1、卫星海洋遥感导论卫星海洋遥感导论An Introduction to Satellite Oceanic Remote Sensing第一部分第一部分 海洋遥感基础海洋遥感基础第四章第四章 海洋遥感的微波基础海洋遥感的微波基础武汉大学武汉大学 遥感信息工程学院遥感信息工程学院第四章第四章 海洋遥感的微波基础海洋遥感的微波基础Satellite Oceanic Remote Sensing 14.1 4.1 微波的特性微波的特性4.2 4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响4.3 4.3 微波遥感的天线微波遥感的天线4.4 4.4 雷达方程和散射截面雷达方程和散射截面4.5 4.5 合
2、成孔径雷达合成孔径雷达(SAR)(SAR)的基础的基础4.1 微波的特性微波的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 2微波遥感利用波长范围：微波遥感利用波长范围：0.1-100cm0.1-100cm。特点：特点：全天候观测。全天候观测。目标观测量：目标观测量：频率、多普勒效应、极化（偏振）、后频率、多普勒效应、极化（偏振）、后向散射（体散射、面散射）、海面风、波向、浪高等。向散射（体散射、面散射）、海面风、波向、浪高等。缺点：缺点：数据处理复杂。数据处理复杂。基本概念：基本概念：叠加原理、相干性（相干时间、相干长叠加原理、相干性（相干时间、相干长度）、衍射、极化
3、。度）、衍射、极化。4.1.1 4.1.1 微波的衰减微波的衰减4.1.2 4.1.2 微波的辐射微波的辐射4.1.3 4.1.3 微波的表面散射微波的表面散射4.1.4 4.1.4 微波的体散射微波的体散射4.1 微波的特性微波的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 34.1.1 微波的衰减微波的衰减Satellite Oceanic Remote Sensing 4微波的衰减是由于穿过大气时大气分子的吸收和微波的衰减是由于穿过大气时大气分子的吸收和散射以及与大气层中的物质发生复杂的相互作用。散射以及与大气层中的物质发生复杂的相互作用。大气对微波的衰减程度：大
4、气对微波的衰减程度：大气成分及其物理性质相关，如大气成分及其物理性质相关，如H H2 2OO、OO2 2的吸的吸收和其它大气粒子（如雨滴）的散射；收和其它大气粒子（如雨滴）的散射；微波波长负相关；微波波长负相关；云层：云层：吸收和散射微波，也自身发射微波，成为吸收和散射微波，也自身发射微波，成为一种噪声，需要去除。一种噪声，需要去除。4.1.1 微波的衰减微波的衰减Satellite Oceanic Remote Sensing 5大气分子造成的微波吸收大气分子造成的微波吸收 雨滴粒子造成的微波的衰减雨滴粒子造成的微波的衰减 4.1 微波的特性微波的特性Satellite Oceanic Re
5、mote Sensing 64.1.2 4.1.2 微波的辐射微波的辐射地球表面除辐射可见光、红外线以外，也辐射微弱的微波；地球表面除辐射可见光、红外线以外，也辐射微弱的微波；黑体热红外黑体热红外PlankPlank定律；微波辐射定律；微波辐射瑞利瑞利 -金斯定律；金斯定律；微波遥感中，目标称为微波遥感中，目标称为“灰体灰体”，用与之相同的具有等辐射率的，用与之相同的具有等辐射率的黑体的热力学温度作为它的亮度温度黑体的热力学温度作为它的亮度温度TBTB；海面亮度温度海面亮度温度T TB B；与海面真实温度之间的关系：；与海面真实温度之间的关系：T TB B=eTs=eTs发射率发射率e(e(,
6、i,i,s,Ss,us,Ss,u,)，观测的天顶角，观测的天顶角 、辐射计频率、辐射计频率 、辐射、辐射计极化方式计极化方式i i 、海面真实温度、海面真实温度 s s 、海面盐度、海面盐度SsSs 、海面摩擦风速、海面摩擦风速u u和风向和风向 的函数；的函数；影响海水的发射亮度温度的主因：海面粗糙度、泡沫，这在第影响海水的发射亮度温度的主因：海面粗糙度、泡沫，这在第2 2章章中已经详细讨论过。中已经详细讨论过。4.1.2 微波的辐射微波的辐射Satellite Oceanic Remote Sensing 7平静海面的发射率与入射角的关系平静海面的发射率与入射角的关系一些相关概念一些相关概
7、念表面散射表面散射 镜面反射：相干成分镜面反射：相干成分散射：扩散成分或非相干成分散射：扩散成分或非相干成分后向散射：反向传感器方向的散射后向散射：反向传感器方向的散射4.1 微波的特性微波的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 84.1.3 4.1.3 微波的表面散射微波的表面散射4.1.3 微波的表面散射微波的表面散射Satellite Oceanic Remote Sensing 9散射波与表面散射波与表面粗糙度的关系粗糙度的关系多个散射体分布时的体散射多个散射体分布时的体散射介质不均匀时的体散射介质不均匀时的体散射4.1 微波的特性微波的特性Satell
8、ite Oceanic Remote Sensing 104.1.4 4.1.4 微波的体散射微波的体散射大气、树、土壤、水体、积雪等对微波都可能产生体散射；大气、树、土壤、水体、积雪等对微波都可能产生体散射；穿透深度穿透深度：功率降低到功率降低到1/e1/e时的距离，衡量体散射；时的距离，衡量体散射；体散射强度：体散射强度：介质体内的不连续性、密度的不均匀性成正比；介质体内的不连续性、密度的不均匀性成正比；体散射角度：体散射角度：介质表面粗糙度、平均相对介电常数、介质不连续性、介质表面粗糙度、平均相对介电常数、介质不连续性、波长等相关；波长等相关；雷达接收的信号：雷达接收的信号：与体散射强度
9、和体散射体积的积成正比。与体散射强度和体散射体积的积成正比。4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite Oceanic Remote Sensing 11氧气对微氧气对微波的吸收波的吸收水汽、氧气的吸收；水汽、氧气的吸收；微粒（水滴如云雾、降水、冰粒、尘埃等）散射；微粒（水滴如云雾、降水、冰粒、尘埃等）散射；云和降水的衰减等。云和降水的衰减等。大气对微波的总衰减系数为：大气对微波的总衰减系数为：PCOHO22水汽对微水汽对微波的吸收波的吸收大气粒子对大气粒子对微波的散射微波的散射云和降雨的云和降雨的衰减作用衰减作用微波为长波时：微波为长波时：波长远大于大气分子尺度，满足
10、瑞利散射规律；波长远大于大气分子尺度，满足瑞利散射规律；分子和云滴的散射可以忽略；分子和云滴的散射可以忽略；考虑大气的对微波辐射的发射和吸收。考虑大气的对微波辐射的发射和吸收。微波为短波时：微波为短波时：微粒直径大于波长，米散射；微粒直径大于波长，米散射；波长波长 0.3cm0.3cm，水滴直径，水滴直径 0.1cm0.3cm0.3cm，水滴直径，水滴直径 0.1cm0.1cm（降水情况下）（降水情况下）时主要为散射作用，瑞利散射规律不再适用。时主要为散射作用，瑞利散射规律不再适用。4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite Oceanic Remote Sensing
11、 124.2.1 4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收大气中氧气分子的微波吸收 4.2.2 4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收大气中水汽和云中液态水的微波吸收 4.2.3 4.2.3 云对微波的衰减云对微波的衰减 4.2.4 4.2.4 大气中微波辐射传输模式大气中微波辐射传输模式 4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite Oceanic Remote Sensing 13Van VleckVan VleckC1=2.6742C1=2.6742P P为气压（毫米汞柱）为气压（毫米汞柱）v v为频率（千兆）为频率（千兆）T T为温度（为温度（K K）K K为玻
12、尔兹曼常数为玻尔兹曼常数E EN N为能级，为能级，N=1,3,5,7,45N=1,3,5,7,45S SN N为分子跃迁下平均偶极矩阵元素为分子跃迁下平均偶极矩阵元素气体分子对微波吸收和发射主要是分子转动能级之间的跃迁结果，气体分子对微波吸收和发射主要是分子转动能级之间的跃迁结果，氧分子为双原子的线性分子，根据其特点，其微波吸收系数的公式：氧分子为双原子的线性分子，根据其特点，其微波吸收系数的公式：4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收大气中氧气分子的微波吸收Satellite Oceanic Remote Sensing 14TNNNNNKTESvPTC)1(06844.22310exp2为
13、共振线频率为共振线频率共共4646条条有表可查有表可查半谱线宽度半谱线宽度4.2.1 大气中氧气分子的微波吸收大气中氧气分子的微波吸收Satellite Oceanic Remote Sensing 15357.1)(,1919250/)250(*717.064.0)(,2501964.0)(,250273,760,)(*0000*pghPapppghPaphPapghPapkTmmhgpTTpppgv2222222)1()12(12)12(11)32(vvvNNNNNvvvvvvNNNvvvvvvNNNSNNNNN）（）（）（）（）（）（NNvv,水汽分子对微波吸收和发射主要也是分子转动能级
14、之水汽分子对微波吸收和发射主要也是分子转动能级之间的跃迁结果，它为三原子的非对称极性分子；间的跃迁结果，它为三原子的非对称极性分子；其吸收主要处于远红外和亚毫米波区，其中两条位于其吸收主要处于远红外和亚毫米波区，其中两条位于微波波段，即微波波段，即1.348cm1.348cm和和0.163cm0.163cm处，构成了水汽分处，构成了水汽分子在微波区的主要吸收特征；子在微波区的主要吸收特征；水汽分子的吸收在水汽分子的吸收在1.348cm1.348cm处为共振吸收，在其它高处为共振吸收，在其它高频吸收为剩余吸收。频吸收为剩余吸收。4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite
15、Oceanic Remote Sensing 164.2.2 4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收大气中水汽和云中液态水的微波吸收频率（频率（GHzGHz）温度（温度（K K）水汽密度（水汽密度（g/m3g/m3）气压（气压（mbarmbar）水汽吸收系数水汽吸收系数)(3180147.011058.201107.0234.221234.221PT0.01471T644expTP140.711625.035.122222w3.125w2OH2cmTpTPvTvvvvvvww4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收大气中水汽和云中液态水的微波吸收Satellite Oceanic R
16、emote Sensing 17可以看出，水汽吸收系数与水汽密度有关，成正比：可以看出，水汽吸收系数与水汽密度有关，成正比：近似地：近似地：平均路径质平均路径质量吸收系数量吸收系数 路径上的积分路径上的积分总水汽含量总水汽含量4.2.2 大气中水汽和云中液态水的微波吸收大气中水汽和云中液态水的微波吸收Satellite Oceanic Remote Sensing 18dpPsec),(0220OHOHLv*),(OH2129101224.0210435.0TcloudW云滴对微波的散射与吸收相比，一般可以作为瑞利散射处云滴对微波的散射与吸收相比，一般可以作为瑞利散射处理，云的吸收比散射至少大
17、一个量级，因此云的衰减系数理，云的吸收比散射至少大一个量级，因此云的衰减系数可用吸收系数代替。可用吸收系数代替。云中液态水的吸收系数为：云中液态水的吸收系数为：可近似表示为：可近似表示为：其中，其中，WW为单位体积云中水含量，为单位体积云中水含量，T T为云滴温度（为云滴温度（K K），），L L为为 路径路径上的积分总水汽含量，上的积分总水汽含量，K Kcloudcloud为云中水平均路径质量吸收系数。为云中水平均路径质量吸收系数。4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite Oceanic Remote Sensing 194.2.3 4.2.3 云对微波的衰减云对微
18、波的衰减LKcloudcloud有了上面计算得到的吸收系数，采用数值积分方法，可以模拟有了上面计算得到的吸收系数，采用数值积分方法，可以模拟计算大气微波辐射传输；计算大气微波辐射传输；从地面到大气上界，可分为从地面到大气上界，可分为n n层，各层的高度层，各层的高度Z Zi i,温度温度T Ti i,气压气压P Pi i,吸收系数吸收系数 i i，t(t(,i),i)为天顶角方向上地面到第为天顶角方向上地面到第i i层的透过率：层的透过率：4.2 大气对微波遥感的影响大气对微波遥感的影响Satellite Oceanic Remote Sensing 204.2.4 4.2.4 大气中微波辐射
19、传输模式大气中微波辐射传输模式)exp(),0()(*2secexp()secexp(),(2110tZZdzitijjjjjZaisungalextsudextTTTTetTTtTeTteTcos2)1()1()(对于光学上薄的大气层，辐射传输方程为：对于光学上薄的大气层，辐射传输方程为：方向上大气顶量温方向上大气顶量温海面发射率海面发射率大气外部的向下辐射大气外部的向下辐射透过率透过率海面处大气的向下辐射海面处大气的向下辐射 大气顶层向上辐射大气顶层向上辐射海面温度海面温度银河噪声银河噪声(3GHz)(3GHz)宇宙背景辐射宇宙背景辐射(3K)(3K)太阳辐射太阳辐射4.2.4 大气中微波
20、辐射传输模式大气中微波辐射传输模式Satellite Oceanic Remote Sensing 21大气温度为：大气温度为：海面上方高度为海面上方高度为z z处的大气热力学温度处的大气热力学温度大气总的吸收系数大气总的吸收系数4.2.4 大气中微波辐射传输模式大气中微波辐射传输模式Satellite Oceanic Remote Sensing 22dzzzzTTdzzzzTTdusecsec),0(exp)()(secsec),(exp)()(00天线：高频电流天线：高频电流无线电波无线电波 转换器；转换器；天线主要用来发射和接收无线电波天线主要用来发射和接收无线电波 ，互易且相互关联；
21、，互易且相互关联；天线的类型：天线的类型：喇叭天线（角锥、圆锥）：校正用天线；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电型）：反射镜面天线（抛物面、卡塞格林及其补偿馈电型）：辐射计、散射计、高度计等；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、曲相控阵天线（多个单元天线构成，包括线性、平面、曲面阵列）：面阵列）：SARSAR、真实孔径雷达等。、真实孔径雷达等。4.3 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 23抛物面天线结构图抛物面天线结构图 4.3.1 微波遥感的天线微波遥感
22、的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 244.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 254.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 264.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 27卡塞格仑天线原理图卡塞格仑天线原理图4.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 284.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Sate
23、llite Oceanic Remote Sensing 294.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 30真实孔径雷达用的真实孔径雷达用的x x波段波导管隙缝阵列天线波段波导管隙缝阵列天线 常见的微波遥感天线常见的微波遥感天线4.3.1 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 31雷达的辐射效率：雷达的辐射效率：发射功率发射功率辐射出去的那部分辐射出去的那部分4.3 微波遥感的天线微波遥感的天线Satellite Oceanic Remote Sensing 324.3.2
24、4.3.2 天线的特性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。的分布确定了天线方向图。tradPP天线的辐射方向函数：天线的辐射方向函数：（,）表示方向。）表示方向。1,4,ddDPddPPPDSradSrad增益（和有效孔径）增益（和有效孔径）辐射方向图（包括波束宽度、旁瓣）辐射方向图（包括波束宽度、旁瓣）阻抗（电压驻波比）阻抗（电压驻波比）4.3.2 天线的特性天线的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 33天线的三个主要性能参数天线的三个主要性能参数表
25、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。波束）的能力。方向增益方向增益(方向性系数方向性系数)功率增益功率增益功率增益一般小于方向增益功率增益一般小于方向增益 4.3.2 天线的特性天线的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 341.1.天线增益天线增益DGGRPRG,4Pr42max2收到的总功率最大辐射功率密度2max24/4/4RPPRGtD辐射的总功率最
26、大辐射功率密度辐射的总功率率每立体弧度内的最大功4.3.2 天线的特性天线的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 35天线的孔径是它在与主波束方向垂直平面上的投影的实际面积。天线的孔径是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；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
27、率：接收功率：2.2.有效孔径有效孔径24AGDAAAGmeeD,42eirAPP4.3.2 天线的特性天线的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 36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。个指向特性用天线方向函数图表示时叫辐射方向图。3.3.辐射方向图辐射方向图天线辐射平面方向图示意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（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），辐射电磁场的大小从主瓣的峰值下降
28、峰值下降3dB 的的2 个点之间的角度间隔。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。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波束宽度因子的比例常数自由空间的波长自由空间的波长孔径的尺寸孔径的尺寸4.3.2 天线的特性天线的特性Satellite Oceanic Remote Sensing 374.4.波束宽度波束宽度DKHPBW/4.4 雷达方程和散射截面雷达方程和散射截面Satellite Oceanic Remote Sensing 38后向散射（后向散射（backscatteringbackscatter
29、ing）雷达横截面（雷达横截面（Radar Cross-SectionRadar Cross-Section，RCSRCS）标准化雷达后向散射截面（标准化雷达后向散射截面（normalized radar cross sectionnormalized radar cross section，NRCSNRCS）或后向散射系数）或后向散射系数 0 0AdAA00星载雷达的测量过程示意图星载雷达的测量过程示意图4.4 雷达方程和散射截面雷达方程和散射截面Satellite Oceanic Remote Sensing 39式中：式中：PtPt（Watt Watt 瓦特）为雷达的发射功率，瓦特）为雷
30、达的发射功率，为波长，为波长，R R（mm）为距雷达的距离，）为距雷达的距离，A A（m2m2）为散射面的面积，）为散射面的面积，AeAe（m2m2）为天线接收能量的有效面积，）为天线接收能量的有效面积，GG为天线增益，为天线增益，PrPr（Watt Watt 瓦特）为接收功率。瓦特）为接收功率。4.4 雷达方程和散射截面雷达方程和散射截面Satellite Oceanic Remote Sensing 40雷达方程（雷达方程（Radar EquationRadar Equation）的基本形式）的基本形式2244RARGPPetr4.4 雷达方程和散射截面雷达方程和散射截面Satellite
31、 Oceanic Remote Sensing 41校准系数校准系数镜面反射镜面反射的贡献的贡献 BraggBragg散射散射的贡献的贡献 雷达方程的一般形式雷达方程的一般形式BraspetrRGAPP000432204432)4(RGGPPrtr雷达方程的最终形式雷达方程的最终形式4.5 合成孔径雷达的基础合成孔径雷达的基础Satellite Oceanic Remote Sensing 42雷达观测海面示意图雷达观测海面示意图基本概念基本概念多普勒效应及雷达多普勒效应多普勒效应及雷达多普勒效应多普勒频率及其分辨率多普勒频率及其分辨率SARSAR距离分辨率和方位分辨率距离分辨率和方位分辨率海
32、面海面SARSAR成像的复杂性成像的复杂性海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型海浪的雷达成像原理与理论海浪的雷达成像原理与理论长波的轨道速度的影响长波的轨道速度的影响倾斜调制倾斜调制粗糙度调制粗糙度调制波浪运动和时间变化的作用波浪运动和时间变化的作用参量相干作用的影响参量相干作用的影响轨道速度的作用轨道速度的作用4.5 合成孔径雷达的基础合成孔径雷达的基础Satellite Oceanic Remote Sensing 43宽度宽度长度长度距离分辨率距离分辨率方位分辨率方位分辨率雷达脉冲间隔雷达脉冲间隔倾斜距离分辨率倾斜距离分辨率入射角入射角方位角方位角方位角方位角卫星高度卫星高度
33、t -t -雷达脉冲持续时间（雷达脉冲持续时间（s s）-散射雷达信号的多普勒频（散射雷达信号的多普勒频（HzHz）c -c -光速（光速（ms-1ms-1）r -r -从卫星到观测区域的距离（从卫星到观测区域的距离（mm）D-D-天线孔径天线孔径4.5 合成孔径雷达的基础合成孔径雷达的基础Satellite Oceanic Remote Sensing 44由观察者和辐射源的相对运动所引起的电磁辐射的频率改变，就叫多谱勒效应。由观察者和辐射源的相对运动所引起的电磁辐射的频率改变，就叫多谱勒效应。如果辐射源和观察者之间的距离缩小，接收信号的频率如果辐射源和观察者之间的距离缩小，接收信号的频率
34、就高于传输信号的就高于传输信号的频率频率，导致正的多谱勒频移，导致正的多谱勒频移 d d；如果辐射源和观察者之间的距离增加，则有；如果辐射源和观察者之间的距离增加，则有相反的效应，多谱勒频移是负的。相反的效应，多谱勒频移是负的。当辐射源和观察者虽然相对固定但散射体或反射体运动，也会产生多谱勒效应。当辐射源和观察者虽然相对固定但散射体或反射体运动，也会产生多谱勒效应。4.5.1 4.5.1 基本概念基本概念1.1.多普勒效应及雷达多普勒效应多普勒效应及雷达多普勒效应cosCvvd)cos(cos21Cvvd4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensin
35、g 45多谱勒效应在遥感中用于观察目标的运动。它也是合成孔径成像雷达利用多谱勒效应在遥感中用于观察目标的运动。它也是合成孔径成像雷达利用的基本物理效应，以获得分辨率非常高的图像。的基本物理效应，以获得分辨率非常高的图像。4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensing 46而而B B点所接收的电磁波频率为：点所接收的电磁波频率为：雷达接收到的回波频率：雷达接收到的回波频率：安装在卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球海表安装在卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球海表面发射频率为面发射频率为 0 0的电磁波。由于在照射区域的电
36、磁波。由于在照射区域B B内，总是存在一些不规内，总是存在一些不规则的地物起伏，而且卫星与地球表面存在相对运动，故相对速度等于则的地物起伏，而且卫星与地球表面存在相对运动，故相对速度等于地速矢量地速矢量 在波束方向上的投影，即：在波束方向上的投影，即：vccv0vccvcos波束指向卫星前下波束指向卫星前下方时，接收的频率方时，接收的频率高于发射的频率；高于发射的频率；同样当波束指向卫同样当波束指向卫星后下方时，接收星后下方时，接收频率低于发射频率。频率低于发射频率。0vccv4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensing 47多普勒频率为相对运动
37、所引起的接收频率与发射频率之间的差额：多普勒频率为相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差额：于是有：多普勒频率分辨率：于是有：多普勒频率分辨率：方位角的角分辨率：方位角的角分辨率：卫星在采样时间卫星在采样时间内移动的距离内移动的距离2.2.多普勒效应频移和多普勒频率分辨率多普勒效应频移和多普勒频率分辨率st11,cos222)1(22)(000000cvcvccvcvvccvvsin2sin2sin2DXsDtXsin2st4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensing 48雷达的距离分辨率指雷达在地面能够分辨的最小距离。雷达的距离分辨率指雷达
38、在地面能够分辨的最小距离。一般用一般用yy表示，由发射雷达脉冲投影到海表面的长度来确定，即：表示，由发射雷达脉冲投影到海表面的长度来确定，即：3.3.合成孔径雷达的距离分辨率和方位分辨率合成孔径雷达的距离分辨率和方位分辨率sin2sincEBySCSC代表卫星与探测点之间的代表卫星与探测点之间的距离，距离，ABAB代表沿雷达波束在代表沿雷达波束在地面的投影方向上能够分辨地面的投影方向上能够分辨的最小距离，即距离分辨率。的最小距离，即距离分辨率。入射角入射角卫星卫星4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensing 49得合成孔径雷达的方位分辨率为：得合
39、成孔径雷达的方位分辨率为：方位分辨率取决于可以测定发射信号的多谱勒频移所具有的精度。方位分辨率取决于可以测定发射信号的多谱勒频移所具有的精度。真实孔径雷达的方位角分辨率为真实孔径雷达的方位角分辨率为xx，它的值与雷达波长（，它的值与雷达波长（wavelengthwavelength）和孔径（和孔径（apertureaperture）D D的比值有关，表示为：的比值有关，表示为：cos2DXrrx2,sin2DX又：Drrx4.5.1 基本概念基本概念Satellite Oceanic Remote Sensing 50利用多谱勒效应的合成孔径雷达的处理原理图利用多谱勒效应的合成孔径雷达的处理原
40、理图4.4.合成孔径雷达的工作原理合成孔径雷达的工作原理距离向上，距离向上，与真实孔径雷达相与真实孔径雷达相同，采用脉冲压缩来实现高距同，采用脉冲压缩来实现高距离分辨率；离分辨率；方位向上，方位向上，通过合成孔径原理通过合成孔径原理来改善方位分辨率；来改善方位分辨率；方位压缩；方位压缩；平台的速度和姿态平台的速度和姿态对多普勒频对多普勒频移有影响，会抵消合成孔径效移有影响，会抵消合成孔径效果，因此稳定的平台姿态和速果，因此稳定的平台姿态和速度对度对SARSAR是非常重要的。是非常重要的。海面无时不在运动，且其海面无时不在运动，且其运动是非惯性、非线性的运动是非惯性、非线性的 SARSAR传感器
41、本身运动，其传感器本身运动，其运动是形成运动是形成“合成孔径合成孔径”的条件的条件SARSAR平台处于运动中平台处于运动中运动中的电磁波运动中的电磁波海面波谱海面波谱两类波的相互作用示意图两类波的相互作用示意图4.5 合成孔径雷达的基础合成孔径雷达的基础Satellite Oceanic Remote Sensing 514.5.2 4.5.2 海面合成孔径雷达成像的复杂性海面合成孔径雷达成像的复杂性“三动三动”和两类波作用和两类波作用复杂性主要表现在，即使是同一复杂性主要表现在，即使是同一SARSAR系统对非常相似的海面系统对非常相似的海面成像，哪怕飞行方向稍微改变成像结果也大相径庭。成像，
42、哪怕飞行方向稍微改变成像结果也大相径庭。目前对目前对SARSAR的成像理论的两类处理方法：的成像理论的两类处理方法：基于电磁波散射理论和流体力学理论建立严密的理论模型基于电磁波散射理论和流体力学理论建立严密的理论模型 基于基于SARSAR图像的统计模型。图像的统计模型。4.5.2 海面合成孔径雷达成像的复杂性海面合成孔径雷达成像的复杂性Satellite Oceanic Remote Sensing 52物理和海洋学意义明显，物理和海洋学意义明显，推理严谨，实用性差。推理严谨，实用性差。实用性较强，物实用性较强，物理意义不明显理意义不明显4.5 合成孔径雷达的基础合成孔径雷达的基础Satell
43、ite Oceanic Remote Sensing 534.5.3 4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型自自19781978年年SeaSATSeaSAT发射以来，雷达图象的成像机理并未完全掌握；发射以来，雷达图象的成像机理并未完全掌握；在雷达图像中，解释成像两种主要因素：在雷达图像中，解释成像两种主要因素：成像雷达的高分辨率能成像雷达的高分辨率能力（从几十米到几米）；力（从几十米到几米）；产生图像的相干产生图像的相干Doppler Doppler 信息的应用。信息的应用。雷达图象是海面的本地相干散射截面变化的表征，三种重要的散射雷达图象是海面的本地相干散射截面变化的表
44、征，三种重要的散射截面调制源：本地倾斜角、表面粗糙度、波的轨迹速度。截面调制源：本地倾斜角、表面粗糙度、波的轨迹速度。4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 54影响雷达成像的因素影响雷达成像的因素海浪的雷达成像海浪的雷达成像长波的轨道速度的影响长波的轨道速度的影响倾斜调制：倾斜调制：有人认为它可以产生足够大的后向散有人认为它可以产生足够大的后向散射变化使得能对海面成像。对雷达图象与飞行方向射变化使得能对海面成像。对雷达图象与飞行方向有无关系还存在争论。有无关系还存在争论。粗糙度调制粗糙度调制波浪运动和时间变
45、化的作用波浪运动和时间变化的作用参量相干作用的影响参量相干作用的影响轨道速度的作用轨道速度的作用4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 551.1.海浪的雷达成像原理与理论海浪的雷达成像原理与理论 海面的散射特征一般用海面的散射特征一般用组合模型解释；认为天底组合模型解释；认为天底附近入射角小于附近入射角小于1515时镜时镜面散射（即几何光学）占面散射（即几何光学）占主导，而在大入射角时，主导，而在大入射角时，BraggBragg型散射为主导。型散射为主导。但是，在成像雷达实验但是，在成像雷达实验中情况并不是
46、如此，在分中情况并不是如此，在分析雷达图像特征时，海浪析雷达图像特征时，海浪谱可以分为三个区域。谱可以分为三个区域。4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 56 K=K1=2k sin K=K1=2k sin（k k为波数）：为波数）：这是共振区，产生后向散射的这是共振区，产生后向散射的波，对目前大多数成像雷达而言，波，对目前大多数成像雷达而言，2m2m，当共振波长，当共振波长=2=2K4K4sinm-1sinm-1，是短重力波区。，是短重力波区。（222r2r）K K：这里这里r r为雷达图像分辨率，此时，
47、雷达为雷达图像分辨率，此时，雷达图像上每个分辨率单元对应后向散射截面与谱在该区内所有可图像上每个分辨率单元对应后向散射截面与谱在该区内所有可能的对应的波面斜率贡献有关。能的对应的波面斜率贡献有关。K K（222r2r）：）：所有在这个区域内的波浪的波长都大于分所有在这个区域内的波浪的波长都大于分辨单元，因此，每个海浪都单独地成像。该区域覆盖了所有的辨单元，因此，每个海浪都单独地成像。该区域覆盖了所有的涌浪，且本地风速很大。涌浪，且本地风速很大。4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 57雷达图象是表面后向散射
48、截面的二维表示，解释雷达图像的两个理论：雷达图象是表面后向散射截面的二维表示，解释雷达图像的两个理论：均匀粗糙表面的坡度调制均匀粗糙表面的坡度调制 表面粗糙度调制表面粗糙度调制4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 582.2.长波的轨道速度的影响长波的轨道速度的影响4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 59其中其中R R为飞行线到分辨单元的垂直距离，为飞行线到分辨单元的垂直距离，为平台速度，为平台速度，t t为时间。为时
49、间。这样，如果存在速度这样，如果存在速度VpVp的调制，则的调制，则（t t）就被调制，导致聚速）就被调制，导致聚速效应，甚至在表面为均匀散射元分布的情况下能够产生图像。效应，甚至在表面为均匀散射元分布的情况下能够产生图像。对应特定的分辨单元内的景物，相位史为平台速度的函数：对应特定的分辨单元内的景物，相位史为平台速度的函数：222424,tVRRtRtVpp RtRtRtDt2222224444.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 60本地入射角本地入射角 雷达平台上观测方向的垂向夹角雷达平台上观测方向的垂
50、向夹角 3.3.倾斜调制倾斜调制对于海洋的一个微粗糙小区域，其一阶归一化雷达后向对于海洋的一个微粗糙小区域，其一阶归一化雷达后向散射截面为：散射截面为：sincos2,sin2440kkki4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像模型Satellite Oceanic Remote Sensing 61表面的复介电常数表面的复介电常数 coscoscossincossin11,sincos1sincossinsincossincos221222221212122222221224iiririrriririGGGGGG同时：4.5.3 海面雷达散射及其成像模型海面雷达散射及其成像
