1、微波遥感理论与技术基础 （第二周）,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,提纲,第二章：电磁波及其与物质的相互作用（2-4） 电磁波的基本参数与性质 电磁波与物质相互作用简介 电磁波波谱及其与物质相互作用的特点 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,一、电磁波的基本参数与性质,The 1st requirement for remote sensing is to have an energy source to illuminate the target (unless the sensed energ
2、y is being emitted by the target). This energy is in the form of electromagnetic radiation.,Electromagnetic radiation: consists of electrical field(E) : varies in magnitude in a direction perpendicular to the direction in which the radiation is traveling； magnetic field (M): oriented at right angles
3、 to the electrical field. Both E & M fields travel at the speed of light (c).,Transient and Harmonic EM Waves,Form of time varying Transient-time domain description Waveform Time domain function Harmonic-frequency domain description Harmonic functions Sine or cosine representation,The characteristic
4、s of EM waves:,Frequency/wavelength Phase/time Amplitude Polarization Coherence,Frquency/wavelength,Frequency is the most intrinsical characteristics of EM waves!,Phase/time,Amplitude,Amplitude Represents the energy carried by the EM waves;,Orientation of E With respect to ground plane.,Polarization
5、,Polarization forms: Varying of polarization with time. Arbitrary polarized EM waves can be presented as the linear combination of two perpendicular polarization components. These two have different phase and amplitude relationships.Linear polarization H and V (polarization does not change with time
6、) Circular polarization Right hand Left hand Elliptical polarization,Representations of polarization Stokes vector Poincare Sphere Partial Polarized and Full Polarized Completely Unpolarized: Q=U=V=0; Completely Polarized:Paritally Polarized,Coherence,Coherence describes correlation of two different
7、 EM signals.,二、电磁波与物质的相互作用简介,电磁波谱 电磁波谱与物质运动的关系,Electromagnetic Spectrum,Radio waves Microwaves Infrared Visible light Ultraviolet X rays Gamma rays.,电磁辐射的量子性质,电磁波频率与光子辐射能量 Plank公式,电磁波与物质的相互作用,电磁波与物质（例如分子和原子结构）的相互作用有众多的机制 决定于电磁波的频率（即光子能量）和物质的能级结构； 电磁波与物质的相互作用从本质是电磁波与物质之间的能量交换引起物质的电子、分子等的运动状态变化。 原子和分子
8、的能级：运动的状态。 电子能级：原子能级与电子轨道和自旋有关； 分子能级：转动和振动分子内部原子之间的相对运动； 气体分子转动影响能级分布。 固体晶体结构影响能级分布。,激发态与温度,热平衡状态下，某一能级布居数的密度Ni正比于Boltzmann常数。 T=0所有原子处于基态。 热平衡要求在较高能级上的布居数低于较低能级。 常温下几乎所有原子kT远小于第一激发态能量； T=300K，kT=0.025eV 不会发生原子激发能力 常温下对应的能量高于振动或转动能级，从而引起分子的振动或转动能量的变化。,三、电磁波波谱及其与物质相互作用的特点,伽玛射线和X射线 紫外区 可见光与近红外 中红外 热红外
9、 亚毫米波 毫米波与微波 无线电波,伽玛射线和X射线,光子能量 40eV 原子间和电子间力的作用 光电效应（吸收光子发射电子） Compton效应（吸收光子，发射电子及低能光子） 电子偶产生效应（吸收管子，产生电子质子对） 应用：探测放射性物质。,紫外区,光子能量：3eV40eV 电子激发和迁移机制，对应谱带。 应用：地球和行星高层大气成分遥感。,可见光和近红外,0.2eV3eV 振动和电子能级跃迁 气体：谱线（因气体压力和温度增宽） 固体：晶体结构原子紧密排列导致能量传递多样化，产生宽广的作用谱带. 典型光谱其应用 褐铁石：可见光反射率在靠近紫外处陡然降落及与三价铁离子电子跃迁相联系的0.8
10、4mm0.92mm吸收带。 叶绿素：反射率在0.75mm附近的急剧变化（植被遥感） 热液蚀变区：2.1mm2.8mm含羟基物质弯曲/伸展的极品和谐波振动（识别多粘土区域）,中红外,8mm14mm 硅酸盐：氧化硅基频曲张振动； 大气气体分子振动激发；,热红外,Plank定律决定的热辐射 地球和行星表面及大气的发射：决定于温度 物质成分：振动带。,亚毫米波段,大气成分：分子转动。 对于表面观测：跨越整个亚毫米波段。大气不透明。,微波波段与射频波段（RF）,电磁波与物质的相互作用不决定于特定成分的能带，而是多种机制的合作效应：物理特性和电性质。 电导和非共振电磁多极矩作用。 介电常数，折射指数。 几
11、何形状：界面及两种介质的介电特性。,电磁波与物质的相互作用及遥感应用,四、物体的微波散射特性（面散射与体散射）,散射和雷达散射截面 面目标的雷达散射系数 体目标的雷达散射系数,散射和雷达散射截面,散射 物体对电磁波的散射主要是由电磁波在传播过程中遇到不同电磁特性（主要是介电特性）的媒质界面引起的。 对于通常的遥感观测，电磁波是从空气或真空（对于微波波段的大多数情况，这两种情形的介电特性没有明显区别）入射到地、海面上，对应的媒质界面一面是空气或真空，另一面则是复介电常数为的电介质。,对于非均匀（包括横向和纵向）的电介质，可以用一个等效的复介电常数来表示等效在界面上的整体效应。电磁波与电介质的分子
12、、原子相互作用，使分子、原子形成电磁极矩，向空间所有方向辐射电磁波，从而形成电磁散射。 由于单个分子、原子的电磁极矩的辐射是方向性很弱，散射波的能量分布也是在各个方向分布的，既有向上半空间，也有向下半空间的散射； 只有当界面相对于所作用的电磁波具有规则的分布时，这种散射波才会由于干涉作用形成一定的方向图，这个过程与天线辐射方向图的形成机理是相同的,电磁波干涉: 只有当参与干涉的各个波分量的相位变化在范围内按照一定规律组合时才能形成明显的干涉方向图。 如果各个分量的相位差别很大，形成干涉方向图则要求各个分量之间相位关系具有很高的精度，这就是理想镜面的情况。 由于干涉方向图的形成与波分量之间的相位
13、关系有关，媒质界面上分子或原子电磁极矩的位置分布造成的相位差是决定散射和透射的方向图的主要因素。,电磁波干涉与方向图,位置分布造成的相位差是与波长有关的，所以界面上散射与透射功率分布的方向图是由用波长度量的界面的几何形状决定的： 当界面相对波长是光滑平面时，散射和透射功率分布的大小和方向由平面界面的Fresnel定理决定； 当界面相对波长是随机的深粗糙面时，各个辐射单元之间的相位关系是非相干的，散射和透射功率分布在各个方向上没有明显的差别，这就是Lambertian表面漫散射的情形； 当表面为浅粗糙时，散射功率向其它方向扩散，表现为镜面散射和满散射的和。,随机粗糙面统计特性的基本参量,表面高程
14、分布的均方根高度H 表面相关长度L 均方根高度表示了该表面相对平均表面的离差，相关长度则表示表面上两点的统计相关性，在数学上，当两点的距离超过相关长度时，统计相关函数小于1/e。 均方根高度相对于波长的大小可以作为表面光滑程度的判据。Rayleigh判据是最常用一种表面粗糙度判据，Rayleigh判据指出，当表面均方根高度对应的双程相位差小于p/2时，表面被认为是光滑的。,Rayleigh判据只是一个一阶的粗糙表面的分类判据，表面粗糙度的最终判据是根据表面对平面波的反射和透射是否满足Fresnel定理来判决的。 在微波波段，更常用的判据是Fraunhofer判据。该判据要求表面均方根高度对应的
15、双程相位差小于p/8，对应的均方根高度满足理论分析和实验测试表明，满足Fraunhofer判据的表面的散射特性与光滑平面的结果误差很小。,粗糙面的判据,由于微波波长与大多数的自然目标的几何尺度在同一量级上，所以散射功率的方向性与目标表面特性有很大的相关性。 决定粗糙面散射特性的因素包括: 目标的介电特性 表面粗糙特性 入射电磁波的特性（包括频率、极化和入射角）。,目标的微波散射特性可以用两种参量表示 当界面为光滑表面时，用反射系数表示目标反射电磁波的能力 当界面为完全粗糙表面时，用雷达散射系数表示目标散射电磁波的能力 当目标为浅粗糙表面时，相干反射和非相干漫散射的贡献都必须考虑。 对于自然目标
16、的微波遥感，通常需要通过频率和入射角的选择，使相干分量减小到可以忽略，从而雷达散射系数是雷达遥感的主要测量参数。,散射特性与雷达遥感,雷达散射截面,为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。 用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的散射能量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。 目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体辐射的总功率与入射功率密度的比值。,雷达散射截面（RCS）的定义,面目标的雷达散射系数,对于面积扩展目标，通常定义归一化雷达散射截面或雷达散射系数作为目标散射特性的参量。 如果具有雷达散射截面s的扩展面的面积为A，则雷达散射系数定义为单位面积的雷达散射截面。 雷达散射系数的定义已经蕴涵了对雷达散射截面进行统计平均的意义，所以将其表示为,体目标的雷达散射系数,对于体扩展目标，归一化雷达散射截面或雷达散射系数作为目标散射特性的参量。 如果具有雷达散射截面s的体积为V，则雷达散射系数定义为单位体积的雷达散射截面。 雷达散射系数的定义已经蕴涵了对雷达散射截面进行体积内统计平均的意义，所以将其表示为,
