微波遥感理论与技术基础（四）.ppt

1、微波遥感理论与技术基础 （第四周）,董晓龙 国家863计划微波遥感技术实验室 中国科学院空间科学与应用研究中心,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。,4.1 极化波的描述,极化：电磁波电场或和磁场的方向（相对传播方向） 电磁波的极化特征： 全极化 部分极化 非极化 两种方式 固定时间上空间电/磁场的方向分布 空间规定位置上电/磁场方向的变化情况（遥感中常用） 线极化 圆极化 椭圆极化,遥感中的极化特性,目标的极化特征目标的物理特征 极化特征：遥感中的难点 三维表示 时间变化 复杂的数学概念和方法,极化波的描

2、述,极化方向的定义 在一定的坐标系中定义 坐标系的选择是任意的 极化平面是垂直于传播方向的平面 遥感中的定义： X方向：平行于地球表面（斜入射）； Y 方向：极化平面内与X方向垂直. 极化特性是二维特性 平面内定义； 可以用两个正交基的迭加表示； 正交：互不包含； 水平极化和垂直极化。,线性基底（Linear Basis）,线性基： 水平和垂直极化45度旋转45度极化 左旋圆极化和右旋圆极化 线性变换不变性： 通过线性变换，可以改变基底的选择，但不改变极化特性； 改变的是线性组合的系数； 极化线性基的选择： 根据目标 根据观测方式,前向散射取向和后向散射取向,FSA（Forward Scatt

3、ering Alignment)：以传播方向为基准 沿着波的传播方向，Z轴取向满足右手螺旋； BSA（Back-Scattering Alignment）：以天线为基准 发射天线：右手螺旋，向着离开天线的方向； 接收天线：左手螺旋，向着接收天线的方向。,4.2 极化波的迭加,同极化波的迭加干涉 时谐（正弦）函数的迭加 相同的频率，不同的幅度和相位 极化波的迭加（意义） 极化测量只能测量两个正交极化分量； 利用两个正交极化分量推导目标的实际极化特征。 两个极化波迭加 不同的幅度和相位 不同的极化,极化特征的描述,幅度（amplitude): 取向角（Orientation Angle) 最大幅度

4、方向水平方向的夹角 线极化：x,y方向的相位相同 椭圆极化：x,y方向有相位差且不等于90度。 圆极化：x,y方向相位差等于90度。,椭圆极化参数,椭圆角,极化的迭加特性,任意的极化可以表示为两个正交线极化分量的线性组合。 在遥感中，通常用水平（H）极化和垂直（V）极化的组合来表示目标特性。 极化特征的表示： H和V极化的幅度关系； H和V极化的相位关系。 极化合成（polarization synthesis) 利用极化数据进行极化合成。,被动微波遥感： H和V极化的幅度 H和V极化的相位差； 主动微波遥感（雷达遥感） 发射和接收的极化组合； 接收信号H和V的幅度； 接收信号H和V的相位差；

5、 星载SAR的极化方式 ERSSAR(VV) JERS-SAR(HH) PALSAR(ALOS), Radarsat-2(Quadpol),4.3 极化的表示,Poincare球 数学描述 Stokes矢量 亮度Stokes矢量 部分极化波 Stokes散射矩阵 散射矩阵 目标矩阵 协方差矩阵,Poincare球,概念性描述： 用类似于经度和纬度的方法表示极化取向角和椭圆角。 赤道：线极化波； 随着纬度的增加，椭圆度增加； 两极：圆极化波； 北极：左旋； 南极：右旋； 物理意义： 球的半径：表示极化波的幅度； 通过球心的相反方向：表示正交极化。,数学描述,波矢量描述,Stokes矢量,两个正交

6、极化及其相位关系的表述。 物理意义： I：表示总能量； Q：表示极化特性； Q0: 趋向垂直极化； Q0: 趋向水平极化； U，V：表示两个极化的相位差。 U：同相； V：正交。,修正的Stokes矢量,亮度Stokes矢量,部分极化波,自然目标的幅射或散射波通常呈现随机极化特性。 由于目标表面的取向通常具有一定的极化特征。 完全极化波（Fully Polarized Wave）： Stokes参数不独立；Q2+U2+V2=I2 对应于Poincare球上的一个点：半径等于I。 完全非极化波（Fully Unpolarized Wave）： Q=U=V=0对应于Poincare球的球心，没有任

7、何方向性。,部分极化波（partially polarized wave) I2 =Q2+U2+V2 极化度(degree of polarization)全极化波：m=1 完全非极化波：m=0,Stokes矢量的可加性 任意两个独立的传播方向相同的电磁波的Stokes矢量是可迭加的。 任意极化的电磁波可以表示为不同极化分量的组合。 部分极化波的表示：利用上述分解可以研究目标的特性： 全极化分量：通常与目标的取向有关； 完全非极化分量：通常与随机噪声和随机分量有关。,Stokes散射矩阵,被动微波遥感： Stokes矢量可以完全描述极化特性； 主动微波遥感： 发射信号的极化特性； 散射信号的极

8、化特性，与发射信号有关。 散射矩阵：,散射矩阵的特点： 散射矩阵与选择的坐标系有关。 Stokes散射矩阵，Stokes散射算子，Mueller矩阵 Kennaugh矩阵： 散射波用接收天线参考框架（Antenna Reference Frame) . BSA取向入射波和散射波都以天线为基准进行描述。,散射矩阵,极化互易性,目标矩阵,互易媒质：散射矩只有三个独立分量。称为目标矩阵（复矩阵） 。 Pauli基下的目标矩阵：强调两个同极化分量的差别： 第一个分量决定于直接散射； 第二个分量决定于二次作用； 第三个分量决定于多次散射。,协方差矩阵,相关矩阵,4.4 被动微波极化测量,大气的极化特征

9、低频（L波段）：电离层的Faraday旋转效应； 高频：Faraday旋转可以忽略。 地面和近地目标的极化效应 海面的极化效应：风场； 降雨的极化效应：粒子尺寸与构成； 去极化（depolarization)效应目标分类与识别 植被：体散射的去极化效效应； 粗糙度的影响：粗糙度越大，去极化效应越显著。,4.5 雷达极化测量,雷达极化计 测量： 发射：水平和垂直极化； 接收：水平和垂直（幅度与相位）合成任意极化 应用：目标分类与识别 植被：体散射； 作物：不同的极化特性。,极化合成和响应曲线,极化合成：根据极化测量结果获得任意极化入射的响应。,4.6 极化特性,非极化功率 极化度和变化系数 极化

10、比 相关参数 极化分解,非极化功率（总功率）,非极化功率与极化坐标系无关； 非极化功率与目标的形状、取向无关，与入射角、介电常数、遮挡等有关。,极化度和变化系数,极化比,典型应用 植被覆盖：极化比增加（体散射增加）； 降雨量。,相关参数,极化熵（polarizaiton Entropy) 与极化坐标系无关的相关参数； 相关矩阵的特征分解。,极化分解,第五章：微波与物质的相互作用,固体的微波辐射 及其测量 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。,5.1固体的微波辐射及其测量,能

11、量与温度的对应关系,自然表面的热辐射 主要在远红外区； 延伸到亚毫米波和微波区域。 Planck定律的低频近似 Rayleigh-Jeans近似 条件ch/lkT 表达式，辐射率,表面辐射率（亮度）与辐射率的关系,Lambert面 B(q,f)与q无关 S(f)=pB(f) 表面亮度,黑体辐射,电阻负载的噪声功率（Nyquist，1928）,天线的辐射电阻Rr,灰体辐射与亮度温度,视在温度（Apparent Temperature）,天线温度（Antenna Radiometric Temperature）,天线辐射温度TA等于视在温度TAP在天线方向图Fn(q,f)加权积分的结果用天线方向图

12、立体角Wp归一化。 对于温度为T的黑体构成的封闭体内部，TAP=T。 对于离散点源（如太阳），天线在瞄准方向的波束宽度远大于辐射源展开的立体角，则天线温度满足,视场亮度温度与视在温度,首先将天线的接收输出与视在量温（apparent radiometric temperature distribution)联系起来； 其次将视在量温与地物量温（Scene radiometric temperature distribution)联系起来。 视在亮度,亮度温度TB（Brightness Temperature）： 特指地物辐射亮度温度； 视在温度TAP（Apparent Temperature）

13、： 指到达接收天线的辐射亮度温度。当大气无损耗时： TAP =TB,天线的主波束效率,主波束效率,视在量温的主波束贡献和旁瓣贡献,天线的辐射效率和天线温度,天线损耗引入的噪声温度有耗天线的天线温度,微波辐射计的信号检测,微波辐射计的理想测量量值为主波束内的量温贡献主波束效率是影响微波辐射计测量准确性和精度的一个重要指标。,微波辐射测量（Radiometric）模型,自然表面等效量温的简单模型,三个影响因素 天空温度 表面温度 表面发射率/反射率,微波辐射测量的影响因素,极化效应 观测角效应 大气效应 表面粗糙度效应,观测角效应,Brewster角（无反射角）,大气效应,表面粗糙度效应,表面粗糙

14、度影响反射率 反射率与发射率的关系,在表面遥感中的应用,视在量温的推导对于表面遥感，需要测量的主要物理量是表面发射率是表面成分（介电常数）和表面粗糙度的函数,对于地球表面，物理温度的变化范围通常小于60K，即相对变化量20%. 影响地物亮度温度的主要因素是： 物质组分（介电常数与电导率） 表面粗糙度,三种典型地物在Tg=300K, Ts=40K时的亮度温度,在海冰测绘中的应用,水和冰的发射率差别很大 水的介电常数为80 冰的介电常数为3 垂直入射和镜面反射的情况 水的反射率：0.64 冰的反射率：0.07 量温差别,在土壤湿度测量中的应用,土壤含水量的变化 介电常数和电导率 反射率和发射率 表面粗糙度影响 长波长 被动,测量的模糊性,