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1、中 国 地 质 大 学研究生课程论文封面课程名称 遥感图像处理原理及应用 教师姓名 高伟 研究生姓名 黄永威 研究生学号 120080232 研究生专业 地图制图学与地理信息工程 所在院系 地球科学学院 类别: B.硕士 日期: 2009年 1月 9 日 评 语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总 成 绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。海洋微波遥感 12080232 黄永威 地球科学学院1. 微波及微波遥感 电磁波谱中，波长在1mm-1m的波段范围称微波，对应频率从300M
2、Hz到300GHz，占据了电磁波段的三个数量级。微波比可见光红外波长要大得多。 微波遥感即通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物及其特性的技术。微波遥感与可见光红外遥感在技术上有很大差别。可见光红外遥感用的是光学技术，通过摄影或者扫描来获取信息；而微波遥感要求不同的设备和技术，它使用有源或者无源系统，收集和记录目标、背景在微波波段内的电磁波辐射、散射能量，经信号处理来识别目标物体或现象的有用信息。 微波遥感分为主动微波遥感和被动微波遥感两类。主动式微波遥感器，又称有源微波遥感器。主动微波遥感特征是，由微波遥感器发出探测用的微波照射被测目标物体，与被测目标物体相
3、互作用，发生反射、散射或穿透一定深度，然后接收被测目标物体散射的微波信号，通过监测、分析回波信号来确定目标物体的各种特性。常用的主动微波传感器有：真实孔径雷达、合成孔径雷达、雷达高度计和微波散射计。被动式微波遥感器本身不发射电磁波，只接收被测目标、背景辐射的微波能量来探测目标物体特性。被动式微波遥感器，也称无源微波遥感器。常用的被动式微波传感器：微波辐射计。2. 水体微波辐射特征 海洋的微波辐射取决于两个主要因素：一是海面及一定深度的复介电常数 。它反映海水的电学性质，由表层物质组成及温度所决定。海水是由各种盐类、有机质、悬浮粒等组成的复杂水体。从微波辐射角度，海水可视为含NaCl等盐类的导电
4、溶液。海水的介电常数 是海水温度、盐度的函数。因而海洋微波遥感可以测得海面及水下一定深度的温度和含盐度等信息。二是海面粗糙度海面至一定深度内的几何形状结构。从这一角度可将海面分成4类：1）平静海面：海面无风或风速很小，可用物理光学处理，当水面粗糙度较微波波长小得多时，可视为平坦海面，以静面反射为主。2）风浪海面：海面有波浪而成为一个随机起伏得粗糙面。此时电磁波在界面上产生复杂多变的反射和散射，散射回波增强。同时，大风浪海面往往伴有泡沫带（含大量气泡和水滴）。它的特征除与辐射亮度温度有关外，还与海浪谱、海面风速等有关。3）污染海面：一般指油污染等形成两层介质，引起亮度温度的显著差异。油膜使海面趋
5、于平滑，减弱回波强度，而呈黑色。4）冻结海面。海面有海冰、冰山等，由于冰雪的介电常数较水体小，引起亮度温度的明显差异。3. 微波遥感特点 能全天候、全天时工作 可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。因此，当地表被云层遮盖时，无论是可见光遥感还是红外遥感均无能为力。地球表面有40%-60%的地区常年被云层覆盖，平均日照时间不足一半，尤其是占地表70%的海洋上更是如此。 按瑞丽散射原理，散射的强度与波长的四次方成反比。由于微波的波长比红外波要长得多，因而散射要小得多，所以与红外波相比，微波在大气中衰减较少，对云层、雨区的穿透能力较强，基本上不受烟、云、雨、雾的限制。例如
6、，3.2cm波长的微波束穿过4km含有液态水的浓云，其强度只衰减1dB，几乎可以忽略不计。所以说具有全天候、全天时的特点。 对某些地物具有特殊的波谱特征 许多地物间，微波辐射能力差别较大，对于可见光和红外遥感所不能区别的某些目标物的特性，微波遥感可以较容易地分辨出。例如，在微波波段中，水的比辐射率为0.4, 而冰的比辐射率为0.99, 在常温下两者的亮度温度相差100k，很容易区别，而在红外波段，水的比辐射率为0.96，冰的比辐射率为0.92, 两者相差甚微，不易区别。 对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透力 该特性可用来探测隐藏在林下的地形、地质构造、军事目标，以及埋藏于地下的工程、矿藏、地下
7、水等。 对海洋遥感具有特殊意义 微波对海水特别敏感，其波长很适合于海面动态情况（海面风、海浪等）的观测。 分辨率较低，但特性明显 微波传感器分辨率一般都比较低，这是因为其波长较长，衍射现象较显著。要提高分辨率必须加大天线尺寸。其次，观测精度和取样速度往往不能协调。 比起可见光红外遥感，微波遥感起步较晚。1954年后，美国军方使用了第一台侧视机载雷达（SLARSide-looking Airborne Radar）。60年代，SLAR系统开始用于地质勘测和测量地球资源，并作为一种重要遥感手段，和可见光、红外等遥感器一起对地球进行全天候的观测。1957年，美国密执安大学为陆军首先研制了第一部SAR
8、（合成孔径雷达）系统，到70年代也开始用于地球遥感。由于微波遥感技术的全天候、全天时工作能力，世界上许多国家都很重视微波遥感技术的研究和发展。研制成功的多种微波遥感器已用于美、苏发射的多种气象卫星和飞行器。1978年美国发射的Seasat海洋卫星和1981年发射的SIR（航天飞机成像雷达），标志着微波遥感技术克服可见光、红外遥感缺陷的实现。20世纪90年代以来，各国相继发射了已系列的星载雷达，如前苏联的Almaz-1、欧空局的ERS-1、日本的JERS-1以及加拿大的Radarsat等，微波遥感得到了很大的发展。4. 各种微波传感器及其海洋学应用1）雷达遥感及合成孔径雷达（SAR） 一个雷达成
9、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。雷达根据微波传播、接收的时差和多普勒变化以及回波的振幅、相位和极化方式来探测目标的物理性质。 由雷达方程 可知，雷达回波强度与入射波长直接相关。雷达遥感系统所选择的波长长短，一方面决定了表面粗糙度的大小和入射波穿透深度的能力；另一方面波长不同，地物目标的复介电常数不同。这都直接影响到雷达回波的强弱。因此，对于不同雷达波长，同一目标的影响特征不一样。下表列出了遥感常用的微波以及它们的波长、频率范围。-波 段 波 长 （cm）频 率 (MHz)Ka 0.8 1.1 40000 26500K 1.1 1.7 26500 18000Ku 1.
10、7 2.4 18000 12500X 2.4 3.8 12500 8000C 3.8 7.5 8000 4000S 7.5 15 4000 2000L 15 30 2000 1000P 30 100 1000 30- 雷达遥感系统的极化方式，影响到回波强度和对不同方位信息的表现能力。常用的有四种：水平发射、水平接收（HH），垂直发射、垂直接收（VV），水平发射、垂直接收（HV），垂直发射、水平接收（VH）。前两者为同向极化，后两者为异向极化。不同极化方向会导致目标对电磁波的不同响应，使雷达回波强度不同，并影响到对不同范围信息的表现能力。利用不同极化方式图像的差异，可以更好地观测和确定目标的特性
11、和结构，提高图像的识别能力和精度。 雷达可分为真实孔径雷达和合成孔径雷达。雷达图像分辩单元面积为（距离分辨率方位分辨率），距离分辨率公式为： 方位分辨率为： 可见，发射波长越短，天线孔径越大，距离目标地物越近，则方位分辨率值越小，分辩能力越强。要提高分辨力的两种途径为：一是采用脉冲压缩技术，以缩短发射波长；二是加大天线孔径。当考虑到技术上的实际问题，采用了合成天线技术。即以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同位置上接收回波信号，并记录存储下来，将这些回波信号进行合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样，就使一个小孔径天线，起到了大孔径天线的作用，也就是合成孔径雷达。
12、1978年6月，美国NASA发射了Seasat卫星，它是第一颗搭载了四个微波传感设备的地球观测卫星。包括：测量海表地形的雷达高度计（ALT）；测量海上风速和风向的Seasat-A卫星散射计（SASS）；测量海表风速、海表温度、大气水汽、降雨、冰盖的多通道扫描微波辐射计（SMMR）；测量海表信息、极地冰盖、海岸区域的合成孔径雷达（SAR）。该合成孔径雷达在L波段（1.275GHz）运作，极化方式为同向极化，水平发射，水平接收。倾斜角在20o到26o范围内。相关参数见下表：-卫星高度 800km频率 1.28GHz(L-Band)极化方式 HH空间分辨率 25m*25m扫描刈幅 100km天线尺寸
13、 10.74*2.16m天线类型 相位阵列- 这以后，NASA、前苏联、欧空局、日本、加拿大都发射过搭载合成孔径雷达的卫星（见下表）。前苏联发射的Kosmos卫星的雷达运作波段为S波段，极化方式为HH极化。1991年欧空局发射了ERS-1，搭载了C波段、VV极化的主动微波仪。对于航天遥感，它首次使用较短的C波段，首次用VV极化，首次选用较陡的入射角（23o）。1995年，又成功发射ERS-2。欧空局后继卫星ENVISAT于2002年3月发射，搭载的雷达运作波段为C波段，双极化，扫描刈幅100400km。加拿大1995年发射了RADARSAT-1，搭载了C波段、HH极化、入射角和扫描刈幅可变的雷
14、达，其突出特点是，按照入射角、覆盖宽度、空间分辨率不同的组合，可有8种不同工作模式，一直提供资料到2004年。日本在1992年发射了JERS-1，搭载雷达为L波段、HH极化方式。2000年2月，美国奋进号航天飞机执行了一项称为SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）的计划，在仅仅11 天的全球性作业中，利用单通道C波段的干涉成像雷达系统，获得了地球60N 至56S 间陆地表面80 %面积的三维雷达数据。-平台 设备 国家（机构） 波段 极化 空间分辨率(m) 扫描刈幅(km) 发射日期Seasat SAR USA L HH 25 100 1978.6SIR-A SAR USA L HH 40 50 1981.11SIR-B SAR USA L HH 25 30 1984.10SIR-C/X-SAR SIR-CX-SAR USAGermany/Italy L,CX 全极化HH 30 10-200 1994.4 1994.9SRTM C-SARX-SAR USAGermany/Italy CX VV,HHH
