雷達(dá)資料地物回波

1、地面和直升機(jī)載的散射儀和頻譜儀許多地面散射測(cè)量都采用安裝在吊車(chē)和直升機(jī)上的測(cè)量系統(tǒng)。它們中的絕大多數(shù)都是調(diào)頻-連續(xù)波系統(tǒng)6667，并采用大帶寬來(lái)獲取額外的獨(dú)立抽樣數(shù)據(jù)而非高分辨力。某些系統(tǒng)還采用非常大的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)好的距離分辨力，以精確定位散射源68。此外，它們中的大多數(shù)都具有多種極化能力，因?yàn)檎粯O化的兩個(gè)接收信號(hào)的相位是可測(cè)的，某些還有測(cè)定極化方式的能力。調(diào)頻-連續(xù)波散射儀的基本組成如圖12.20所示。掃頻振蕩器須產(chǎn)生線(xiàn)性?huà)哳l，用釔鐵石榴石（YIG）調(diào)諧振蕩器很容易實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性?huà)哳l，但若用變?nèi)荻O管調(diào)諧則需要線(xiàn)性化電路。如果采用雙天線(xiàn)（如圖12.20所示），則必須考慮波束重疊問(wèn)題69。人們有時(shí)也

2、采用具有環(huán)流器（隔離發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）的單天線(xiàn)系統(tǒng)。由于環(huán)流器內(nèi)部反射，以及發(fā)射機(jī)通過(guò)它時(shí)的泄漏，單天線(xiàn)系統(tǒng)的某些性能低于雙天線(xiàn)系統(tǒng)。 圖12.18 有限波束寬度對(duì)接近垂直入射 圖12.19 天線(xiàn)波束寬度對(duì)以入射角為的散射系數(shù)測(cè)量誤差的影響 函數(shù)的散射截面積的影響圖12.20 調(diào)頻-連續(xù)波散射儀射頻部分的基本框圖圖12.21和圖12.22示出調(diào)頻-連續(xù)波散射儀的兩種控制和數(shù)據(jù)處理方法。圖12.21為普通的距離跟蹤散射儀框圖。當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)間的距離改變時(shí)，如用固定雷達(dá)觀測(cè)海面或?qū)⒗走_(dá)放置在直升機(jī)上，該系統(tǒng)能用于測(cè)量地面的散射系數(shù)。若散射儀放置在吊車(chē)上則不需距離跟蹤儀。但由于距離隨著入射角的變化而變化

3、，因而這種方法也是很方便的。圖12.22示出一種能在一定空域內(nèi)測(cè)量散射系數(shù)的系統(tǒng)。通過(guò)分析回波的頻譜，使用者可獲得不同距離地面的散射系數(shù)。該系統(tǒng)已經(jīng)用于確定植被2527和雪地上的散射源。圖12.21 調(diào)頻-連續(xù)波距離跟蹤散射儀的基本框圖：控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖12.22 調(diào)頻-連續(xù)波距離識(shí)別散射儀的基本框圖：控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)超聲波在水中的傳播可用于模擬電磁波在空氣中的傳播7072。由于傳播速度不同，1 MHz音頻對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為1.5 mm。對(duì)很多仿真測(cè)量來(lái)說(shuō)，這個(gè)波長(zhǎng)很方便。而且，1 MHz頻率范圍內(nèi)的設(shè)備操作起來(lái)在很多方面比微波范圍內(nèi)的設(shè)備容易。顯而易見(jiàn)，這種設(shè)備比波長(zhǎng)為1.5 mm的微波設(shè)備

4、操作簡(jiǎn)單而且經(jīng)濟(jì)。音頻平面波和電磁平面波滿(mǎn)足相同的邊界條件。若散射表面不是平面以及當(dāng)入射角相當(dāng)傾斜時(shí)，聲波和電磁波之間的模擬則是無(wú)效的。由圖像測(cè)得的散射系數(shù)實(shí)際孔徑或合成孔徑雷達(dá)產(chǎn)生的雷達(dá)圖像可用于散射系數(shù)的測(cè)量。但令人遺憾的是，大多數(shù)的這些系統(tǒng)都是未校準(zhǔn)的，因而，它們的結(jié)果都或多或少包含不確定因素，甚至在不同時(shí)間采集的數(shù)據(jù)也可能不同。在某些系統(tǒng)中已引入了相對(duì)校準(zhǔn)1218207375。絕對(duì)校準(zhǔn)（在某些場(chǎng)合下可能是相對(duì)的）可通過(guò)使用強(qiáng)參考目標(biāo)（具有ARC轉(zhuǎn)發(fā)器則更好）來(lái)實(shí)現(xiàn)76。另一種方法則是，用地面或直升機(jī)載的已經(jīng)校準(zhǔn)過(guò)的系統(tǒng)測(cè)量各參考區(qū)域的散射系數(shù)，然后將雷達(dá)圖像與這些測(cè)量值進(jìn)行比較7377

5、。雙基地測(cè)量當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置時(shí)，地物回波的測(cè)量比較罕見(jiàn)。這些測(cè)量很難在飛機(jī)上進(jìn)行，這是由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線(xiàn)必須同時(shí)觀察同一地面，并且信號(hào)必須與已知的天線(xiàn)視角相關(guān)。此外，回波的極化方式難于確知，兩個(gè)天線(xiàn)波束共同照射區(qū)域的精確尺寸和形狀有時(shí)也難以確定?；谶@些原因，文獻(xiàn)中極少報(bào)道過(guò)從飛機(jī)上對(duì)地面所做的雙基地測(cè)量78。水道試驗(yàn)站（Waterway experiment station）24和俄亥俄州立大學(xué)24利用電磁波在實(shí)驗(yàn)室中做過(guò)雙基地測(cè)量，堪薩斯大學(xué)71利用聲波在實(shí)驗(yàn)室中也做過(guò)同樣的測(cè)量。貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室做過(guò)激光輻射雙基地測(cè)量79。堪薩斯大學(xué)還完成了建筑物C波段雙基地測(cè)量80。由于天線(xiàn)方向性

6、的問(wèn)題，絕大部分雙基地電磁測(cè)量都是前向散射的，也就是說(shuō)，接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、目標(biāo)都處在同一垂直平面內(nèi)。聲波測(cè)量和光學(xué)測(cè)量較容易在較寬的角度范圍內(nèi)進(jìn)行，并且人們已經(jīng)完成了固定的入射角的測(cè)量，其散射方向覆蓋整個(gè)半球。由于發(fā)射機(jī)功率和接收機(jī)靈敏度都必須采用絕對(duì)基準(zhǔn)，所以在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行雙基地測(cè)量時(shí)，需要增加復(fù)雜的校準(zhǔn)。然而，在實(shí)驗(yàn)室中則可利用和單基地測(cè)量類(lèi)似的方法。12.6 散射系數(shù)的通用模型（雜波模型）20世紀(jì)70年代，人們基于散射測(cè)量提出一些關(guān)于大面積反射地面的平均后向散射模型。特別是，它們包括美國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室輻射計(jì)-散射儀（RADSCAT）83的測(cè)量和堪薩斯大學(xué)車(chē)載微波有源頻譜儀（MAS）81的測(cè)量。

7、在相同數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，人們提出了兩個(gè)不同的模型，一個(gè)是線(xiàn)性模型，另一個(gè)則是用更加復(fù)雜方程描述的模型。在此僅給出線(xiàn)性模型。這些模型都是用于計(jì)算平均散射系數(shù)的，而且模型不包含系數(shù)在平均值周?chē)淖兓?。但是，通過(guò)分析航天飛機(jī)成像雷達(dá)B（SIRB）的數(shù)據(jù)，人們可估算不同大小照射面積所對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)的變化。人們掌握不同入射角上雷達(dá)后向散射的一般特性已經(jīng)有幾十年了，如圖12.23所示。對(duì)于類(lèi)極化波（Like-polarized waves）而言，散射可分為三種角度區(qū)域：接近垂直區(qū)（準(zhǔn)鏡面反射區(qū)）；1580的中間角度區(qū)（平穩(wěn)區(qū)）；接近擦地入射區(qū)（陰影區(qū)）。交叉極化散射沒(méi)有獨(dú)立的準(zhǔn)鏡面反射區(qū)和平穩(wěn)區(qū)，它的平穩(wěn)區(qū)延

8、伸到垂直區(qū)，并且由于散射系數(shù)太小以至于無(wú)法確定是否存在陰影區(qū)。圖12.23 散射系數(shù)隨入射角變化的一般特性（引自參考資料21）幾乎每一種地形的測(cè)量數(shù)據(jù)都十分符合下面的形式： （12.23a）或 （12.23b）式中，值A(chǔ)i和qi在接近垂直區(qū)和中間區(qū)是不同的。圖12.24示出這種變化的一個(gè)實(shí)例。任何理論都不能得出這個(gè)結(jié)論，但幾乎所有的測(cè)量數(shù)據(jù)都十分符合這個(gè)模型，并且在相關(guān)區(qū)域內(nèi)該模型逼近大多數(shù)的理論曲線(xiàn)。這個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)論表明，盡管許多遙感應(yīng)用需要采用更復(fù)雜的模型，但是簡(jiǎn)單的雜波模型仍應(yīng)得到發(fā)展和采用。圖12.24 頻率為13.8 GHz的微波有源散射儀所測(cè)得的耕地?cái)?shù)據(jù)平均值的回歸（1974年和19

9、75年）（引自參考資料82）線(xiàn)性模型82的基礎(chǔ)綜合了空間實(shí)驗(yàn)室（Skylab）在北美的實(shí)驗(yàn)結(jié)果83和堪薩斯大學(xué)利用微波有源頻譜儀（MAS）在三個(gè)季節(jié)內(nèi)對(duì)耕地的測(cè)量結(jié)果84。空間實(shí)驗(yàn)室13.9 GHz的輻射計(jì)-散射儀（RADSCAT）在地面上的有效照射區(qū)由垂直方向的10 km圓到入射角為50的20 km30 km的橢圓。而1.1 GHz微波有源頻譜儀在50時(shí)，有效照射區(qū)為5.5 m8.5 m，17 GHz則是1.4 m2.1 m，且成百萬(wàn)計(jì)的測(cè)量結(jié)果取平均后應(yīng)用于該模型。因?yàn)榭臻g實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)僅是在一種頻率下獲得的，并且在該頻率下兩實(shí)驗(yàn)的結(jié)果本質(zhì)上是相同的，因而，模型所呈現(xiàn)的頻率響應(yīng)完全取決于微波

10、有源頻譜儀的測(cè)量數(shù)據(jù)?？臻g實(shí)驗(yàn)室的夏季觀測(cè)包括沙漠、草地、耕地和森林，而堪薩斯大學(xué)的測(cè)量?jī)H為耕地的測(cè)量。但是，栽種季節(jié)的初期和后期耕地完全是裸露的，它和夏季的沙漠相似，除了水分含量不同外。在農(nóng)作物生長(zhǎng)的鼎盛時(shí)期，耕地茂盛足以使其散射系數(shù)與森林的散射系數(shù)相似。總之，總的模型似乎代表了夏季北美地面的平均散射系數(shù)。該模型的形式為 （12.24a）式中，A,B,C,D對(duì)不同極化方式和頻率高于和低于6 GHz時(shí)取不同值。低于6 GHz的頻率響應(yīng)比高于6 GHz時(shí)陡峭得多。此外，當(dāng)頻率高于6 GHz時(shí)，它的頻率響應(yīng)與入射角無(wú)關(guān)，因而D0。而在更低的頻率時(shí)，頻率響應(yīng)是與角度相關(guān)的。當(dāng)角度小于20時(shí)，只有兩點(diǎn)

11、是可用的，即0和10，所以在這些點(diǎn)進(jìn)行頻率回歸。這些角度的模型為 （12.24b）由于低于6 GHz的頻率響應(yīng)在1975年和1976年不一致，因而，在這兩年模型具有不同的常數(shù)值。堪薩斯在1976年非常干燥，因此，1975年的值更具有代表性，在此給出兩年的參數(shù)值見(jiàn)表12.2。圖12.25表明，中等入射角的雜波模型是頻率的函數(shù)。由于垂直極化和水平極化的結(jié)果相似，因而，在此只給出垂直極化的圖形。表12.2 線(xiàn)性散射模型的常量（夏季*）方程式極化方式角度范圍（）頻率范圍（GHz）常量A或M（ dB）角度斜率B或N（ dB）頻率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）12.24a12.24

12、bVVVHHHV,HV,HV,HV,HV,HV,H20602050207020602050207000010101016（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）61716（1975）16（1976）617-14.3-4.0-9.5-15.0-1.4-9.17.66.40.9-9.1-3.6-6.5-0.16-0.35-0.13-0.21-0.36-0.121.12-0.600.321.24-1.030.25-1.03-0.730.100.51-0.410.070.00510.0360.0150.040*引自Moore,Soofi和

13、Purduski 82。表12.3 大雪覆蓋地面測(cè)量值的回歸結(jié)果*時(shí) 間極 化 方 式頻率范圍（GHz）常數(shù)A（ dB）角度斜率B（ dB/）頻率斜率C（ dB/GHz）斜率修正D（ dB/（GHz）白天夜晚VVHHVVHH181317181317181317181317-10.00.02-11.9-6.6-10.0-10.9-10.5-16.9-0.29-0.37-0.25-0.31-0.33-0.13-0.30-0.0240.052-0.500.550.0011-0.320.700.201.0360.0220.0210.0120.0130.0330.000500.027-0.0069*引自

14、Moore,Soofi,Purduski82。 注：q2070。表中的系數(shù)值亦考慮了模型。圖12.25 通用的地面散射雜波模型（垂直極化）水平極化與此非常相似。（引自Moore,Soofi,Purduski82）Ulaby根據(jù)堪薩斯植被散射數(shù)據(jù)提出一種不同的、更復(fù)雜的模型85。該模型認(rèn)為，測(cè)量數(shù)據(jù)符合曲線(xiàn)而不是直線(xiàn)。對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用而言，直線(xiàn)模型已經(jīng)足夠，而且也更容易使用。大雪覆蓋草地的直線(xiàn)模型與植被的直線(xiàn)模型相似，它依賴(lài)非常有限的數(shù)據(jù)8687。這些數(shù)據(jù)僅僅是美國(guó)科羅拉多州一個(gè)季節(jié)地面散射的數(shù)據(jù)，而且是當(dāng)雪的厚度達(dá)50 cm的數(shù)據(jù)。這也意味著，當(dāng)頻率低于6 GHz時(shí)，電磁波可能穿透雪層到地面。不

15、過(guò)，該模型仍顯示出在這種重要狀態(tài)下人們所預(yù)測(cè)的結(jié)果。表12.3給出式（12.24b）所使用的結(jié)論性常數(shù)。雪地散射幾乎完全取決于雪地表層自由水的含量，因而白天潮濕雪地的散射非常弱（雪在太陽(yáng)光照射下會(huì)逐漸溶化），而夜晚干燥雪地的散射則較強(qiáng)。因此，通過(guò)比較圖12.26所示的測(cè)量數(shù)據(jù)，白天和夜晚須使用不同的模型。在35 GHz頻率時(shí)，白天和夜晚雪地散射之間的差距是肯定的，但是由于缺乏1735 GHz間的散射數(shù)據(jù)，因而模型不包括35 GHz。圖12.26 雪地垂直極化雜波模型的回歸曲線(xiàn)：（a）白天；（b）夜晚注意它們的區(qū)別。水平極化時(shí)與此相似。（引自Moore,Soofi和Purduski82）盡管森林

16、尚沒(méi)有特定的雜波模型，空間實(shí)驗(yàn)室輻射計(jì)-散射儀和海洋探測(cè)衛(wèi)星散射儀的結(jié)果表明，亞馬遜雨林散射幾乎與入射角度無(wú)關(guān)，即使在接近垂直入射時(shí)也如此88。13.9 GHz雷達(dá)在33入射角時(shí)所測(cè)得地面散射的平均值為-5.9 0.2 dB。航天成像雷達(dá)（SIRB）的觀測(cè)表明，1.25 GHz頻率也出現(xiàn)這種散射截面積s0的角度無(wú)關(guān)性，但是由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，限制了人們對(duì)該頻率下地面散射的了解。上述的模型都是基于一個(gè)非常大的觀測(cè)區(qū)域上的平均。在這種情況下，一地與另一地的變化比較小，特別是在中等入射角度時(shí)尤其如此。圖12.27是天空實(shí)驗(yàn)室輻射計(jì)-散射儀在北美測(cè)量到的最大、最小和平均的地面散射截面積s0 (dB)。

17、在垂直方向附近散射截面積變化較大，這顯然是由水面的鏡面反射效應(yīng)引起的。當(dāng)波束有效照射區(qū)面積較小時(shí)，s0的變化更大。通過(guò)分析航天成像雷達(dá)（SIRB）用平均的波束照射面積觀測(cè)地面散射的變化可得出圖12.28的曲線(xiàn)。對(duì)于小的波束照射面積，地面的散射變化范圍大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須考慮這一點(diǎn)。圖12.27 空間實(shí)驗(yàn)室（Skylab）散射儀在北美觀測(cè)到的夏季最大、最小和平均的地面散射截面積s 0(dB)（引自Moore等人，堪薩斯大學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)室技術(shù)報(bào)告243-12,1975）12.7 散射系數(shù)數(shù)據(jù)早在1972年之前，人們就已在很多計(jì)劃中著手收集雷達(dá)散射系數(shù)方面的數(shù)據(jù)，而實(shí)際地面散射的數(shù)據(jù)非常少見(jiàn)。但是，197

18、2年之后的幾個(gè)重要計(jì)劃使之發(fā)生了改變，人們現(xiàn)在可利用許多地面散射數(shù)據(jù)。事實(shí)上，它的信息量是如此之大，以至于不可能在一本文獻(xiàn)中將它概括總結(jié)。因此，這一節(jié)僅給出它們的重點(diǎn)和主要的計(jì)劃。讀者可參閱參考資料21,23和114的結(jié)果和目錄。許多早期的散射系數(shù)測(cè)量方案都具有參考價(jià)值，它們包括海軍研究實(shí)驗(yàn)室1516、Goodyear航空公司12、Sandia公司（接近垂直入射的數(shù)據(jù)）8990和俄亥俄州立大學(xué)24的測(cè)量計(jì)劃。自1972年以后，最大的一個(gè)計(jì)劃在堪薩斯大學(xué)672153576991。此外在法國(guó)9、荷蘭8、加拿大遙感中心17和瑞士伯爾尼大學(xué)（雪地）92也有廣泛的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。它們的許多結(jié)論出版在國(guó)際地球科學(xué)和遙感論文集摘要（IGARSS）、IEEE地球科學(xué)和遙感協(xié)會(huì)，以及諸如IEEE地球科學(xué)和遙感學(xué)報(bào)及海洋工程匯刊、國(guó)際遙感、環(huán)境遙感、攝影測(cè)量工程和遙感等雜志中。圖12.28