微波遥感的应用

微波遥感概述

[摘 要]微波遥感由于其具有全天候全天时和穿透能力的优势已被广泛

应用，能穿过云层，还可能探测地下结构，随着空间分辨率的不断提高，高

分辨率合成孔径雷达(SAR)与多通道辐射计成像技术的发展，以及多源、多极

化、多通道、多视角、多用途、主动与被动、多系列、连续多年的空间遥感

计划的进行，已使微波遥感成为空间遥感发展最前沿的技术。本文主要概述

了微波遥感的原理及工作方式，介绍了雷达遥感理论，着重讲述了雷达方程、

雷达系统后向散射系数、雷达系统参数，从而增强对微波遥感及其应用的认

识和理解。

[关键字]微波遥感，雷达，应用，特点

Summary of microwave remote sensing

Abstract：Microwave remote sensing because of the advantage of penetration

and all day’s has been widely used, it can go through the clouds, can also detect underground structure, with the continuous improvement of spatial resolution, high

resolution synthetic aperture radar (SAR) and the development of multi-channel

radiometer imaging technology, as well as the source, multi-polarization,

multi-channel, perspective, multi-purpose, active and passive, more series,

continuous space remote sensing plan for many years, it has made microwave

remote sensing at the cutting edge in the development of space remote sensing technology. This paper summarizes the principles of microwave remote sensing , introduces the theory of radar remote sensing, focuses on the radar equation, radar system backward scattering coefficient, radar system parameters, so as to enhance

understanding and the understanding of microwave remote sensing and its

application.

Keywords: Microwave remote sensing, radar, application, characteristics

1 微波遥感原理概述 在电磁波谱中，波长在1mm-1m范围内的电磁波称微波。微波遥感是电磁波传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，是利用某种传感器接受地理

各种地物发射或者反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取地物所需的

信息。

微波遥感按工作方式可分为主动微波遥感和被动微波遥感两种。主动微

波遥感与被动微波遥感的区别在于系统自身是否发射微波波束。被动微波遥

感自身不发射只接收而主动微波遥感则是自身发射并接收信号。雷达属于主

动式微波遥感。

微波遥感的基本原理是目标地物被发射的已知的微波信号照射之后，目

标地物会感应出电荷的变化而被再次辐射，产生散射回波。目标地物的性质

不同使得对不同微波信号的调制作用也不同。在这种情形下，散射回波和入

射信号也相应具有不同的性质。散射回波和入射信号的性质因目标地物对微

波信号的调制作用而不同。这种调制作用取决于它自身的物理结构，且因地

物的不同而不同。雷达系统发射和接收电磁波，在电磁波与地表相互作用的

过程中，电磁波信息被量化，借此分析电磁波信息的变化情况，再结合实际

地表的特性， 即可反演出地表参数。 2 电磁波谱与电磁波的传播

在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见

光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很

大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的

波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电

磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁

波排列起来，这就是电磁波谱，如图2.1所示。

图2.1 电磁波谱

不同的电磁波产生的机理和产生方式不同。无线电波是可以人工制造的，

是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的。红外线、可见光、紫外线；伦琴射线；γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生

的。 在电磁波谱中各种电磁波由于频率或波长不同而表现出不同的特性，如

波长较长的无线电波很容易表现出干涉、衍射等现象，但对波长越来越短的

可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线要观察到它们的干涉衍射现象就越来越

困难。但是从电磁波谱中看到各种电磁波的范围已经衔接起来，并且发生了

交错，因此它们本质上相同，服从共同的规律。

3 雷达方程与雷达后向散射系数

雷达的最基本任务是探测目标并测量其坐标，因此，作用距离是雷达的

重要性能指标之一，它决定了雷达能在多大的距离上发现目标。作用距离的

大小取决于雷达本身的性能，其中有发射机、接收系统、天线等分机的参数，

同时又和目标的性质及环境因素有关。 雷达遥感的基本过程大致如下：由发射机通过天线在很短的时间内，向

目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，随后再利用该天线接收反射信

号进而将其显示出来。不同物体，回波信号的振幅、相位不同，故接收处理

后，可测出目标地物的方向、距离等数据。

3.1 雷达方程

在遥感中，用来表达雷达系统参数、目标和信号之间相关性的方程被称为雷达方程。雷达波束为球面波，其反射的回波信号也是球面波，只不过二

者的中心不一样。前者是以天线为中心，后者是以地物为中心，如图3.1表

示了雷达系统、探测目标、接收信号三者的关系。

图3.1 雷达工作发射接收示意图

雷达方程定义如式（3-1）

PtGrGtλ20Pr=σA344πR (3-1)

式中，A为雷达波束照射到地物的面积，λ为入射波长，σ为地物单位

面积的平均散射系数，R为雷达天线距离目标中心的距离，Gr为接收天线的

增益，0Gt为发射天线的增益，Gr与Gt在数值上相等。

3.2 雷达后向散射系数

假设发射天线和接收天线均对准目标，则目标截获功率与入射功率成正

比，即式（3-2）

t=σSt （3-2） P

式中Pt 为雷达的入射功率 ，St为入射功率密度，σ为目标接收雷达信号的等效面积，称为雷达截面。

实际上雷达接收天线在给定方向上观察到的散射单元的散射截面等效于

各向同性的理想散射体在该方向上的散射功率密度与散射单元相同时的散射

截面，从数学上讲，雷达散射截面等于各向同性散射体总的散射功率与散射单元接收到的入射功率密度之比，这就是雷达散射截面的物理意义。 与散射截面的物理意义类似，特定方向上面目标的散射系数可定义为：给定方向上的散射系数，等于该方向上的散射功率密度与各向同性的理想散

射单元在接收天线处散射功率密度之比。

雷达的后向散射系数被定义为：入射方向上的单位照面上的雷达散射截

面，一般用σ表示。σ的大小与被照射地物目标的几何、物理特性有关，

其中物理特性主要是目标介电常数：目标介电常数越大，σ越大，几何特性

主要是地表粗糙度：当表面越粗糙或入射角非常小时，σ越大。为了扩大散

00000射系数的动态范围σ通常以分贝表示，表达式如式（3-3）：

2-2σ（dB）=10logσ(mm) 10 （3-3） 00

4 雷达系数参数 雷达后向散射系数主要受雷达系统参数及地表参数的影响，其中雷达系

统参数包括：入射频率或波长、极化方式、雷达入射角等。

4.1 波长或频率 波长或频率不同，地物的介电常数也不一样，进而导致电磁波对地物的

反射能力和穿透力存在一定的差异。

4.2 雷达极化方式

极化就是指雷达天线发射或者接收的电磁波电场的方向，通常我们所说

的是不随时间改变的线极化。线极化有两种，一种是水平极化，其是电场方向垂直雷达波入射面方向，一种是垂直极化，其是电场方向与雷达波入射面平行。

雷达的极化方式包括以下几种情况：VV极化、VH极化、HV极化、HH极化，四种极化方式的前一个字母表示发射天线的极化方式，后一个字母表示接收天线的极化方式。一般情况下，

VV极化和HH极化成为雷达的同极化方式，而VH极化和HV极化称为交叉极化方式。如图

4-1所示：

图4-1 雷达极化方式

4.3角度参数

图4-2 雷达系统成像角度参数

入射角指雷达入射波与当地水准面垂线间的夹角，是雷达后向散射系数之一。上图分别给出了雷达入射角与雷达本地入射角的区别。雷达本地入射角指雷达入射波束与地球表面法线方向间的夹角，这个角度描述了入射波同实际地面自然形成的一个夹角。本地入射角的改变也会影响雷达的后向散射。 5 微波遥感的特点

5.1 微波遥感的优越性 微波波长范围为1mm~1000mm之间，比可见光和红外波长要长，微波遥感就是利用某种传感器接受地面各种地物发射或反射的微波信号，藉以分析和分别地物，提取所需信息。微波主要有以下优越性：1）能穿云透雾、雨雪，具有全天候工作能力，白天晚上都能成图。2）具有一定穿透能力，波长越长，穿透能力越强。比如能穿透森林获取森林下面的地形；穿透土壤，获取土壤下面的古遗迹等等。3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所提供的某些信息。4）主动雷达遥感不进可以记录电磁波振幅信息，还可以记录相位信息。

5.2 微波遥感的应用

1、海洋应用研究，随着资源与环境问题日益尖锐，海洋资源探测、海洋环境监测和海洋要素调查等需求日益迫切。2、冰雪研究，研究和探测冰雪分布、生成、消融及演变十分重要，它关系到海洋洋流分析、水源水害分析、大气环流分析和气候演变分析，对人类生存环境和农业生态、经济发展关系极大。3、大气研究，灾害性天气预测、大气含水量测量、大气温度探测和大气成分探测是大气科学研究的主要工作，微波辐射计可以在这方面发挥重要的作用。4、农业应用，微波遥感在农业方面的应用主要涉及对农作物的识别、农作物生长状况的估计及土壤湿度的分析等。5、灾害监测，由于微波遥感具有全天时、全天候的特点，因此可以在对突发性灾害的实时监测方面发挥重要的作用。6、月球探测等。

参考文献

[1]张玲，蒋金豹，崔希民，蔡庆空.利用ANFIS方法反演裸土区土壤水分含量.国土资源

遥感，2013

[2]蔡庆空，张玲，张传伟，蒋金豹.ALOS-PRISM立体像对提取北京市昌平城区DEM及精

度评价，中央高校基本科研业务费项目研究成果论文集，2012

[3]余凡，赵英时.ASAR和TM数据协同反演植被覆盖地表土壤水分的新方法[习.中国科

学：地球科学,

2001, 41(4), 532〜540.

[4]张友静，王军战，鲍艳松.多源遥感数据反演土壤水分方法[J].水科学进展,2010, 21(2),

222〜228.

[5]赵英时,等.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社,2003: 136〜154.

[6]F.T.乌拉比，R.K.穆尔，冯健超.微波遥感(第二卷：雷达遥感和面目标的散射、辐射理

论)[M].北京:科学出版社，1987.

[7]F. T.乌拉比，R. K.穆尔，冯健超著.微波遥感(第一卷:微波遥感基础和辐射测量学)[M].

北京：科学出版社，1988.

[8]梅安新，彭望碌，秦其明，等.遥感导论[M].北京：高等教育出版社,2011.

[9]舒宁,等.微波遥感原理[M].武汉：武汉大学出版社,2003.

微波遥感概述

[摘 要]微波遥感由于其具有全天候全天时和穿透能力的优势已被广泛

应用，能穿过云层，还可能探测地下结构，随着空间分辨率的不断提高，高

分辨率合成孔径雷达(SAR)与多通道辐射计成像技术的发展，以及多源、多极

化、多通道、多视角、多用途、主动与被动、多系列、连续多年的空间遥感

计划的进行，已使微波遥感成为空间遥感发展最前沿的技术。本文主要概述

了微波遥感的原理及工作方式，介绍了雷达遥感理论，着重讲述了雷达方程、

雷达系统后向散射系数、雷达系统参数，从而增强对微波遥感及其应用的认

识和理解。

[关键字]微波遥感，雷达，应用，特点

Summary of microwave remote sensing

Abstract：Microwave remote sensing because of the advantage of penetration

and all day’s has been widely used, it can go through the clouds, can also detect underground structure, with the continuous improvement of spatial resolution, high

resolution synthetic aperture radar (SAR) and the development of multi-channel

radiometer imaging technology, as well as the source, multi-polarization,

multi-channel, perspective, multi-purpose, active and passive, more series,

continuous space remote sensing plan for many years, it has made microwave

remote sensing at the cutting edge in the development of space remote sensing technology. This paper summarizes the principles of microwave remote sensing , introduces the theory of radar remote sensing, focuses on the radar equation, radar system backward scattering coefficient, radar system parameters, so as to enhance

understanding and the understanding of microwave remote sensing and its

application.

Keywords: Microwave remote sensing, radar, application, characteristics

1 微波遥感原理概述 在电磁波谱中，波长在1mm-1m范围内的电磁波称微波。微波遥感是电磁波传感器的工作波长在微波波谱区的遥感技术，是利用某种传感器接受地理

各种地物发射或者反射的微波信号，藉以识别、分析地物，提取地物所需的

信息。

微波遥感按工作方式可分为主动微波遥感和被动微波遥感两种。主动微

波遥感与被动微波遥感的区别在于系统自身是否发射微波波束。被动微波遥

感自身不发射只接收而主动微波遥感则是自身发射并接收信号。雷达属于主

动式微波遥感。

微波遥感的基本原理是目标地物被发射的已知的微波信号照射之后，目

标地物会感应出电荷的变化而被再次辐射，产生散射回波。目标地物的性质

不同使得对不同微波信号的调制作用也不同。在这种情形下，散射回波和入

射信号也相应具有不同的性质。散射回波和入射信号的性质因目标地物对微

波信号的调制作用而不同。这种调制作用取决于它自身的物理结构，且因地

物的不同而不同。雷达系统发射和接收电磁波，在电磁波与地表相互作用的

过程中，电磁波信息被量化，借此分析电磁波信息的变化情况，再结合实际

地表的特性， 即可反演出地表参数。 2 电磁波谱与电磁波的传播

在空间传播着的交变电磁场，即电磁波。它在真空中的传播速度约为每秒30万公里。电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见

光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很

大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的

波长短很多；而X射线和γ射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电

磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率、波数、能量的顺序把这些电磁

波排列起来，这就是电磁波谱，如图2.1所示。

图2.1 电磁波谱

不同的电磁波产生的机理和产生方式不同。无线电波是可以人工制造的，

是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的。红外线、可见光、紫外线；伦琴射线；γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生

的。 在电磁波谱中各种电磁波由于频率或波长不同而表现出不同的特性，如

波长较长的无线电波很容易表现出干涉、衍射等现象，但对波长越来越短的

可见光、紫外线、伦琴射线、γ射线要观察到它们的干涉衍射现象就越来越

困难。但是从电磁波谱中看到各种电磁波的范围已经衔接起来，并且发生了

交错，因此它们本质上相同，服从共同的规律。

3 雷达方程与雷达后向散射系数

雷达的最基本任务是探测目标并测量其坐标，因此，作用距离是雷达的

重要性能指标之一，它决定了雷达能在多大的距离上发现目标。作用距离的

大小取决于雷达本身的性能，其中有发射机、接收系统、天线等分机的参数，

同时又和目标的性质及环境因素有关。 雷达遥感的基本过程大致如下：由发射机通过天线在很短的时间内，向

目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，随后再利用该天线接收反射信

号进而将其显示出来。不同物体，回波信号的振幅、相位不同，故接收处理

后，可测出目标地物的方向、距离等数据。

3.1 雷达方程

在遥感中，用来表达雷达系统参数、目标和信号之间相关性的方程被称为雷达方程。雷达波束为球面波，其反射的回波信号也是球面波，只不过二

者的中心不一样。前者是以天线为中心，后者是以地物为中心，如图3.1表

示了雷达系统、探测目标、接收信号三者的关系。

图3.1 雷达工作发射接收示意图

雷达方程定义如式（3-1）

PtGrGtλ20Pr=σA344πR (3-1)

式中，A为雷达波束照射到地物的面积，λ为入射波长，σ为地物单位

面积的平均散射系数，R为雷达天线距离目标中心的距离，Gr为接收天线的

增益，0Gt为发射天线的增益，Gr与Gt在数值上相等。

3.2 雷达后向散射系数

假设发射天线和接收天线均对准目标，则目标截获功率与入射功率成正

比，即式（3-2）

t=σSt （3-2） P

式中Pt 为雷达的入射功率 ，St为入射功率密度，σ为目标接收雷达信号的等效面积，称为雷达截面。

实际上雷达接收天线在给定方向上观察到的散射单元的散射截面等效于

各向同性的理想散射体在该方向上的散射功率密度与散射单元相同时的散射

截面，从数学上讲，雷达散射截面等于各向同性散射体总的散射功率与散射单元接收到的入射功率密度之比，这就是雷达散射截面的物理意义。 与散射截面的物理意义类似，特定方向上面目标的散射系数可定义为：给定方向上的散射系数，等于该方向上的散射功率密度与各向同性的理想散

射单元在接收天线处散射功率密度之比。

雷达的后向散射系数被定义为：入射方向上的单位照面上的雷达散射截

面，一般用σ表示。σ的大小与被照射地物目标的几何、物理特性有关，

其中物理特性主要是目标介电常数：目标介电常数越大，σ越大，几何特性

主要是地表粗糙度：当表面越粗糙或入射角非常小时，σ越大。为了扩大散

00000射系数的动态范围σ通常以分贝表示，表达式如式（3-3）：

2-2σ（dB）=10logσ(mm) 10 （3-3） 00

4 雷达系数参数 雷达后向散射系数主要受雷达系统参数及地表参数的影响，其中雷达系

统参数包括：入射频率或波长、极化方式、雷达入射角等。

4.1 波长或频率 波长或频率不同，地物的介电常数也不一样，进而导致电磁波对地物的

反射能力和穿透力存在一定的差异。

4.2 雷达极化方式

极化就是指雷达天线发射或者接收的电磁波电场的方向，通常我们所说

的是不随时间改变的线极化。线极化有两种，一种是水平极化，其是电场方向垂直雷达波入射面方向，一种是垂直极化，其是电场方向与雷达波入射面平行。

雷达的极化方式包括以下几种情况：VV极化、VH极化、HV极化、HH极化，四种极化方式的前一个字母表示发射天线的极化方式，后一个字母表示接收天线的极化方式。一般情况下，

VV极化和HH极化成为雷达的同极化方式，而VH极化和HV极化称为交叉极化方式。如图

4-1所示：

图4-1 雷达极化方式

4.3角度参数

图4-2 雷达系统成像角度参数

入射角指雷达入射波与当地水准面垂线间的夹角，是雷达后向散射系数之一。上图分别给出了雷达入射角与雷达本地入射角的区别。雷达本地入射角指雷达入射波束与地球表面法线方向间的夹角，这个角度描述了入射波同实际地面自然形成的一个夹角。本地入射角的改变也会影响雷达的后向散射。 5 微波遥感的特点

5.1 微波遥感的优越性 微波波长范围为1mm~1000mm之间，比可见光和红外波长要长，微波遥感就是利用某种传感器接受地面各种地物发射或反射的微波信号，藉以分析和分别地物，提取所需信息。微波主要有以下优越性：1）能穿云透雾、雨雪，具有全天候工作能力，白天晚上都能成图。2）具有一定穿透能力，波长越长，穿透能力越强。比如能穿透森林获取森林下面的地形；穿透土壤，获取土壤下面的古遗迹等等。3）微波能提供不同于可见光和红外遥感所提供的某些信息。4）主动雷达遥感不进可以记录电磁波振幅信息，还可以记录相位信息。

5.2 微波遥感的应用

1、海洋应用研究，随着资源与环境问题日益尖锐，海洋资源探测、海洋环境监测和海洋要素调查等需求日益迫切。2、冰雪研究，研究和探测冰雪分布、生成、消融及演变十分重要，它关系到海洋洋流分析、水源水害分析、大气环流分析和气候演变分析，对人类生存环境和农业生态、经济发展关系极大。3、大气研究，灾害性天气预测、大气含水量测量、大气温度探测和大气成分探测是大气科学研究的主要工作，微波辐射计可以在这方面发挥重要的作用。4、农业应用，微波遥感在农业方面的应用主要涉及对农作物的识别、农作物生长状况的估计及土壤湿度的分析等。5、灾害监测，由于微波遥感具有全天时、全天候的特点，因此可以在对突发性灾害的实时监测方面发挥重要的作用。6、月球探测等。

参考文献

[1]张玲，蒋金豹，崔希民，蔡庆空.利用ANFIS方法反演裸土区土壤水分含量.国土资源

遥感，2013

[2]蔡庆空，张玲，张传伟，蒋金豹.ALOS-PRISM立体像对提取北京市昌平城区DEM及精

度评价，中央高校基本科研业务费项目研究成果论文集，2012

[3]余凡，赵英时.ASAR和TM数据协同反演植被覆盖地表土壤水分的新方法[习.中国科

学：地球科学,

2001, 41(4), 532〜540.

[4]张友静，王军战，鲍艳松.多源遥感数据反演土壤水分方法[J].水科学进展,2010, 21(2),

222〜228.

[5]赵英时,等.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社,2003: 136〜154.

[6]F.T.乌拉比，R.K.穆尔，冯健超.微波遥感(第二卷：雷达遥感和面目标的散射、辐射理

论)[M].北京:科学出版社，1987.

[7]F. T.乌拉比，R. K.穆尔，冯健超著.微波遥感(第一卷:微波遥感基础和辐射测量学)[M].

北京：科学出版社，1988.

[8]梅安新，彭望碌，秦其明，等.遥感导论[M].北京：高等教育出版社,2011.

[9]舒宁,等.微波遥感原理[M].武汉：武汉大学出版社,2003.