第12章-第十二章-合成孔径雷达-(Synthetic-Aperture-Radar)-卫星海洋学-.ppt

第十二章 合成孔径雷达（Synthetic-Aperture Radar）12.1 12.1 合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达简简介（介（介（介（Introduction to Synthetic Aperture RadarIntroduction to Synthetic Aperture Radar）12.2 12.2 合成孔径雷达的原理（合成孔径雷达的原理（合成孔径雷达的原理（合成孔径雷达的原理（Principle of Synthetic-Aperture RadarPrinciple of Synthetic-Aperture Radar）12.3 12.3 合成孔径雷达的合成孔径雷达的合成孔径雷达的合成孔径雷达的应应用（用（用（用（Application of SARApplication of SAR）当合成孔径雷达对地球表面扫描的时候，雷达波束（当合成孔径雷达对地球表面扫描的时候，雷达波束（radar beam）达到地面，经后向散射（）达到地面，经后向散射（backscatter）返回的电磁）返回的电磁波被雷达接收。接收后的信号经过数字化处理变成数字资波被雷达接收。接收后的信号经过数字化处理变成数字资料（料（digital data），这些数字资料包含着被探测点的斜率），这些数字资料包含着被探测点的斜率（slope）和粗糙度（）和粗糙度（roughness）信息。每个探测点的数据）信息。每个探测点的数据代表一个像素（代表一个像素（pixel=picture element），许多像素合成一），许多像素合成一个二维图像（个二维图像（image）。）。测量原理是微波与满足条件的海面微尺度波浪的布拉格共振散射。测量原理是微波与满足条件的海面微尺度波浪的布拉格共振散射。12.1.1 12.1.1 加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达加拿大的雷达卫星和星载合成孔径雷达（Canadas RADARSAT&Onboard SARCanadas RADARSAT&Onboard SAR）n n加拿大的雷达卫星（加拿大的雷达卫星（加拿大的雷达卫星（加拿大的雷达卫星（RADARSATRADARSAT）采用圆形、太）采用圆形、太）采用圆形、太）采用圆形、太阳同步轨道，经过阳同步轨道，经过阳同步轨道，经过阳同步轨道，经过“降轨点降轨点降轨点降轨点”（descending descending nodenode）的当地时间是）的当地时间是）的当地时间是）的当地时间是18:0018:00左右，卫星飞行高度左右，卫星飞行高度左右，卫星飞行高度左右，卫星飞行高度（altitudealtitude）是）是）是）是798 km798 km，轨道平面的倾角，轨道平面的倾角，轨道平面的倾角，轨道平面的倾角（inclinationinclination）是）是）是）是98.698.6，轨道周期（，轨道周期（，轨道周期（，轨道周期（orbit orbit periodperiod）是）是）是）是100.7 minutes100.7 minutes，每天运行，每天运行，每天运行，每天运行1414又又又又 7/24 7/24 个轨道周期，循环周期（个轨道周期，循环周期（个轨道周期，循环周期（个轨道周期，循环周期（recurrent periodrecurrent period）是）是）是）是24 24 daysdays，子循环周期（，子循环周期（，子循环周期（，子循环周期（sub-cyclessub-cycles）是）是）是）是7 days7 days和和和和3 3 daysdays，全球覆盖（，全球覆盖（，全球覆盖（，全球覆盖（global coverageglobal coverage）的再访问）的再访问）的再访问）的再访问时间（时间（时间（时间（revisit timerevisit time）是）是）是）是4 4或或或或5 days5 days，北美洲覆盖，北美洲覆盖，北美洲覆盖，北美洲覆盖的再访问时间（的再访问时间（的再访问时间（的再访问时间（revisit timerevisit time）是）是）是）是3 days3 days。n n加拿大的雷达卫星加拿大的雷达卫星加拿大的雷达卫星加拿大的雷达卫星RADARSATRADARSAT携带的合成孔径雷达对地面扫描的五种方式。携带的合成孔径雷达对地面扫描的五种方式。携带的合成孔径雷达对地面扫描的五种方式。携带的合成孔径雷达对地面扫描的五种方式。RADARSATRADARSAT携带有携带有携带有携带有C C波段波段波段波段5.3 GHz5.3 GHz水平极化的合成孔径雷达水平极化的合成孔径雷达水平极化的合成孔径雷达水平极化的合成孔径雷达.n n标准工作方式下，它的刈幅是标准工作方式下，它的刈幅是标准工作方式下，它的刈幅是标准工作方式下，它的刈幅是100 km100 km，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是25 m25 m，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是28 m28 m，入射，入射，入射，入射角范围是角范围是角范围是角范围是20204949。n n在宽视场工作方式下，它的刈幅是在宽视场工作方式下，它的刈幅是在宽视场工作方式下，它的刈幅是在宽视场工作方式下，它的刈幅是150 km150 km，三种距离分辨率分别是，三种距离分辨率分别是，三种距离分辨率分别是，三种距离分辨率分别是35 m35 m、27 m27 m和和和和23 23 mm，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是28 m28 m，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是20204545。n n在精细分辨率工作方式下，它的刈幅是在精细分辨率工作方式下，它的刈幅是在精细分辨率工作方式下，它的刈幅是在精细分辨率工作方式下，它的刈幅是50 km50 km，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是8 89 m9 m，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是9 m9 m，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是35354949。n n在狭窄扫描工作方式下，它的刈幅是在狭窄扫描工作方式下，它的刈幅是在狭窄扫描工作方式下，它的刈幅是在狭窄扫描工作方式下，它的刈幅是300 km300 km，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是50 m50 m，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是50 50 mm，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是20204040或或或或32324646。在宽扫描工作方式下，它的刈幅是。在宽扫描工作方式下，它的刈幅是。在宽扫描工作方式下，它的刈幅是。在宽扫描工作方式下，它的刈幅是500km500km或或或或440km440km，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是100 m100 m，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是100 m100 m，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是20205050。n n在扩展的高入射角工作方式下，它的刈幅是在扩展的高入射角工作方式下，它的刈幅是在扩展的高入射角工作方式下，它的刈幅是在扩展的高入射角工作方式下，它的刈幅是75 km75 km，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是，距离分辨率是25 m25 m，方位分辨率，方位分辨率，方位分辨率，方位分辨率 是是是是28m28m，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是50506060。在扩展的低入射角工作方式下，它的刈幅是。在扩展的低入射角工作方式下，它的刈幅是。在扩展的低入射角工作方式下，它的刈幅是。在扩展的低入射角工作方式下，它的刈幅是75 km75 km，距离分辨率是距离分辨率是距离分辨率是距离分辨率是25 m25 m，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是，方位分辨率是28 m28 m，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是，入射角范围是10102020。图图图图12-212-2显示了在显示了在显示了在显示了在500km500km刈幅的宽扫描工作方式（刈幅的宽扫描工作方式（刈幅的宽扫描工作方式（刈幅的宽扫描工作方式（SCANSAR Wide ModeSCANSAR Wide Mode）下，）下，）下，）下，RADARSATRADARSAT星上合成孔径雷达（星上合成孔径雷达（星上合成孔径雷达（星上合成孔径雷达（SARSAR）在一天内的地面扫描覆盖）在一天内的地面扫描覆盖）在一天内的地面扫描覆盖）在一天内的地面扫描覆盖。12.1.2 欧空局的环境卫星和高级合欧空局的环境卫星和高级合成孔径雷达成孔径雷达 n n欧洲环境卫星欧洲环境卫星欧洲环境卫星欧洲环境卫星ENVISAT-1ENVISAT-1最主要的传感器是最主要的传感器是最主要的传感器是最主要的传感器是C C波段波段波段波段5.3 GHz5.3 GHz多极化的高级合成孔径雷达多极化的高级合成孔径雷达多极化的高级合成孔径雷达多极化的高级合成孔径雷达ASARASARn n与欧洲遥感卫星与欧洲遥感卫星与欧洲遥感卫星与欧洲遥感卫星ERS1/2ERS1/2携带的合成孔径雷达携带的合成孔径雷达携带的合成孔径雷达携带的合成孔径雷达SARSAR相比，相比，相比，相比，ENVISAT-1ENVISAT-1携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达ASARASAR具有具有具有具有多极化、可多极化、可多极化、可多极化、可变观测角度和宽幅成像等独特性质。变观测角度和宽幅成像等独特性质。变观测角度和宽幅成像等独特性质。变观测角度和宽幅成像等独特性质。n n五种工作模式：五种工作模式：五种工作模式：五种工作模式：1 1）成像模式）成像模式）成像模式）成像模式,可以提供七种不同入射角的图可以提供七种不同入射角的图可以提供七种不同入射角的图可以提供七种不同入射角的图像像像像 2 2）交互极化模式）交互极化模式）交互极化模式）交互极化模式,提供同一地区的两种不同极化方式的图提供同一地区的两种不同极化方式的图提供同一地区的两种不同极化方式的图提供同一地区的两种不同极化方式的图像，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择：像，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择：像，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择：像，用户可根据需要从以下三种极化方式组合中选择：VVVV和和和和HHHH，HHHH和和和和HVHV，VVVV和和和和VHVH。3 3）宽刈幅模式）宽刈幅模式）宽刈幅模式）宽刈幅模式4 4）全球探测）全球探测）全球探测）全球探测模式模式模式模式5 5）波浪模式）波浪模式）波浪模式）波浪模式n n在上述五种工作模式中，高数据率的成像模式、交互极化模在上述五种工作模式中，高数据率的成像模式、交互极化模在上述五种工作模式中，高数据率的成像模式、交互极化模在上述五种工作模式中，高数据率的成像模式、交互极化模式和宽刈幅模式可提供其它国家的各地面站接收，低数据率式和宽刈幅模式可提供其它国家的各地面站接收，低数据率式和宽刈幅模式可提供其它国家的各地面站接收，低数据率式和宽刈幅模式可提供其它国家的各地面站接收，低数据率的全球探测模式和波浪模式仅供欧空局的地面站接收。表的全球探测模式和波浪模式仅供欧空局的地面站接收。表的全球探测模式和波浪模式仅供欧空局的地面站接收。表的全球探测模式和波浪模式仅供欧空局的地面站接收。表12-12-1 1显示了欧洲环境卫星显示了欧洲环境卫星显示了欧洲环境卫星显示了欧洲环境卫星ENVISAT-1ENVISAT-1携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达携带的高级合成孔径雷达ASARASAR五种模式的工作特性。五种模式的工作特性。五种模式的工作特性。五种模式的工作特性。12-212-2显示了成像模式提供的七种显示了成像模式提供的七种显示了成像模式提供的七种显示了成像模式提供的七种不同图像的幅宽不同图像的幅宽不同图像的幅宽不同图像的幅宽/卫星与星下点距离和入射角等信息。卫星与星下点距离和入射角等信息。卫星与星下点距离和入射角等信息。卫星与星下点距离和入射角等信息。n n中科院遥感卫星地面站可以接收和提供普通成像中科院遥感卫星地面站可以接收和提供普通成像模式模式/交互极化成像模式和宽刈幅成像模式的交互极化成像模式和宽刈幅成像模式的Level Level 0 0和和Level 1BLevel 1B产品。产品。图图图图12-412-4显示了显示了ENVISAT-1ENVISAT-1于于20032003年年1212月月1111日日01:57:0201:57:02以以VVVV极化方式和普通成像模式极化方式和普通成像模式探测的辽宁省丹东市鸭绿江入海口图像。探测的辽宁省丹东市鸭绿江入海口图像。12.2 合成孔径雷达的原理合成孔径雷达的原理（Principle of Synthetic-Aperture Radar）12.2.1 12.2.1 多普勒效应（多普勒效应（多普勒效应（多普勒效应（Doppler EffectDoppler Effect）12.2.2 12.2.2 方位分辨率（方位分辨率（方位分辨率（方位分辨率（Azimuth ResolutionAzimuth Resolution）12.2.3 12.2.3 距离分辨率（距离分辨率（距离分辨率（距离分辨率（Range ResolutionRange Resolution）12.2.4 12.2.4 真实孔径侧视雷达真实孔径侧视雷达真实孔径侧视雷达真实孔径侧视雷达SLARSLAR（Side-Looking Aperture Side-Looking Aperture RadarRadar）n n对对于雷达，由脉冲持于雷达，由脉冲持于雷达，由脉冲持于雷达，由脉冲持续时间续时间 或者等价地或者等价地或者等价地或者等价地说说脉冲脉冲脉冲脉冲宽宽度确定的距离分辨率是度确定的距离分辨率是度确定的距离分辨率是度确定的距离分辨率是 (12-1)(12-1)n n由多普勒效由多普勒效由多普勒效由多普勒效应产应产生的方位分辨率是生的方位分辨率是生的方位分辨率是生的方位分辨率是 (12-2)(12-2)n n式式式式中中中中X XD D 代代代代表表表表卫卫星星星星在在在在整整整整个个个个采采采采样样时时间间内内内内移移移移动动的的的的距距距距离离离离（distancedistance），与与与与真真真真实实孔孔孔孔径径径径雷雷雷雷达达达达的的的的方方方方位位位位分分分分辨辨辨辨率率率率比比比比较较，我我我我们们发发现现公公公公式式式式（12-212-2）中中中中的的的的分分分分母母母母2X2XD D sinsin和和和和真真真真实实孔孔孔孔径径径径（apertureaperture）D D作作作作用用用用一一一一样样；所所所所以以以以，依依依依据据据据多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应原原原原理理理理工工工工作作作作的的的的雷雷雷雷达达达达被被被被称称称称为为合合合合成成成成孔孔孔孔径径径径雷雷雷雷达达达达SARSAR（Synthetic Synthetic Aperture Aperture RadarRadar）。依依依依据据据据多多多多普普普普勒勒勒勒效效效效应应和和和和脉脉脉脉冲冲冲冲压压缩缩技技技技术术，合合合合成成成成孔孔孔孔径径径径雷雷雷雷达达达达可可可可以以以以具具具具有有有有很很很很高高高高的的的的地面分辨率。地面分辨率。地面分辨率。地面分辨率。n n因因因因为为卫卫星星星星到到到到探探探探测测点点点点的的的的距距距距离离离离r r在在在在海海海海面面面面的的的的投投投投影影影影与与与与yy平平平平行行行行，所所所所以以以以yy称称称称为为距距距距离离离离分分分分辨辨辨辨率率率率。xx近近近近似似似似地地地地等于方位角分辨率等于方位角分辨率等于方位角分辨率等于方位角分辨率与与与与卫卫星到探星到探星到探星到探测测点的距离点的距离点的距离点的距离r r的乘的乘的乘的乘积积，因此被称，因此被称，因此被称，因此被称为为方位分辨率。方位分辨率。方位分辨率。方位分辨率。我们假设某一声源发出的声波频率为我们假设某一声源发出的声波频率为我们假设某一声源发出的声波频率为我们假设某一声源发出的声波频率为f f，波长为，波长为，波长为，波长为，它们与声波传播速度，它们与声波传播速度，它们与声波传播速度，它们与声波传播速度v v的关系为的关系为的关系为的关系为 （12-312-3）图图图图12-512-5给出了阐述多普勒效应的示意图。给出了阐述多普勒效应的示意图。给出了阐述多普勒效应的示意图。给出了阐述多普勒效应的示意图。第一种情况是第一种情况是第一种情况是第一种情况是观察者静止观察者静止观察者静止观察者静止.n n第二种运动是波源不动第二种运动是波源不动第二种运动是波源不动第二种运动是波源不动，而位于，而位于，而位于，而位于B B点的接收装置以速度点的接收装置以速度点的接收装置以速度点的接收装置以速度v vS S向着波源做匀速直线向着波源做匀速直线向着波源做匀速直线向着波源做匀速直线运动。这相当于波动的传播速度增加，变为运动。这相当于波动的传播速度增加，变为运动。这相当于波动的传播速度增加，变为运动。这相当于波动的传播速度增加，变为v+vv+vS S。这样，虽然波源发出的频。这样，虽然波源发出的频。这样，虽然波源发出的频。这样，虽然波源发出的频率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为率保持不变，但是接收装置接收到的波动频率变为n n （12-812-8）n n因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当因此，接收装置接收到的频率比波源发出的频率要高。当B B点的接收装置以速点的接收装置以速点的接收装置以速点的接收装置以速度度度度v vS S背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率背向波源运动时，同样可知接收到的波动频率f f为为为为n n （12-912-9）n n即接收的频率即接收的频率即接收的频率即接收的频率f f低于波源发出的频率低于波源发出的频率低于波源发出的频率低于波源发出的频率f f。n n由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同由此可见，只要波源与接收装置之间存在着相对运动，接收到的频率就不同于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射频率，反之，接于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射频率，反之，接于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射频率，反之，接于发射的频率。两者之间的距离缩短时，接收频率高于发射频率，反之，接收频率低于发射频率。这就是多普勒效应（收频率低于发射频率。这就是多普勒效应（收频率低于发射频率。这就是多普勒效应（收频率低于发射频率。这就是多普勒效应（Doppler effectDoppler effect）。在）。在）。在）。在声波领域声波领域声波领域声波领域发发发发现了多普勒效应以后，经过几十年的研究，现了多普勒效应以后，经过几十年的研究，现了多普勒效应以后，经过几十年的研究，现了多普勒效应以后，经过几十年的研究，19381938年科学家证明了在年科学家证明了在年科学家证明了在年科学家证明了在电磁波领电磁波领电磁波领电磁波领域内同样存在多普勒效应域内同样存在多普勒效应域内同样存在多普勒效应域内同样存在多普勒效应。目前，利用多普勒效应研制出的导航、测距、跟。目前，利用多普勒效应研制出的导航、测距、跟。目前，利用多普勒效应研制出的导航、测距、跟。目前，利用多普勒效应研制出的导航、测距、跟踪、和气象观测等雷达系统已得到了广泛的应用。踪、和气象观测等雷达系统已得到了广泛的应用。踪、和气象观测等雷达系统已得到了广泛的应用。踪、和气象观测等雷达系统已得到了广泛的应用。n n安装在安装在安装在安装在卫卫星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面星上的合成孔径雷达以一条很窄的波束向前下方的地球表面发发射射射射频频率率率率为为f f0 0的的的的电电磁波。磁波。磁波。磁波。卫卫星与被探星与被探星与被探星与被探测测点之点之点之点之间间存在相存在相存在相存在相对对运运运运动动，卫卫星与被探星与被探星与被探星与被探测测点之点之点之点之间间的相的相的相的相对对速度速度速度速度w w 等于等于等于等于卫卫星星星星飞飞行速度矢量行速度矢量行速度矢量行速度矢量ww在波束方向上的投影，即在波束方向上的投影，即在波束方向上的投影，即在波束方向上的投影，即n n （12-1012-10）n n在在在在探探探探测测点所接收的点所接收的点所接收的点所接收的电电磁波磁波磁波磁波频频率率率率f f 为为n n （12-12-1111）n n式式式式中中中中c c是是是是电电磁磁磁磁波波波波的的的的传传播播播播速速速速度度度度。由由由由于于于于海海海海表表表表面面面面的的的的镜镜面面面面反反反反射射射射和和和和后后后后向向向向散散散散射射射射作作作作用用用用，达达达达到到到到探探探探测测点点点点的的的的电电磁磁磁磁波波波波以以以以f f的的的的频频率率率率向向向向周周周周围围的的的的空空空空间间进进行行行行散散散散射射射射，其其其其中中中中有有有有一一一一部部部部分分分分能能能能量量量量返返返返回回回回到到到到卫卫星星星星上上上上，被被被被雷雷雷雷达达达达所所所所吸吸吸吸收收收收。由由由由于于于于此此此此时时卫卫星星星星与与与与探探探探测测点点点点仍仍仍仍有有有有相相相相对对运运运运动动，只只只只是是是是探探探探测测点点点点变变成成成成了了了了波波波波源源源源。因因因因此此此此，雷雷雷雷达达达达接接接接收收收收到的回波到的回波到的回波到的回波频频率率率率,又不同于被探又不同于被探又不同于被探又不同于被探测测点散射的点散射的点散射的点散射的频频率率率率f f，根据公式（，根据公式（，根据公式（，根据公式（12-812-8），可以），可以），可以），可以获获得得得得n n （12-1212-12）n n n n将公式（将公式（将公式（将公式（12-1112-11）代入（）代入（）代入（）代入（12-1212-12），可），可），可），可获获得得得得雷达接收到雷达接收到雷达接收到雷达接收到频频率率率率f f与雷达与雷达与雷达与雷达发发射射射射频频率率率率f f0 0之之之之间间的关的关的关的关系，即系，即系，即系，即n n （12-1312-13）n n由由由由上上上上式式式式可可可可见见，波波波波束束束束指指指指向向向向卫卫星星星星前前前前下下下下方方方方时时f f ff0 0，即即即即雷雷雷雷达达达达接接接接收收收收的的的的频频率率率率高高高高于于于于发发射射射射的的的的频频率率率率。同同同同样样可可可可以得出，当波束指向以得出，当波束指向以得出，当波束指向以得出，当波束指向卫卫星后下方星后下方星后下方星后下方时时，接收，接收，接收，接收频频率率率率f f低于低于低于低于发发射射射射频频率率率率f f0 0。合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达合成孔径雷达SARSAR观测陆地和海洋的示意图观测陆地和海洋的示意图观测陆地和海洋的示意图观测陆地和海洋的示意图 12.1.3 合成孔径雷达的分辨率合成孔径雷达的分辨率 因为卫星到探测点的距离（因为卫星到探测点的距离（range）r在海面的投影与在海面的投影与y平行，所以平行，所以y称称为距离分辨率。方位角为距离分辨率。方位角（azimuth angle）代表卫星飞行方向与观测方）代表卫星飞行方向与观测方向之间的夹角；向之间的夹角；是方位角分辨率是方位角分辨率,x近似地等于方位角分辨率近似地等于方位角分辨率与与卫星到探测点的距离卫星到探测点的距离r的乘积，因此被称为方位分辨率的乘积，因此被称为方位分辨率.12.2.2 12.2.2 方位分辨率方位分辨率方位分辨率方位分辨率（Azimuth ResolutionAzimuth Resolution）n n由由由由相相相相对对运运运运动动所所所所引引引引起起起起的的的的接接接接收收收收频频率率率率与与与与发发射射射射频频率率率率之之之之间间的的的的“差差差差频频”，通通通通常常常常被被被被称称称称为为多多多多普普普普勒勒勒勒频频率率率率（Doppler frequencyDoppler frequency）。）。）。）。n n使用使用使用使用来表示多普勒来表示多普勒来表示多普勒来表示多普勒频频率（率（率（率（Doppler frequencyDoppler frequency）（）（）（）（单单位是位是位是位是HzHz），），），），则则有有有有n n （12-1412-14）n n由由由由于于于于电电磁磁磁磁波波波波的的的的传传播播播播速速速速度度度度c c远远大大大大于于于于卫卫星星星星相相相相对对海海海海表表表表面面面面被被被被探探探探测测点点点点的的的的运运运运动动速速速速度度度度ww，在在在在公公公公式（式（式（式（12-1412-14）中）中）中）中w/c 1w/c 1，所以可忽略不，所以可忽略不，所以可忽略不，所以可忽略不计计。所以。所以。所以。所以n n （12-1512-15）n n式式式式中中中中 是是是是雷雷雷雷达达达达发发射射射射的的的的电电磁磁磁磁波波波波波波波波长长；是是是是方方方方位位位位角角角角（azimuth azimuth angleangle），即即即即雷雷雷雷达达达达波波波波束与束与束与束与卫卫星速度星速度星速度星速度ww之之之之间间的的的的夹夹角；角；角；角；卫卫星相星相星相星相对对海面上探海面上探海面上探海面上探测测点的运点的运点的运点的运动动速度速度速度速度w=w cosw=w cosn n公公公公式式式式（12-1512-15）表表表表示示示示了了了了多多多多普普普普勒勒勒勒频频率率率率与与与与方方方方位位位位角角角角 之之之之间间的的的的关关关关系系系系。使使使使用用用用方方方方位位位位角角角角的的的的微微微微分分分分来表示多普勒来表示多普勒来表示多普勒来表示多普勒频频率的微分率的微分率的微分率的微分，有，有，有，有n n （12-1612-16）n n如如如如果果果果我我我我们们使使使使用用用用代代代代表表表表多多多多普普普普勒勒勒勒频频率率率率的的的的分分分分辨辨辨辨率率率率，使使使使用用用用代代代代表表表表方方方方位位位位角角角角分分分分辨辨辨辨率率率率，那那那那么，方位角分辨率（么，方位角分辨率（么，方位角分辨率（么，方位角分辨率（azimuth angle resolutionazimuth angle resolution）可近似表示可近似表示可近似表示可近似表示为为n n （12-1712-17）n n频频率率率率分分分分辨辨辨辨率率率率由由由由采采采采样样长长度度度度决决决决定定定定，频频率率率率分分分分辨辨辨辨率率率率等等等等于于于于采采采采样样长长度度度度的的的的倒倒倒倒数数数数。因因因因此此此此，多多多多普普普普勒勒勒勒频频率率率率的的的的分分分分辨辨辨辨率率率率|可可可可以以以以通通通通过过采采采采样样时时间间长长度度度度（sampling sampling periodperiod）t tS S近近近近似似似似地地地地表表表表示示示示为为n n (12-18)(12-18)n n物物物物理理理理解解解解释释:例例例例如如如如，如如如如果果果果采采采采样样时时间间长长度度度度t tS S=1=1秒秒秒秒，即即即即我我我我们们只只只只在在在在1 1秒秒秒秒钟钟的的的的时时间间内内内内采采采采集集集集了了了了数数数数据据据据，那那那那么么么么，可可可可分分分分辨辨辨辨波波波波动动的的的的最最最最大大大大周周周周期期期期是是是是1 1秒秒秒秒钟钟；换换句句句句话话说说，可可可可分分分分辨辨辨辨波波波波动动的的的的最最最最小小小小频频率率率率是是是是=1=1赫赫赫赫兹兹。因因因因为为我我我我们们仅仅仅仅采采采采集集集集了了了了1 1秒秒秒秒钟钟的的的的数数数数据据据据，我我我我们们不不不不可可可可能能能能分分分分辨辨辨辨出出出出更更更更长长周周周周期期期期的的的的波波波波动动，譬譬譬譬如如如如周周周周期期期期为为1010秒秒秒秒的的的的、频频率率率率为为1/101/10赫赫赫赫兹兹的的的的波波波波动动，因因因因为为采采采采样样时时间长间长度确定了分辨率。度确定了分辨率。度确定了分辨率。度确定了分辨率。n n将（将（将（将（12-1812-18）代入到（）代入到（）代入到（）代入到（12-1712-17），我），我），我），我们获们获得得得得n n (12-19)(12-19)n n使使使使用用用用X XD D=wtwtS S 表表表表示示示示在在在在整整整整个个个个采采采采样样时时间间 t tS S 内内内内卫卫星星星星移移移移动动的的的的距距距距离离离离，则则方方方方位位位位角角角角分分分分辨辨辨辨率率率率（azimuth azimuth angle resolutionangle resolution）变为变为n n （12-2012-20）n n在在在在推推推推导导的的的的最最最最后后后后一一一一步步步步，我我我我们们获获得得得得了了了了合合合合成成成成孔孔孔孔径径径径雷雷雷雷达达达达的的的的方方方方位位位位分分分分辨辨辨辨率率率率（azimuth azimuth resolutionresolution），即即即即n n (12-21)(12-21)nXD=wtS 表表示示在在整整个个采采样样时时间间 tS 卫卫星星移移动动的的距距离离。比比较较两两个个公公式式可可以以发发现现 2XDsin 和和真真实实孔孔径径 D 在在各各自自公公式式中中的的作作用用相相同同，这这等等同同于于通通过过合合成成孔孔径径技技术术取取得得了了一一个个比比较较大大的的天天线线孔孔径径。合合成成孔孔径径技技术术意意味味着着依依据据多多普普勒勒效效应应，通通过过雷雷达达沿沿其其路路径径运运动动而而构构成成孔径非常大的雷达。孔径非常大的雷达。n多多普普勒勒频频率率的的电电磁磁波波携携带带着着地地球球表表面面粗粗糙糙度度的的信信息息，而而且且这这些些地地球球表表面面信信息息具具有有比比传传统统雷雷达达更更高高的的空间分辨率。空间分辨率。波长为波长为50mm1m，高度为，高度为750km，d100m，D375-7.5km12.2.3 距离分辨率距离分辨率（Range Resolution）n n图图12-612-6显显示了雷达的距离分辨率示了雷达的距离分辨率示了雷达的距离分辨率示了雷达的距离分辨率（range resolutionrange resolution）的推）的推）的推）的推导导示意示意示意示意图图。如。如。如。如图图所示，所示，所示，所示，S S是是是是卫卫星，星，星，星，是入射是入射是入射是入射角，角，角，角，线线段段段段SCSC代表代表代表代表卫卫星与探星与探星与探星与探测测点之点之点之点之间间的距离（的距离（的距离（的距离（rangerange），），），），线线段段段段ABAB代表代表代表代表沿雷达波束在地面的投影方向上能沿雷达波束在地面的投影方向上能沿雷达波束在地面的投影方向上能沿雷达波束在地面的投影方向上能够够分辨的最小距离，我分辨的最小距离，我分辨的最小距离，我分辨的最小距离，我们们称之称之称之称之为为距距距距离分辨率（离分辨率（离分辨率（离分辨率（range resolutionrange resolution），），），），并使用并使用并使用并使用yy表示之。表示之。表示之。表示之。12.3 合成孔径雷达的应用合成孔径雷达的应用（Application of SAR）12.3.1 12.3.1 一般介绍（一般介绍（一般介绍（一般介绍（General IntroductionGeneral Introduction）12.3.2 12.3.2 海浪的方向谱（海浪的方向谱（海浪的方向谱（海浪的方向谱（Directional Spectrum of Ocean Directional Spectrum of Ocean WavesWaves）12.3.3 12.3.3 海面风（海面风（海面风（海面风（Sea Surface WindSea Surface Wind）12.3.4 12.3.4 内波（内波（内波（内波（Internal WavesInternal Waves）n n合成孔径雷达（合成孔径雷达（合成孔径雷达（合成孔径雷达（SARSAR）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向）是一种主动式微波成像雷达，通过测量海面后向散射信号，能产生标准化后向散射截面（散射信号，能产生标准化后向散射截面（散射信号，能产生标准化后向散射截面（散射信号，能产生标准化后向散射截面（NRCSNRCS）的图像。）的图像。）的图像。）的图像。标准化后向散标准化后向散标准化后向散标准化后向散射截面射截面射截面射截面（NRCSNRCS）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的）携带着海面信息，它反映了雷达观测到的海面粗糙度海面粗糙度海面粗糙度海面粗糙度。这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其这种图像能极为详细地显示出海面空间细节的变化，其分辨率分辨率分辨率分辨率为几米到为几米到为几米到为几米到几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（几十米的量级。此外，由于合成孔径雷达（SARSAR）工作在微波波段，即）工作在微波波段，即）工作在微波波段，即）工作在微波波段，即使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣使在黑夜也能正常工作，它发射的微波还可以穿透云层，因而不受恶劣天气的影响。这种天气的影响。这种天气的影响。这种天气的影响。这种全天候、全天时和高分辨率全天候、全天时和高分辨率全天候、全天时和高分辨率全天候、全天时和高分辨率的海洋观测优势是可见光的海洋观测优势是可见光的海洋观测优势是可见光的海洋观测优势是可见光和红外传感器及其它微波传感器所没有的。和红外传感器及其它微波传感器所没有的。和红外传感器及其它微波传感器所没有的。和红外传感器及其它微波传感器所没有的。n n对于海洋遥感来说，海面的粗糙度是影响雷达波束后向散射的主要因素。对于海洋遥感来说，海面的粗糙度是影响雷达波束后向散射的主要因素。对于海洋遥感来说，海面的粗糙度是影响雷达波束后向散射的主要因素。对于海洋遥感来说，海面的粗糙度是影响雷达波束后向散射的主要因素。雷达所测量的海面粗糙度是由几厘米到几十厘米的表面张力波和短重力雷达所测量的海面粗糙度是由几厘米到几十厘米的表面张力波和短重力雷达所测量的海面粗糙度是由几厘米到几十厘米的表面张力波和短重力雷达所测量的海面粗糙度是由几厘米到几十厘米的表面张