典型地物微波介电特性实验研究

论文摘要

遥感对地观测是二十一世纪最重要的地球资源与环境信息获取手段,同时也是我国十一五期间重点规划发展的八大战略学科之一。微波遥感作为一种独特而有效的新兴遥感手段,得到了各航天大国越来越普遍的重视。随着各种机载和星载微波遥感数据源的飞速发展和数据质量的不断提高,如何从数据之中提取出有效的各种地物信息,成为微波遥感应用研究工作的重中之重。典型地物微波介电特性研究是微波散射机理研究的主要内容之一,它是进行微波遥感后向散射模型研究和电磁参数反演的基础。因此本论文分别从理论和实验两方面对各种典型地物的介电特性开展了研究,首先系统总结了微波遥感的常规方法和手段,给出了遥感获取地物特性参数的总体框架。在此基础之上,围绕典型地物微波介电特性这一核心开展了系列研究。研究过程中紧密结合理论分析和实验测量,首先在理论上给出了各种典型地物如纯水、盐水、海水、土壤、植被等的介电特性模型,并对模型进行仿真,模拟计算了它们的介电常数随频率、温度、盐度和湿度等的变化关系,然后再利用相对成熟的同轴线探针法和波导法测量了它们的介电常数,进而分析比较了典型地物介电特性模拟仿真和测量结果之间的各种差异,以及造成这些差异的原因。由于室内散射测量系统测量参数与微波遥感散射系数有着本质上的一致性,特别将自由空间法测量大面积地物宏观介电常数作为本研究的重点。分别在不同波段,不同入射角下测量各种地物的散射系数,并实现了介电常数的反演。详细分析了实验中误差产生的原因,并不断改善室内散射测量系统和测量方法,特别是引入时域测量技术后,得到了与模拟结果基本一致的复介电常数随频率变化的曲线。同时在高频段利用粗糙度修正模型,对测量结果进行了修正,因此降低了目标几何特性对测量结果的影响,改善了介电特性的反演结果。本论文最后在室内测量了各波段土壤的后向散射系数,并对该数据进行了分析和反演研究,探讨了一些新的实验和反演方法,为微波遥感机理研究工作的深入开展打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究工作的背景和意义
• 1.1.1 微波遥感发展背景
• 1.1.2 典型地物介电特性研究的意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方案和论文结构
• 1.4.1 研究方案
• 1.4.2 论文结构
• 第二章 主动微波遥感基础理论
• 2.1 微波散射基础
• 2.1.1 微波的散射
• 2.1.1.1 表面散射
• 2.1.1.2 体散射
• 2.1.2 雷达方程
• 2.2 微波散射模型
• 2.2.1 土壤面散射模型
• 2.2.1.1 理论散射模型
• 2.2.1.2 半经验模型
• 2.2.2 植被散射模型
• 第三章 典型地物介电模型
• 3.1 介电常数
• 3.1.1 电介质及其极化方式
• 3.1.2 介质的介电常数
• 3.1.3 介电常数影响因素
• 3.2 水的介电模型
• 3.2.1 纯水
• 3.2.2 海水和盐水
• 3.2.3 纯冰
• 3.3 土壤介电模型
• 3.3.1 影响土壤介电特性的因素
• 3.3.2 干土的介电模型
• 3.3.3 湿土的介电常数模型
• 3.3.3.1 TOPP经典土壤介电模型
• 3.3.3.2 Dobson物理土壤模型
• 3.3.3.3 Dobson半经验模型
• 3.4 植被介电常数模型
• 第四章 典型地物介电常数测量实验
• 4.1 同轴线探针法测量实验
• 4.1.1 测试系统
• 4.1.2 测量原理
• 4.1.3 测量实验及结果分析
• 4.1.3.1 纯水
• 4.1.3.2 海水
• 4.1.3.3 盐水
• 4.1.3.4 土壤
• 4.1.3.5 植被
• 4.2 波导法测量实验
• 4.2.1 波导法测试系统及原理
• 4.2.2 波导法测量结果
• 4.2.2.1 纯冰
• 4.2.2.2 土壤
• 第五章 微波散射测量系统
• 5.1 自由空间法基础
• 5.1.1 自由空间法简介
• 5.1.2 测量原理及定标
• 5.1.3 测量条件
• 5.1.3.1 平面波条件
• 5.1.3.2 无限大样品
• 5.1.3.3 无限厚条件
• 5.1.3.4 表面光滑均匀
• 5.2 自由空间法幅度测量
• 5.2.1 幅度测量系统
• 5.2.2 测量实验及反演
• 5.2.2.1 双极化金属板绝对定标
• 5.2.2.2 双极化双角度相对定标
• 5.2.3 反演结果误差分析
• 5.2.3.1 幅度测量金属板绝对定标误差放大倍数分析
• 5.2.3.2 幅度测量双角度相对定标误差放大倍数分析
• 5.3 自由空间法矢量测量
• 5.3.1 矢量测量系统
• 5.3.2 测量实验及反演
• 5.3.3 反演结果误差分析
• 5.4 矢量测量系统的改进
• 5.4.1 加大样品面积
• 5.4.2 去天线耦合
• 5.4.2.1 吸波材料测量实验及反演
• 5.4.2.2 误差分析及讨论
• 5.4.3 土壤时域测量
• 5.4.3.1 时域测量技术
• 5.4.3.2 时域测量土壤实验
• 5.4.3.2.1 X波段测量结果
• 5.4.3.2.2 C波段测量结果
• 5.4.3.2.3 S波段测量结果
• 5.4.3.2.4 L波段测量结果
• 5.4.4 土壤粗糙度修正
• 5.5 后向散射系数测量
• 5.5.1 土壤后向散射系数
• 5.5.2 小扰动模型反演
• 5.5.3 反演方法和测量初探
• 第六章 结论和展望
• 6.1 特色和创新
• 6.2 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果