岩较沙、沙丘色浅；水的ε较大(约80分贝)，呈浅色，但若呈镜面反射则雷达天线接收不到回波而呈黑色。
　　2） 地形坡度   
　　首先，地形坡度影响到雷达波束的入射角θ，从而影响雷达回波强度。一般说来，斜坡较平地或陡坡的入射角小，回波强度大。
　　其次，地形坡度产生阴影效果，增强了图像的表面形状 。
　　3） 表面粗糙度   
　　表面粗糙度对雷达回波有明显反映，它可使雷达回波有40分贝的变化。
　　瑞利准则将粗糙度远小于入射电磁波波长(h＜＜λ)的物体表面定义为光滑表面；而将粗糙度明显大于入射电磁波波长(h＞＞ λ)的物体表面定义为粗糙表面。前者呈镜面反射特征，雷达天线几乎不接收回波，图像色调暗：后者产生各方向的散射(即漫反射），雷达回波增大，图像色调浅，由于回波幅度具有随机性，图像呈现一系列亮度不一的光斑。

3.5雷达遥感及雷达图像的特征

（1）全天时、全天候工作
　　● 雷达系统是主动遥感。它不依赖于太阳光，而是利用它自身发射的电磁波。因此，与太阳照射无关，可以昼夜全天时的工作。
　　● 根据瑞利散射原理，散射波的强度与波长的四次方成反比．微波的波长比VIR—IR波长要长得多，则它的散射要比VIR—IR波段小得多。也就是说，微波对大气的散射很小，只要不处于大气共振吸收波段(20GHz和60GHz附近为水汽和氧分子的吸收谐振带)，大气对微波传输的影响可以忽略不计。因而，微波能够穿过浓厚的云层和一定程度的雨区，在任何气候条件下，全天候的工作。

（2）高空间分辨率
　　雷达遥感可以获得高分辨率的雷达图像。这是因为 ：
　　1)雷达是以时间序列来记录数据，而不象相机、光机扫描仪是根据多波长透镜的角距离来记录数据。成像雷达由于反射和接收信号的时延正比于到目标的距离，因此只要精确地分辨回波信号的时间关系，即使长距离也能够获得高分辨率的雷达图像。
　　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能小。这种微弱的微波辐射，对雷达系统发射出的雷达波束及回波散射干扰小。
　　3)除了个别特定频率的水汽和氧分子的吸收外，微波对大气的吸收与散射均较小，通过大气的衰减量小，长距离也易于获得高分辨率的图像。

（3）雷达信号的穿透能力 (penetration)
　　● 微波除了能穿云破雾以外，对一些地物(介质)——如岩石、土壤、松散沉积物、  植被、冰层等，有穿透一定深度的能力。因此，它不仅反映地球表面的信息，还可以在一定程度上反映地表以下物质的信息。
　　● 穿深能力的估算是依赖“趋肤深度”(Skin depth)——指雷达信号功率从介质表面衰减到l／e倍时的深度(或降至37%的深度)。“趋肤深度”提供了一种指示雷达信号随不  同物质穿透能力变化的方法。
　　● 雷达信号的穿透深度与地物(介质)的介电常数e成反比，与雷达波长入成正比。
　　● 一般说来，在雷达遥感光谱范围内，大多数物质其穿透深度与雷达波长呈线性关系。

（4）侧视成像，图像立体感强
　　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。这种明显的地形起伏感，对地形、地貌及地质构造等信息有较强的表现力和较好的探测效果。

（5）雷达图像信息丰富
　　微波谱带宽(波长1mm—1m)，可以提供宽频谱范围(300MHz—300GHz)的信息。加之，雷达遥感为人工源，在雷达接收和发射装置中，改变极化方向或调整雷达波束视向均是很容易实现的。因而可以多角度(多视向)、多波段(多频段)、多极化地进行观测，以增加信息量，使雷达图像信息丰富，具有相当强的检测和分辨目标的能力。
　　1）对水、冰等与水有关信息的识别能力更强;
　　2)  对松散沉积物的表面结构反映明显;
　　3）对居民点及线性地物的表现尤为明显 。

（6）雷达图像的几何特征
　　1）斜距图像的比例失真(scale distortion)
　　雷达的侧视带状成像，发射脉冲与接收回波之间有个时间“滞后“，雷达回波信号的间隔是直接与相邻地面特征的斜距(传感器与目标间距)成正比。因而，在斜距图像上各目标点间的相对距离与目标间的地面实际距离并不保持恒定的比例关系，图像产生不均匀畸变。 
　　2）阴影
　　雷达图像上的阴影表示地表上未被雷达波照射的区域，由于没有信号被接收，该区域表现为黑色调。
　　在雷达图像上，阴影出现在朝远距方向上陡立或垂直目标的一侧。如果在图像上没有注记，阴影是确定雷达照射方向很好的指示标志。也可以从阴影中获得与照射区景物有关的信息（如目标的高度等），雷达图像中的阴影对地形起伏的解译很重要。
　　3）前视收缩(fore shortening—scale distortion)
　　由于雷达按时间序列记录回波信号，因而入射角与地面坡度角的不同组合，使其出现程度不同的前视收缩现象。即雷达图像上所有前坡(面向传感器一侧)长度缩短，而后坡长度伸长。在像平面上前坡比它自身表现得更短、更陡、更亮；后坡比它自身表现得更长、更缓、更暗。  
　　4）叠掩现象(Layover—relief displacement)
　　当雷达接收到物体上部反射的能量先于下部反射的能量时，就出现叠掩。此时，在成像处理时物体的上部得以显示，或者说图像中地形的上部拼接在其底部的特征上。 一般情况下，叠掩出现在小入射角的时候，如在星载雷达图像上较为普遍。
　　● 收缩和叠掩与下列情况有关：
　　如果朝向雷达的坡度角小于雷达波束的入射角，收缩发生；
　　如果这两个角相等，则物体的顶部和底部都占据了同样的斜距位置，因此其在雷达图像上的位置相叠合，此时收缩达到最大；
　　如果朝向雷达的坡度角大于入射角，则出现叠掩。
　　5） 雷达视差与立体观察
　　● 当雷达沿两条不同轨道观察高于地面的同一目标时，不同的起伏位移造成图像视差。这种视差可以进行立体现察，并可测出目标的相对高度。但雷达图像上像差的测量难度较大，并受像元大小的限制，测量精度一股在10m以上。干涉雷达则可获得高精度(厘米级)的三维数据。
　　● 以上分析的雷达图像的几何特征——近距离压缩、顶底位移、透视收缔等均属原理性几何失真。一方面它可以用于进行地形、地物的测量和分析，另方面它严重影响到与其它遥感图像的配准，使雷达图像的几何纠正和数据分析比其它遥感图像更为复杂。

4、本章基本要求及重点、难点
　　本章基本要求：掌握微波遥感原理和主要类型，雷达遥感主要参数，雷达图像特点；
　　本章重点、难点：雷达遥感原理和主要参数，雷达图像与光学遥感图像的区别。

5、课堂提问、课后作业及思考题

（1）课堂提问
　　谈谈你对雷达遥感的认识。

（2）课后作业
　　简述雷达遥感的成像原理以及雷达影像特征。

（3）思考题
　　微波影像与航空影像相比有哪些特点？如何进行微波影像的判读？