第五讲 微波传输模型在线视频

各位同学大家好

我是来自中国农业大学的李俐

今天由我带领大家一起来学习

微波传输特性

这是微波遥感图像应用的基础

这一部分我们主要讲两个方面

第一是微波与物质的相互作用

第二是典型地物它们的散射特性

首先我们说一下

微波与物质的相互作用

地球上的物质我们知道有千千万万

微波与它们之间的作用

我们如何来衡量呢

一般我们把这地球上的物质分成两类

我们主要关心的是

这两类和微波之间的相互作用

一类是位于地球上层的大气

另外一类是位于地球表面的地物

首先我们说一下微波与大气的作用

大气对微波的这种作用

主要体现在衰减作用上

也就是说微波在穿过大气的时候

大气中的水分子 氧气分子等等

都可能对微波造成吸收

另外大气颗粒也可能对微波造成散射

一般来说大气衰减作用的程度

和大气的成分和相应的物理性质

都有关系

我们前面讲微波特性的时候

也给大家提过

一般来说电磁波的频率越高

大气的衰减就越显著

下面我们就来说一下吸收和发射作用

一般单分子的吸收或者发射

对应的谱线是一些不连续的

这种谱线

多分子它的吸收和发射的谱线

就能形成一条连续的谱线

氧气分子它的吸收谱线

大家可以一起来看一下这个图

我们可以看出

氧气分子它的吸收谱线

是连续的这么一个曲线

中间出现了波峰

这个波峰一般位于波长

0.253厘米和0.50厘米处

这个波峰实际上是一个吸收峰

下面我们一起看一下

水汽的它的吸收谱线

水汽它的吸收谱线也会随着

电磁波的频率的增高而增强

我们可以看它的谱线的曲线

看一下这个图

是一个中间出现了突变

但是总体来说

逐渐升高的一条曲线

出现突变的位置是在23G赫兹的位置

我们说大气中的主要颗粒就是

由我们前面说的水分子 氧分子

甚至一些尘粒组成的一些颗粒

我们比较关心的可能有

像水滴 冰粒 尘埃等等

根据它们的这种大小的变化

产生的除了吸收之外

还有散射

散射机理是会有差异的

比如说微粒的直径要小于波长

要远远小于波长的时候

一般发生的是瑞利散射

如果这个颗粒它的直径和波长相当

这时候发生的就是米氏散射

如果这个颗粒进一步增大

远远大于波长

这时候就会发生无选择性散射

下面我们一起来看一下

我们比较关心的不同的水

对微波的这种散射作用情况

首先水的一种存在形式是云

假如说云粒子存在于空中

对微波的主要作用会是什么样

一般云粒子是不超过100um的一些颗粒

我们知道这个比我们前面讲的

微波尺寸是要小一些的

也就一般小1到2个数量级

这样的话

衰减系数K可以得到一条曲线

大家可以看一下这图上的曲线

我们可以看出衰减系数

和云里头的含水量

和温度 波长等等

都有关系

在温度 波长一定的情况下

衰减系数和云层里含水量

是呈线性关系的

另外一种水的存在形式就是雨

雨对微波的散射作用

又是什么样的呢

我们说其实

我们比较关心的大气层里头降水

它的主要粒子存在的形式有

雨滴 冰雪花和干 湿冰雹等等

这个直径一般都是大于100um的

可能和波长相当

就符合刚才我们说的

米氏散射的特性

总结起来雨对微波的吸收和散射

主要体现出以下的特性

首先当微波的频率小于

10.69G赫兹的时候

我们知道

实际上我们在卫星中常用的SAR

它的波段都是在这个波段以下的

也就是说它的频率都是要

小于10.69G赫兹的

这种情况下

水滴它的散射是逐渐小于吸收的

只有微波频率大于

10.69G赫兹的时候

散射作用才不能忽略

这意味着什么呢

这意味着我们用星载的SAR

来观测地面的时候

不用考虑大气层造成的

后向散射的影响

另外雨对微波吸收和散射

还有第二个特性

这第二个特性我们说

是如果这个雨它不是大雨或者是暴雨

雨滴的直径一般是小于2.5毫米的

而频率

我们所用的微波频率

假如说不大于19.35G赫兹

这时候雨滴的散射作用

将只有吸收作用的1/10

所以我们可以看出

吸收和散射它们之间的关系

不仅和频率的大小有关

还与这个物质颗粒的大小有关

而大气中

雨的影响和我们常用的频率相比

它的散射作用基本上是都可以忽略的

下面我们说第二个方面

就是微波和地物它们之间的作用

微波与地物的作用

我们根据前面讲

微波的一些传输的一些机理

我们知道它的这种作用

我们常见的

主要包括反射 吸收 透射等等

其中我们最常见的就是反射

这个反射它的反射程度

根据我们所在的反射平面的光滑程度

可以分为镜面反射和漫反射

而漫反射就是我们常说的散射

假如说这个表面是一个光滑的表面

当然它就会发生镜面反射

假如说这个表面是一个

比较粗糙的表面

它将发生我们说的这种常规的

这种散射现象

而对于比较粗糙的或者是

粗糙度比较高的这种表面

它会发生全向各向同性的这种散射

我们知道了这种常见的散射机理之后

我们一起来看一下

根据地面上的具体特性

雷达它的散射机制主要是什么样的

首先我们说假如说地面是相对光滑的

比如说冰面 水面等等

这时候就会发生我们说的镜面反射

当然这个前提条件是

入射角不能太小了

或者是太大了

在这种情况下

当然我们得到这个雷达后向散射系数

能量就很少

因此它是一个相对暗的区域

除了这之外

还有一个比较常见的这种表面

当然就是粗糙表面了

比如说我们在外面看到的路面上的

这些有植被覆盖

或者是有一些其它地物存在的这些地表

我们都可以认为它是粗糙的地表

这些粗糙的地表

它将发生的就是典型的这种散射

也就是这时候我们会从后向位置

收到一些散射波

也就是所谓的后向散射

信号比镜面反射要明显增强

因此在图像上就是

一些灰色甚至偏亮的区域

除此之外

由于物质的这种相对的位置关系

这些散射或者反射

可能转化为更复杂的一些关系

我们比较关心的一个就是二次散射

什么叫二次散射

假如说两个相对光滑的平面组成了

这种直角的关系

这时候照射过来的微波

它在一个面上反射

反射完了之后

到达了另外一个面上

另外一个面上又形成反射

以平行于原来入射波的方向被反射回去

这时候大家可以想象一下

我在发射机相同位置的接收机

它接收到的能量就很强了

换句话说

它的后向散射能量就比较强了

所以形成二次散射的这个地方

它的微波图像显示的

就是一个很亮的区域

比如说我们在城市中高楼大厦和地面

它们之间就经常能形成一个二面角

我们说这时候就可能会发生二次散射

还有一种应用

比如说在一些野外一些很高大的大树

和一些比较坚硬的地面

它们之间也是将近垂直的

也会发生这种二次散射

所以这个也是

我们比较关心的一种散射机理

除了这之外

还有一种

比如说我们有一些树或者有一些植物

它的上部叶片

朝着各个方向来分布

另外它的位置也不一样

因此微波照到它的表面之后

它可能发生反射之后

反射到内部的某一个其他叶片上

然后再经过其它叶片再反射

反射到另外一些叶片或者枝干上

因此就在植物内部

形成了多次散射的这种现象

这种的我们称之为体散射

这就是我们常见的几种雷达微波

和地物相互作用形成的散射机理

下面大家一起来看一下这个图

这个实际上是一个地面上的一些照片

这个地面上我们会看到它有水域

还有这个路

还有相应的植被

不同区域根据我们前面说的散射机理

大家可以想象一下

对于水面它将会发生镜面反射

因此我们得到的就是一个很暗的图像

而对于其他的比较粗糙的表面

发生的是一些散射

这个散射我们得到就是一些灰度图像

还有我们刚才说路面和树

它可能发生的是二次散射

这时候我们得到的就是

很亮的一些区域

其实我们从刚才的讲解中

大家都能够体会到

微波的散射和地面的粗糙度

是有很紧密的联系关系的

一般对于长波的雷达

我们可以认为很多地面

都是比较光滑的

因此它的后向散射是比较小的

对于同样的地表

假如说我们采用波长比较短的雷达

这时候这个地表就不能再认为

它是光滑的了

而是粗糙的地表

在雷达影像中就会由于

这种粗糙地表造成的这种后向散射

而出现比较亮的区域

而这种角反射的效应

也是雷达图像中比较常见的一种效应

所谓的角反射

顾名思义就是形成了

我们刚才说的直角

这个呢

是由于我们刚才说的二次散射造成的

一般是地物或者地物的组合

它满足了我们刚才说的

二次散射的条件

使得在雷达影像中

产生更亮的一些区域

大家一起来看一下这些图

这些图就给了我们地面上

可能发生角反射的常用的场景

比如说在一个水坝附近

一面是水面

另外一面是堤岸

垂直于水面的堤岸

或者是我们说城市中楼宇和路面

或者其他原因造成的这种直角

或者说是角的这种存在

在这个影像中

大家可以看一下这幅图

它典型的就是很亮的一个区域

既不是镜面反射造成的那种黑色区域

也不是普通粗糙平面散射造成的

这种灰的区域

而是很亮的区域

很亮的图像

对于微波它和地物的另外一个作用

我们需要讲的是穿透散射

我们前面讲微波本身的时候

我们提过微波

它根据极化方式和波长的不同

可能可以穿入植被

甚至是地表裸土

干雪或者沙地等等

一般情况下

波长越长

它穿透能力就越强

对于相同波长的情况下

交叉极化相比于同极化来说

它的渗透能力是要弱一些的

为了衡量这种穿透散射的能力

我们给出了一个透射深度的

这么一个概念

透射深度

它的具体的定义是

指当入射的电磁波

在有损耗的介质中传播的时候

传播距离假如说为d的时候

他的场强减小到

它在介质表面的时候的1/e

这时候这个d我们就称为透射深度

人们研究发现d和介质的衰减常数

和微波的频率

和介质的磁导率 电导率等等因素

都有关系

这里呢大家一起来看这幅图

那我们就发现L波段

在我们常用的星载SAR波段里头

因为它的波长相对来说较长

所以它能够穿透地表

可以清晰的看到沙漠下

它的一些地下河道等等信息

下面我们一起来看一下

典型的能够发生镜面反射的

比如说光滑的冰面

它的后向散射系数

是一种什么样变化规律

和积雪冰面相比

光滑的冰面它的后向散射系数

是要小一些的

而随着入射角它的变化

随着入射角的增大

冰面它的后向散射系数

是在不停地降低的

另外我们看一下雷达波

前面我们讲它可以穿透一些地表

那么刚才说的雪变成干雪之后

雷达波就可以穿透干雪了

我们知道实际上

我们对于积雪厚度的一个探测

是非常有意义的一种应用

比如说我们可以用于农业 水利

以及洪涝灾害的预测等等

也就是说我们根据雪山上雪的厚度

就可以预测出来等到春天

或者雪化的时候

他们对附近农业的一些影响

水利的影响

以及会不会造成灾害

洪涝灾害等等

另外一种可能会发生

这种反射比较强的这种镜面反射的

就是我们说的水面

我们这里主要说的是海面

因为水面本身相对来说比较简单

而海面它可能会有波涛等等的影响

它的散射是比较复杂的

散射和入射角和风速都有关系

我们知道其实风速主要可能造成的是

海面上的一些波浪

换句话说影响的是海面的粗糙度

一般来说

逆风向的波浪

我们在飞机照射的时候

或者卫星照射的时候

逆风向的这种观测

它得到的后向散射系数

要比其他方向的要大

另外对于海面上假如说有油污存在

油污覆盖区它就会降低

海面的粗糙度

因此它就会减弱雷达回波的这种强度

图像就会呈现比较暗的色调

因此我们对于同一块海面的

这种观察

就能够看出来这块是不是有污染

甚至我能够观察出来风向等等这些因素

大家一起来看这个图

这个图上给出了几种典型的光滑表面

它的散射特性

随着入射角的这种变化情况

我们可以看出光滑的水面

它的后向散射系数是最低的

除了这之外

我们说还有水泥的路面

还有柏油的路面等等

它们的后向散射系数相对来说

也都比较低

而混凝土路面和其他的表面散射相比

我们可以看出混凝土路面

它的后向散射系数要

高于沥青路面 高于草地

这是由于它相对来说是

可以认为是一种更光滑的表面

对于粗糙表面来说

后向散射是在不停地增大的

刚才我们给了一个草地

和光滑平面的对比

现在我们看一下这几种

典型的粗糙表面

大家可以看这个图

可以看出草地它的后向散射系数

实际上在我们常规用的入射角

比如说30到60度范围内

它是要高于波浪的或者说海浪的

后向散射系数

但是它有可能是低于

麦田的后向散射系数的

在农业中

人们为了看出几种典型农作物

它的散射特性也给出了相应的测量

我们可以看到这里给出了

典型的小麦 棉花 玉米 水稻

还有草地

它们对应的不同极化情况下

随着入射角的变化

后向散射系数的变化曲线

从这个图上我们可以看出

这个图再一次向我们展示了同极化

它的后向散射系数

明显是要高于交叉极化的

另外随着入射角的增大后向散射系数

是逐渐的减小的

这一节

咱们一起来看了一下微波的传输特性

希望大家能有一个印象

这节课就到这里

谢谢大家