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1、,卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing,第五章 海洋遥感的微波基础,武汉大学 遥感信息工程学院,微波：1-500GHz(频率)或0.3m-1mm(波长)反演海洋参量的频率：1-90GHz对海洋遥感观测的重要性：海洋表面的发射率和对大气透射率不仅依赖于频率，而且依赖于如大气水汽和液态水、降雨量、海表面温度和盐度、风速、海冰类型及外延性等变量。,微波的特点1.比VIR有更高的透明度，尤其在1f10GHz的范围，因此除了暴雨天微波仪器几乎能全天候透过云和聚齐物观测海洋表面。2.除太阳外，物体表面、大气和地球外的辐射源的
2、亮温都低于或等于300K。在此种温度下应用微波，瑞利-琼斯接近普朗克原理的应用。因此辐射传输方程可以以亮温的形式来代替辐射率。3.相对VIR来说，微波波长太长，意味着天线尺寸或光圈必须更大才能获得相同的空间分辨率。由于发射工具的尺寸使主动微波天线的直径限制为1-4m，所以微波分辨率限制在5-100km的范围内。,5.1 微波遥感的天线5.2 雷达方程和散射截面5.3 雷达的分辨方法5.4 成像雷达,天线：从自由空间电磁辐射传播到沿发射线路向传播波束转换的区域；天线主要用来发射和接收无线电波，互易且相互关联；天线的类型：喇叭天线（角锥、圆锥）：校正用天线；反射镜面天线（抛物面、卡塞格林及其补偿馈
3、电型）：辐射计、散射计、高度计等；相控阵天线（多个单元天线构成，包括线性、平面、曲面阵列）：SAR、真实孔径雷达等。,抛物面天线结构图,卡塞格仑天线原理图,真实孔径雷达用的x波段波导管隙缝阵列天线,常用的卫星雷达天线,视场内相对于天线的位置用XY坐标系统来表示，其中X轴指向距离向；Y轴指向航迹向。在这个坐标系统中，航迹向与卫星的飞行方向一致，距离向与卫星的飞行方向垂直，并且坐标原点位于卫星的星下点。,常用的卫星雷达天线,高度计是天底指向、抛物天线及圆形视场。其天线的半功率波束宽度为HPBW/D侧视的抛物天线其视场为椭圆形。矩形的侧视雷达天线其长轴与飞行方向平行。这种天线结构主要应用于合成孔径雷
4、达SAR。矩形天线在垂直轨道方向产生宽波束，而在沿轨道方向产生窄波束。以散射计为代表的高纵横比棒装天线，这种类型的天线能够产生长而窄的视场，并且视场的长轴与天线的长度方向垂直，而短轴与天线的宽度方向垂直。,雷达的辐射效率：,发射功率,辐射出去的那部分,天线的特性,天线孔径是在天线上靠近天线的一个假想表面，孔径上天线能量的分布确定了天线方向图。,天线的辐射方向函数：,（,）表示方向。,表示某一天线与标准天线得到同样功率时在同一方向上的功率密度之比，用来描述一副天线将能量聚集于一个窄的角度范围（方向性波束）的能力。方向增益(方向性系数)功率增益,功率增益一般小于方向增益,1.天线增益,天线的孔径是
5、它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。有效孔径等于几何孔径与孔径效率的乘积，表示一个均匀照射孔径，该孔径比实际的非均匀照射孔径小，但具有相同的增益；有效孔径是一个面积，它与入射功率密度相乘后可以给出天线的接收功率：,2.有效孔径,天线中辐射的电场的大小是依方向变化的，称为天线的指向特性，将这个指向特性用天线方向函数图表示时叫辐射方向图。,3.辐射方向图,天线辐射平面方向图示意图,最常用的是半功率波束宽度（HPBW），辐射电磁场的大小从主瓣的峰值下降3dB 的2 个点之间的角度间隔。天线的波束宽度与天线孔径的大小、孔径上的振幅与相位分布有关。,波束宽度因子的比例常数,自由空间的波长,孔径的
6、尺寸,4.波束宽度,对于单个目标的电磁脉冲散射，下图显示了天线结构、目标物以及发射脉冲和回波信号的示意图。,雷达天线的视角假定指向目标物，天线的孔径为A，增益为G(,)，最大视角增益为G0；在t0时刻，雷达发射持续为的电磁脉冲；脉冲信号与目标物相互作用后，经过反射作用，返回一部分入射电磁波的能量。,假设雷达天线发射脉冲的辐射通量为T。在视角方向，发射功率的辐射强度I0为I0=G0T/4当没有任何电磁脉冲的能力穿透目标物时，目标物面积AT定义为目标物在于雷达视角方向垂直方向上的横截面积，目标物向雷达方向的立体角定义为=AT/R2假定 1并且目标物位于雷达的视角方向，则入射到目标物的功率RS为RS
7、=G0 T AT/4R2,对于一个特殊的目标物，如果fA代表入射电磁波能量被目标物中吸收和散射的百分比，那么重新产生的辐射功率为TS=RS(1-fA)如果目标物重新产生的辐射功率在天线方向的增益为GTS,ITS为在天线方向上的辐射强度，那么ITS=TS GTS/4由于天线向目标物方向的立体角为A=A/R02，因此天线接收的回波功率R 可表示为R=GTS TS A/4R02,考虑到入射波的发射、与目标物的相互作用以及反射信号的接收，可得出雷达接收功率和发射功率的比率为R/T=G0/4R02 AT(1-fA)GTS A/4R02式中,(a)项与雷达的发射功率成正比；(b)项描述目标物的特性；(c)
8、项与天线的接收功率成正比。(a)、(c)项与天线的特性以及斜距R0有关，而(b)项与目标物的特性有关。由于目标物的特性比较难于测量，并且本身没有什么研究意义，因此(b)项可以简化为一项，称之为雷达散射截面(单位：m2)=AT(1-fA)GTS,（a)(b)(c),可得到如下形式的雷达方程R/T=G0A/(4)2R04该式表明雷达天线接收功率和发射功率的比与斜距的四次方成反比，因此雷达系统必须具备功率强大的发射机以及灵敏的接收机。为从上式中去除天线孔径A，根据增益为G0=4A/2，上式可改写为R/T=G02 2/(4)3R04因此，雷达散射截面可为=R/T(4)3R04/G022,当天线用于观测
9、海洋时，天线的半功率视场AFOV包含面积比较大的散射和反射表面。如果在整个视场内，海洋的空间特性是均匀的，则与AFOV是线性成正比。=0 dAs式中，dAs表示表面面积的积分，0为归一化散射截面。0是无量纲的，对于固定的表面特性，其与表面面积无关。对于扩展表面，以0的形式表示为R/T=2/(4)3AFOV G2(,)0/R04 dAs对于指向海洋表面的窄波束散射计，假设视场面积AFOV足够小以至于R0,近似常数。所以，关于0 的代数方程0=R/T(4)3R04/G022 AFOV,距离分辨在距离分辨中，侧视雷达通过发射和接收脉冲的时间延迟分辨地球表面足印后向散射的能量。下图是单个脉冲与表面相互
10、作用的示意图。假设 d 表示雷达脉冲在地球表面的投影长度，c为光速，为脉冲的持续时间，则d 可近似表示为,距离向分辨率下图表示发射脉冲与距离为s的两个目标物相互作用。,距离向分辨率当发射脉冲达到第一个目标物时，部分能量被反射，而其他的能量继续传播到达第二个目标物，发生第二次反射。第二次反射到达第一个目标物所必须移动的距离为s，这意味着两个目标物的反射回波信号之间相距为2s。因此，只要两个目标物之间的距离大于脉冲投影长度的一半，即2s d，那么两个目标物就可以产生可区分的回波信号。这说明距离向最优的分辨率x为,脉冲重复频率雷达脉冲通常具有规则的重复周期p。脉冲重复频率(PRF)定义为PRF=1/
11、p图中，dp=cp表示连续脉冲的间距，R1为最小斜距，R2为最大斜距。为满足第一个脉冲从距离雷达较远区域的回波信号超前第二个脉冲从距离雷达较近区域的回波信号，需满足：,用PRF表示，为,多普勒效应当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。雷达发出的波的频率为f0，波长为0，c是介质中波的传播速度，则有T0=0/c=1/f0,1.当雷达以速度Vs向目标运动，而目标静止，那么目标接收的频率是多少？,f=1/(/c)=f0*c/(c-Vs),2.雷达静止，而目标朝着雷达以速度Vr运动,
12、f=1/T=(c+Vr)/c*T0=f0*(c+Vr)/c,雷达方面,目标方面,3.雷达静止不动，而目标朝着雷达以速度V运动，同时，目标还会把雷达发射过来的波反射回去。此种情况相当于：雷达静止，雷达作为发射机发射电磁波，此刻目标朝着雷达运动，使得波的频率改变。接着，目标把电磁波反射回去，此时目标变成了运动的发射体，而雷达作为静止的物体接收这个电磁波。因此，雷达接收的波的频率为,f=f0*(c+v)/c*c/(c-v)=f0*(c+v)/(c-v),当波束指向卫星前下方时，由于(c+v)/(c-v)1,则f f0;当波束指向卫星后下方时，f f0。,相对运动所引起的接收频率域发射频率之间的差额称
13、为多普勒频率，用来表示：由于电磁波的传播速度远远大于卫星相对海表面的运动速度，即c v，所以上式可以化简为,假定散射计以与卫星航迹向成固定的倾斜角观测地球表面，则,由于地球表面一点相对于卫星轨道的位置一般由观测角和方位角 来确定。,由上式可得,则多普勒频率可表示为,两种星载成像雷达：真实孔径侧视雷达（SLR）合成孔径雷达（SAR）,SAR或SLR卫星天线的尺寸一般是方位向10m，距离向2m，侧视入射角为20 50。星载SAR的脉冲重复频率为1000-2000Hz，频率为1-10GHz，相应的波长为3-25cm。当频率小于1GHz时，雷达会受到电离层的反射和吸收、地球辐射以及银河系辐射的影响。当
14、频率大于10GHz时，雷达主要受到大气吸收的影响。,下图是侧视雷达的矩形天线几何关系图和半功率视场FOV。在距离向和方位向的半功率波束宽度分为、。假设天线高度为h，入射角为，距离向的波束宽度XS可以表示为,方位向波束宽度YS表示为,干涉雷达,距离向干涉仪由两个天线组成，这两个天线的方位向相同，它们在不同的距离向上同时对相同区域进行观测。这两个天线在距离向上相差的距离能精确得到，一般给定的距离为米量级。,第一种是天线A发射和接收，而天线B只管接收，反射的回波信号由两个天线接收；另外一种模式叫乒乓模式，天线A发射，天线A、B接收，然后天线B发射，天线A、B接收。,方位向干涉仪由两个在相同轨道上的天
15、线组成，它们在相同的位置、不同的时间对同一观测区域进行观测获取两幅图像。根据观测得到的每个像元的不同相位，可以分析得到径向位移。,两种极限情况0和/2。当0时，靠近星下点，入射能量就会同时被反射，此时，=1/2h，此时SLR是无效的。当/2时或入射角水平时，c/2 达到最小值，此时SLR是无效的。这两种极限情况之间，分辨率随着变化，因此SLR在两个方向的分辨率都有决定。要提高距离向的分辨率可以减小脉冲的宽度，但要提高方位向的分辨率只能增加天线长度。,SAR分辨率如果观测表面的点相对于卫星的位置定义为(x,y)，y远小于x，=y/x 定义为方位角与相对于距离向之比。入射辐射的中心频率和波长定义为
16、 f0 和 0，多普勒频移 f 和入射角有关：,将=y/x，x=R0sin代入上式足印前缘y的最大值 ymax=YS/2它与后缘的大小相同但是方向相反，由上两式可得频移：,卫星飞过天线长度需要的时间,如果fmin是f能区分的最小频率，可得出在方位向上的分辨率ymin频率分辨率fmin由照射时间T0决定，T0为卫星经过在方位方向上刈幅宽度所需要的时间，因此在时间约束条件下将上式带入ymin公式中，可以看出，方位向的最小分辨率等于天线长度的一半：,PRF(脉冲重复频率)的约束上式成立的条件是PRF必须满足两个限制条件，其中一个是PRF下限，另外一个是PRF上限。下限与天线长度有关，上限与天线的宽度有关，结合这两个条件，可以约束天线的最小区域。PRF下限：PRF 2 fSAR=2 v0/lPRF上限：由 dp=cp 2tanR0/w 和 PRF=p-1 得PRF 4v0R0tan/c,
