2 微波遥感基础原理
本章要点
本章从电磁波传播的基本概念到SAR 的基本原理对于雷达遥感的基本知识作
了概要的介绍，包括相干成像和合成孔
径的概念、重要的参数、SAR影像的基本特征等。
主要内容
§2．1 微波遥感物理基础
§2．2 真实孔径雷达基本原理
§2．3 SAR系统基本原理
§2．4 SAR影像的主要特性
2.1 微波遥感物理基础作业：目标的散射特性与哪些因素有关？
在真空或介质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。
E为电场矢量方向，M为磁场矢量方向，C为传播方向。
• 电磁波是时间和空间的函数
• 电场矢量和磁场矢量相互垂直，而且又都垂直于传播方向
• 电磁波具有波动性和粒子性
• 波长、相干性、叠加性和极化等都是电磁波的重要特性＋幅度和相位
• 如果某电磁波的电场矢量和磁场矢量均在垂直于传播方向的平面上，并且幅度为常数，则称为平面波
在均匀介质中电磁波随时间作正弦变化，波长或频率是描述电磁波重要的参量。
微波偏振与极化Polarization
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量，称为电磁破的偏振
非偏振光，偏振光，部分偏振
E
H
Z
E 线极化
H Z
E 椭圆极化
H Z
E 圆极化
H Z
极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向
Polarization of Microwave
水平极化是指电场矢量与入射面垂直 垂直极化是指电场矢量与入射面平行
E
H
Z 垂直极化
同极化HH，VV
交叉极化HV，VH
目标
入射平面
衍射
衍射：波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。
远场衍射，也称夫琅和费衍射，若光源或观察屏离开衍射孔或缝为无限远，这种衍射现象称远场衍射。
衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象；孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。
衍射对微波遥感的两个意义：天线；感兴趣的地表目标的大小与微波传感器的波长是相当的（毫米-米），土壤粗糙度、树枝、麦秆、水波和海浪等。
(∵障碍物接近波长时才开始衍射)
衍射与天线
天线：发射时类似线性波阵面，接收时类似电磁场中的小孔
行进中的波阵面上任一
点都可看作是新的次波
源，而从波阵面上各点
发出的许多次波所形成
的包络面，就是原波面
在一定时间内所传播到
的新波面。
●天线辐射与单缝衍射类似，天线在不同角度辐射电场E大小分布是由于天线在微波波段衍射导致的结果
●正是衍射效果相同，天线阵可替代连续天线(惠更斯-菲涅尔原理) ●微波衍射效应正比于入射波长，反比于孔径线度 (分辨率)
散射
散射：电磁波辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时多方位、多角度地改变原来传播方向的现象，即目标对入射电磁波能量的重定向；反射、折射和衍射都是散射的基本形式。
分子或原子相互
接近时，由于双
方很强的相互斥
力，迫使它们在
接触前就偏离了
原来的运动方向
而分开
瑞利散射：(a < 0.1λ)指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。
散射强度和散射方向有关，并和波长的四次方成反比。
米氏(谐振)散射：(0.1λ < a<
10λ) 当大气中粒子的直径与
辐射的波长相当时发生的散
射。
主要由大气中的微粒，
如烟、尘埃、小水滴及气溶
胶等引起。
辐射强度与波长
的二次方成反比，散射在光
线向前的方向比向后的方向
更强，方向性较明显。
波长为λ 、半径为a 的球体的雷达截面
光学(非选择性)散射： （10λ < a ）散射粒子的粒径比辐射波长大得多时发生的散射，散射系数与波长无关。
当大气中充满大粒子尘埃时，常会出现这种散射，造成接收数据的严重衰减。
非选择性散射导致可见光、近红外、中红外散射，这些波长合成使天空中云层表现为白色。
法拉第旋转效应
线极化电波通过电磁场时，会在
电磁场的影响下产生极化面相对入射
波的旋转。
其大小与电波频率、电离
层电子密度、传播路径长度有关。
微波穿过大气层时会产生法拉第旋转，旋转程度与v2成反比，低频长波旋转程度大。
法拉第旋转导致单一线极化测量的局限性，L波段的最大旋转可达100°，极大限制了空基P波段微波遥感系统的可行性，其旋转可达几百度。
全极化优势：法拉第旋转只影响极化旋转角并未改变地物的极化特性，全极化测量中的基本不变信息不会受到大气的影响。
电磁辐射能量穿透大气层示意图
基尔霍夫定律：一般物体的辐射可以由相同温度下黑体辐射乘以该物体的吸收率来表示；物体的发射率等于其吸收率
指沿发射路径，频率为v 的电磁波在任意点s 的辐射强度；
指体吸收系数，也称衰减系数；
表示光学深度，即不透明度； 指从0到s 的透射率，
取值范围[0,1]，0完全不透过，1完全透过； 指黑体辐射的选择性吸收(或选择性发射)
辐射传输方程：
瑞利-金斯辐射公式：
在一定波长范围内，辐射亮度与绝对温度的一次项成正比。
对波长>=3mm的全部微波均成立。
代入辐射传输方程，令透射率
可得，
其中，第二项即为大气层辐射贡献
辐射传输理论是被动微波遥感的理论基础
微波辐射计原理
雷达入射波的散射
雷达发射电磁波在目标表面感应电流而进行再辐射，从而产生散射电磁波。
雷达方程
• 雷达方程：雷达是主
动式微波遥感方式，即
利用传感器（天线）向
地面发射微波后接受其
散射波，其过程可以用
雷达方程式定量表示。
• 雷达方程是雷达遥感
的理论基础，也表明了
主动式观测的特性，主
动式遥感可以全天时获
取数据，但消耗能量能
大大增加。
雷达散射截面(Radar Cross-Section)
目标的假想面积，用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示，该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。
对于主动微波观测应用，地表的延展目标不是单独的对象，因此σ与分布范围内的散射能量成比例，在成像雷达系统中，这个分布范围对应一个分辨像素。
后向散射系数，归一化雷达截面（NRCS），单位面积散射截面：
后向散射系数
Radar returns from various surfaces
Radar returns from various surfaces
目标的散射特性
• 目标的散射特性首先取决于目标尺寸和雷达波长间的关系
（粗糙度），介电特性和极化特性
＝＝》粗糙度
• 粗略划分为三类散射区：
1.瑞利区：目标尺寸远小于雷达工作波长
2.谐振(米氏)区：目标尺寸和雷达工作波长在同一数量级（角反射）
3.光学(非选择性)区：目标尺寸远大于雷达工作波长
微波的反射率
粗糙度的量化
粗糙度标准
粗糙度与波长
表面粗糙度由表面自身的物理特性、波长和雷达俯角等决定
对于长波雷达，地表相对较光滑，后向散射小
同样的地表对于短波雷达就显粗糙，在雷达图像中由于后向散射强而显得亮
Locate the surface roughness sampler Release the latch to drop the pins Mark the profile of pins on paper
location
profile
Surface profile Digitizing the profile
表面粗糙度的量测
θd The rougher the surface the
less dependence of the radar
return on depression angle
Radar return from smooth and
rough surfaces as a function of
depression angle
回波强度与俯角
微波散射与入射角
微波散射与地物介电常数
介电常数：描述材料的电性质（电容、传导率、反射率），通常定义为物体电容与真空电容之比。
•自然界一般物体在干燥时，其介电常数在3~8之间，
而水的介电常数接近80
•岩石的介电常数差别很小，很难依据介电常数来区别不同的类型
•介电常数增加，反射增加
•土壤含水越多，反射越强
•金属物体有很大导电率，故雷达回波信号也很强
土壤的介电常数
1.4GHz（L波段）
土壤（流沙地与高黏土地）的相对介电常数与容积含水量的变化关系
ε‘、ε“为复介电常数的实部和虚部
土壤含水越多，反射越强
水面的散射特性
2π2π
复杂表面的散射
角反射器的类型
z High Radar Cross Section granted ! θ
x
Φ y
Azimuth direction 角反射器的RSC 分布
高度角 方位角
Corner Cube
角反射器在SAR影像上的例子
穿透深度曲线
C
X L
SIR-A 测绘沙特阿拉伯古河道
（L 波段，1981年）
ERS SAR image
(C波段)。