微波遥感理论与技术基础--董晓龙(一)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,国家,863,计划微波遥感技术实验室,The National Microwave Remote Sensing Laboratory,董晓龙,微波遥感理论与技术基础,（第一周）,863,计划微波遥感技术实验室,提纲,课程简介,课时安排,教学安排,第一章,课程简介,内容：微波遥感理论与技术（偏重微波遥感技术）的基础知识,电磁波与物质相互作用（包括电磁波传输、散射和辐射）的基本概念和基础知识，及其在微波遥感中的应用；,微波遥感器的基本形式，各种微波遥感器的探测机理、系统构成、主要技术指标和典型的微波遥感器系统的概述；,微波遥感（偏重星载微波遥感）的典型应用及其发展情况。,预修课程：,电磁波理论,微波技术与天线基础,雷达原理,参考教材,Iain H. Woodhouse, “Introduction to Microwave Remote Sensing”. CRC press, 2006.,Charles Elachi, “Introduction to the physics and techniques of remote sensing”. John Wiley and Sons., Inc, 1987. (,王松皋 等译，“遥感的物理学和技术概论”，气象出版社,1995,年出版,).,Fawwaz Ulaby,etal, “Microwave Remote Sensing: Active and Passive ”, vol.1-2. Artech House Publishers, 1982, 1983. (“,微波遥感：有源与无源”第,1-2,卷，科学出版社,),Leung Tsang, Jin Au Kong, Robert T. Shin, “Theory of Microwave Remote Sensing”. Wiely-Interscience, 1985,金亚秋，“电磁散射和热辐射的遥感理论”，科学出版社,1993,年出版。,Henri Sauvageot, “Radar Meteorology”, Artech House Publishers, 1992.,NASAs Earth Science program,: A web-based remote sensing tutorial (),课时安排（,1,st,half,）,第一章：概述,遥感的基本概念和分辨率，微波遥感系统概述，被动微波成像仪，被动微波探测仪，主动微波遥感器。,第二章：微波和微波遥感的历史简介,发展的初期，电磁场与电磁波，无线电和雷达，射电天文，成像雷达，星载微波遥感。,第三章：电磁波的基本参数及其应用,电磁波的基本参数，电磁波的能量和功率，相干性，微波的传播，微波的产生。,第四章：微波的极化测量,电磁波极化特性的描述，极化波的叠加，极化的表示，被动微波极化测量，雷达极化测量，极化特性。,第五章：微波与物质的相互作用,电磁波波谱及其与物质相互作用的特点，连续媒质与大气，微波与分立目标的相互作用，体散射与辐射，光滑表面的反射与辐射，粗糙表面的散射与辐射，周期表面的散射与辐射，自然表面的散射与辐射，特殊的散射体。,第六章：微波的检测,概述，基本的微波辐射计，天线的形式与特性，微波接收机，相干系统，主动系统，系统性能，定标。,期中考核（,10,，,11,）,课时安排（,2,nd,half,）,第七章：大气探测,大气探测的目标，测量原理，探测的理论基础，观测方式，水汽廓线的探测与反演，温度廓线的探测与反演，被动降雨测量。,第八章：被动成像探测,测量原理，海洋探测，海冰探测，陆地探测。,第九章：主动微波遥感,测量原理，雷达方程与分辨率，雷达高度计，雷达散射计。,物体的微波散射特性（面散射与体散射），物体的微波发射特性，遥感探测的基本形式和微波遥感器,第十章：成像雷达,成像雷达的应用，图像与雷达图像，侧视机载雷达，合成孔径雷达，合成孔径雷达的雷达方程，雷达图像的几何畸变与矫正，雷达参数，合成孔径雷达的模式，图像的处理与应用。,第十一章：干涉测量,干涉测量的需求，干涉的原理，被动干涉成像，雷达干涉，数字高程，极化干涉，植被高度估计，差分干涉合成孔径雷达，永久散射体，顺轨干涉。,期末考试,第一章 概述,微波遥感的基本概念,微波遥感的分辨率,微波遥感的发展历史,微波遥感的发展趋势,一、微波遥感的基本概念,遥感，,Remote Sensing,广义：用非接触的手段获取物体的有关信息；,Look, Hear, Smell,狭义：利用设备获得目标信息的电磁技术；,Remote sensing is the science and/or technology of acquiring information about the Earths surface without actually being in contact with it. This is done by sensing and recording reflected or emitted energy and processing, analyzing, and applying that information,Remote sensing is the technology of using sensors such as conventional cameras, or electronic scanners sensitive to electromagnetic radiations outside the visible region, to obtain imagery for analysis.,Active radar, band-limited passive microwave, infrared, ultraviolet, and multispectral or hyperspectral instrumentation have been used successfully.,遥感的要素,Energy Source or Illumination (A),the first requirement for remote sensing is to have an energy source which illuminates or provides electromagnetic energy to the target of interest.,Radiation and the Atmosphere (B),as the energy travels from its source to the target, it will come in contact with and interact with the atmosphere it passes through. This interaction may take place a second time as the energy travels from the target to the sensor.,Interaction with the Target (C),once the energy makes its way to the target through the atmosphere, it interacts with the target depending on the properties of both the target and the radiation.,Recording of Energy by the Sensor (D),after the energy has been scattered by, or emitted from the target, we require a sensor (remote - not in contact with the target) to collect and record the electromagnetic radiation.,遥感的要素（续,1,）,Transmission, Reception, and Processing (E),the energy recorded by the sensor has to be transmitted, often in electronic form, to a receiving and processing station where the data are processed into an image (hardcopy and/or digital).,Interpretation and Analysis (F),the processed image is interpreted, visually and/or digitally or electronically, to extract information about the target which was illuminated.,Application (G),the final element of the remote sensing process is achieved when we apply the information we have been able to extract from the imagery about the target in order to better understand it, reveal some new information, or assist in solving a particular problem.,电磁波谱与微波遥感,电磁辐射与电磁波,电磁波的频率与微波,EM Spectrum,Microwave region,300 MHz,30 GHz.,Millimeter wave,30 GHz,300 GHz.,IEEE uses a different definition,300 MHz,100 GHz,微波遥感及其特点,微波遥感,微波是指波长在,1mm,到,1m,（对应频率为,300MHz,到,30GHz,）之间的电磁波，近年来，随着电子技术的发展，人们也将毫米波和亚毫米波（波长为,1mm0.1mm,，频率为,30300GHz,）遥感与传统的微波波段的遥感统称为微波遥感，或称之为微波,/,毫米波遥感。,在微波波段，影响电磁波与物质相互作用的主要因素是目标界面的几何形状、物理性质和两种介质的介电特性。微波遥感获得的主要信息是目标的几何特性、物理特性和介电特性。毫米波,/,亚毫米波以及微波频率的高端是气体分子转动带能量的特征频率，所以这些频率可以用来探测特定气体成分。亚毫米波的高端则与热红外相近，与被观测对象的温度和热常数有关。,微波遥感的特点,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。可见光和红外频带的大气窗口，由于波长与构成云层的水滴和冰粒的尺寸相当，受云层的衰减吸收大，其观测受天气的影响大。当构成云层的水滴和冰粒的尺寸远小于微波波长，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；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；,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，这种发射形成表征气体组分的谱线；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。,Advantages,Day/night coverage.,All weather except during periods of heavy rain.,Complementary information to that in optical and IR regions.,Disadvantages,Data are difficult to interpret.,Coarse resolution except for SAR.,主动遥感和被动遥感,被动遥感（,passive,）,微波辐射计,主动遥感（,active,）,雷达,成像雷达,雷达散射计,雷达高度计,气象雷达,被动微波遥感,测量地球表面或大气所辐射或反射（来自太阳或其它辐射目标）的微波能量。,根据探测要求（大气、降雨、冰灯）选择探测频率。,包括两类：,微波成像仪（,Microwave Imager,）,探测亮度温度分布（陆地、海冰、温度、盐度、液水含量等）,微波探测仪（,Microwave Sounder,）,微波辐射波谱（随频率的变化）测量。,测量大气参数：温度、气压、液水、降雨、特定气体成分（水气、臭氧等）,主动微波遥感,雷达遥感：,距离测量,雷达高度计；,散射测量,雷达散射计；,成像测量,成像雷达；,微波遥感的应用,海洋探测：包括海洋风场、海面温度、潮汐、海洋波高和波谱、海洋地貌及海流、重力场和海洋水准面测量，海况和海洋气象预测，海洋污染监测，海洋成象应用等方面；,大气探测：包括大气廓线、大气温度廓线、大气风场、云型及云顶温度、云粒特性及廓线、液体水及降水率、臭氧、微量气体、辐射收支情况等的测量；,陆地探测：包括地物反射率及散射特性、土壤湿度、农作物和植被生长情况、陆地表面温度、土壤湿度、降水量测量，陆地表面地貌测绘，森林火灾及水旱灾害监测，陆地成象应用等方面；,冰雪探测：包括冰盖地貌、雪盖地貌的边缘和厚度的测量，海冰覆盖边缘和深度的测量，以及冰雪覆盖情况的演化的监测等；,空间探测：包括太阳、行星、月球探测，深层空间探测，空间背景探测，空间环境和空间气象探测等方面；,军事应用。,二、微波遥感的分辨率,分辨率（,Resolution,）：区分差别的能力。,分辨率的分类：,Spatial Resolution,（空间分辨率）：,the size of the smallest possible feature that can be detected.,Spectral resolution,（频谱分辨率）：,the ability of a sensor to define fine wavelength intervals.,Radiometric resolution,（辐射分辨率）：,sensitivity of the sensor to the magnitude of the electromagnetic energy.,Temporal resolution,（时间分辨率）：,the ability to detect the temporal changes of the observed target.,电磁波参量与微波遥感测量,频率,/,波长,波谱测量,幅度,强度测量,极化,极化测量,相位,/,时间,距离测量,空间信息（高度计）,频率信息,（波谱仪）,强度信息,（散射计,辐射计）,成像辐射计,成像雷达,三、微波遥感的发展历史,微波遥感起源于本世纪初主动微波系统的发展和应用，特别是第二次世界大战期间雷达技术的发展和广泛应用，为微波技术用于对地观测奠定了很好的基础。,与其它遥感技术的发展类似，微波遥感的发展也经历从陆基、机载到星载，从简单到复杂的发展里程。,从,1950,年代开始，人们在开发机载真实孔径成像雷达方面进行了大量的工作，并且同时开展了综合孔径雷达（,SAR,）的研究，机载,SAR,的孔径分辨率达到了很高的程度。,从,1960,年代开始，人们将雷达系统用于科学领域，从而推动了微波遥感技术的出现和发展。,被动微波遥感则是从射电天文观测技术发展而来的：,1968,年代末期，人们将用于天文观测的射电天文望远镜用于对地观测，发展了陆基和机载的微波辐射计。,从,1960,年代开始，一直到,1980,年代初期，各种形式的微波遥感器，进行了大量的基本理论和实验研究，为微波遥感进入应用创造了条件。,从,1960,年代末期开始，空间技术的发展为人们开展全局性、大范围的对地观测提供了前所未有的平台，星载微波遥感技术得到发展。,从,1968,年前苏联发射“宇宙,243”,卫星搭载微波辐射计开始，国外以美国、前苏联和欧洲空间局为代表，从,1960,年代开始星载微波遥感器的发展，迄今已经发展了多种微波遥感器。,由于微波遥感的巨大应用前景，在卫星发展计划中载有微波遥感器的迅速增加，在全世界迄今发射的应用卫星中约有,1/3,是有微波遥感器的卫星，在对地观测的有效载荷中，约有,1/3,是微波遥感器,微波辐射计,微波辐射计（续,1,）,1978,DMSP,SSM/T,50.5,53.2,54.3,54.9,58.4,58.8,59.4,单个旋转镜面,1500,174,大气：温度廓线,1978,Tiros-N,MSU,50.3,53.7,55.0,57.9,双旋转镜面,2300,110,大气：温度廓线,1978,1978,SEASAT-A,Nimbus-7,SMMR,SMMR,6.6,10.7,18,21,37,偏馈抛物面摆扫天线，双极化,600,800,1823,2235,大气：水汽，降雨率；,地表：海面温度，风速，海冰，降雪覆盖,1979,Cosmos,1076,1151,Device,n,Device,p,3.53,9.37,22.2,37.5,9.35,抛物面天底观测不扫描,刈幅,18(37.5),刈幅,80(3.53),海面：温度，风速,云：水汽,1979,1981,Bhaskara-I,(ISRO),Bhaskara-II,(ISRO),SAMIR,SAMIR,19.1,19.6,22.2,19.35,22.235,31.4,固定天线,同上,150,和,1000,同上,150,125,大气：水汽，液态水含量,大气：同上；,地表：降雨，风,1987,DMSP,SMM/I,19.35,22.235,37,85.5,偏馈旋转抛物面双极化,1400,1624,大气：水汽，液态水含量；,地表：风，海冰，降雪覆盖，土壤湿度,1987,MOS-1,MSR,23.8,31.4,偏馈卡塞格伦天线，机械扫描，双极化,317,23,大气：水汽含量,地表：冰，雪,微波辐射计（续,2,）,微波辐射计（续,3,）,微波辐射计（续,4,）,微波散射计,雷达高度计,成像雷达,成像雷达（续,1,）,四、微波遥感的发展趋势,发展方向,我国微波遥感的发展,技术发展趋势,国际上微波遥感的发展方向,遥感卫星的发展从重视大的综合卫星向重视单一使命小卫星的方向发展，对于特定的遥感观测任务，通过多颗分别搭载不同遥感器的小卫星共同实现；,在分辨率（包括空间分辨率、幅度分辨率、时间分辨率等）方面提出了更高的要求；,多参数、多种信息的遥感要求，主要包括：多极化测量、多角度测量、相干相位测量等成为新一代微波遥感技术发展的重要方向；,通过小卫星星座或小卫星编队飞行构成分布式观测系统，实现遥感观测能力的提高和复杂观测任务的实现，成为微波遥感发展的一个非常重要的研究热点。与之相关的微波遥感器的小型化、功能模块化成为重要的发展方向。,我国微波遥感的发展,根据我国关于民用航天应用卫星“气象、海洋、资源、环境与减灾”四大系列的划分和规划，用于对地观测的微波遥感有效载荷包括以下几大类：,成像雷达（主要是,SAR,）：用于对地面、海面目标进行高分辨率成像观测；,雷达高度计（,RA,，,Radar Altimeter,）：主要用于测量平均海平面高度、海浪和海面风场，兼顾海冰等测量要求；,雷达散射计（,SCAT,，,radar SCATterometer,）：用于测量地,/,海面的后向雷达散射截面，主要用于海面风场（包括风速和风向）的测量，并兼顾海冰、陆地、植被等的测量；,气象雷达（,MR,，,Meteorological Radar,）：包括降雨雷达（,PR,，,Precipitation Radar,）和云剖面雷达（,CPR,，,Cloud Profiling Radar,）。用来测量降雨的分布、雨量、云的分布、云含水量的分布、云顶高、云底高等；,微波辐射计（,MWR,，,MicroWave Radiometer,）：用于测量地、海面或地球大气微波辐射亮度温度。,我国微波遥感技术的发展和规划,我国星载微波遥感的起步始于载人航天工程神舟,4,号飞船主载荷多模态微波遥感器，该系统是一个集雷达高度计、雷达散射计和多波段微波辐射计为一体的综合技术试验系统，通过该系统的研制、发射和在轨运行，验证了这三种微波遥感器的工作原理和技术能力，为进一步的发展奠定基础，是我国星载微波遥感技术发展的良好开端。,目前，我国列入型号研制或型号背景预研的星载微波遥感器包括：,成像雷达（,SAR,）：环境,1C,卫星，海洋,3,号等。,雷达高度计：,海洋,2,号海洋动力环境卫星双波段雷达散射计：该系统是一个,C,波段和,Ku,波段的双频雷达高度计，系统采用宽频段数字频率合成技术和全固态器件，测高精度优于,4cm,，达到国际上本世纪初的先进水平，系统测试功能和技术指标与,ESA,研制的,ENVISAT,卫星的双频高度计（,RA-2,）相当。,雷达散射计：,海洋,2,号海洋动力环境卫星雷达散射计：该系统是一个,Ku,波段笔形波束圆锥扫描雷达散射计，采用,H,极化和,V,极化单反射面双波束天线。该系统主要用于测量海面风场的风速和风向，系统的功能和技术指标与美国的,QUICKSCAT,散射计卫星的,Seawinds,雷达散射计相当，达到当前国际先进水平。,微波辐射计,海洋,2,号卫星：微波成像仪。,6.637GHz,。,风云,3,号气象卫星：该卫星是我国第一个搭载微波遥感器的气象卫星，微波遥感器包括：,微波成像仪：该系统是一个,5,波段的圆锥扫描微波辐射计。,微波湿度计：该系统是一个,2,波段（,150GHz,和,183GHz,）的毫米波辐射计，系统采用推扫成像技术，主要测量大气中的水汽含量。,微波温度计：该系统是一个,5060GHz,多波段微波辐射计，系统采用推扫成像技术，主要通过测量大气中的氧分子辐射测量大气温度。,风云,3,号卫星微波遥感器的频率配置和主要技术指标与美国,NOAA,新一代气象卫星微波遥感器接近。,风云,4,号卫星：开始了微波,/,毫米波计技术的可行性论证和先期技术预研。,谢谢！,