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微波遥感理论与技术基础(6)

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微波遥感基础

微波遥感基础

微波遥感基础02107035 韩倩1.微波散射计三种实现方法是什么?原理和优缺点?方法一，使用一个可以准确指向被测目标区域的窄波束宽度的散射计原理：当平台搭载散射计移动时，雷达跟踪目标区域并且建立后向散射曲线优点：提高了分辨率方法二，利用信号多普勒效应原理：设想一散射计，方向图沿平台飞行方向较宽，垂直于该方向很窄，方向性很强，散射波束向前倾。

在任意时刻，由于回波信号来自Δθ的波束宽度内，因此很大范围内的表面都被探测到。

那么被探测点的回波会因为多普勒变为f0+δf。

优点：探测范围广方法三，发送很短的脉冲信号，并分析回波的时间结构原理：设想一方向性足够强的天线，飞行器静止，他的回波,从而对入射角度进行求解。

经过两次的传输时间为：2Hc cosθ优点：平台或者散射计本身固定；结果与脉冲受限雷达高度计的结果分辨率的相同2.合成孔径雷达方程与常规雷达方程的差异，这种差异能带来什么优势？常规雷达方程方位分别率R a≈HλL cosθ合成孔径雷达方程的方向分别率L这种差异优势：克服了对分别率对高度的依赖，通过平台的移动代替了天线大小的增加。

3.雷达工作时序的设计步骤分为哪几步？分别需要注意什么？4.微波图像的评价方法和指标是什么？指标：1、距离分别率、方位分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比2、辐射分辨率方法：点目标二维成像的“脉冲响应函数”（IRF）5.什么校准？什么是定标？目的是什么？校准：内部校准（为了克服系统内部传输误差，控制幅度相位）外部校准（为了了解回波测量过程中的随机误差）目的：建立图像灰度与地物的精确散射关系定标：σ0=H s−1P rAc⁄Hs传递函数Pr接受功率Ac分辨单元面积6.模拟图像生成方法有哪些？有缺点是什么？1、逐点仿真计算（计算量大）2、同心圆仿真计算3、二维FFT快速计算（小场景）4、极化仿真计算7.为什么要进行实时回波模拟的设计？1、雷达系统设计具有参考价值2、 用于雷达图像的几何校正3、 用于培训4、 建立数据库8、在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？材料特性随着外加磁场的场强和方向变化，可以使目标的散射面积变小，使回波信息不准确，常常用于隐身材料。

微波遥感理论与技术基础(5)

微波遥感理论与技术基础(5)

高频（短毫米波、亚毫米波）： 高频（短毫米波、亚毫米波）：
• 需考虑粒子（水、冰）的粒子 需考虑粒子（ 散射 。
主动遥感（雷达） 主动遥感（雷达）
• 主要是散射； 主要是散射； • 要考虑吸收； 要考虑吸收； • 发射可忽略（与入射相比）； 发射可忽略（与入射相比）；
董晓龙 dxl@
• 用于对地球表面、底层大气和气溶胶的探测； 用于对地球表面、底层大气和气溶胶的探测； • 对于频率<10GHz的电磁波，晴空大气的作用的可以忽略。 的电磁波，晴空大气的作用的可以忽略。 对于频率 的电磁波
不透明大气
• 可以用于对大气的探测。 可以用于对大气的探测。
大气的吸收包括两种类型： 大气的吸收包括两种类型： 吸收谱线：与特定成分的特定能级的变化相关； 吸收谱线：与特定成分的特定能级的变化相关； 宽带吸收：随频率的增加指数增加，主要是水气的吸收。 宽带吸收：随频率的增加指数增加，主要是水气的吸收。
国家863计划微波遥感技术实验室
The National Microwave Remote Sensing Laboratory
大气辐射传输模型
入射 大气层 另一侧的辐射强 度 传输路径上任一点的辐射强度： 传输路径上任一点的辐射强度： 入射能量； 入射能量； 传输路径上各点的辐射 公式）（ 吸收， （Planck公式）（ 吸收， 公式）（=吸收 Kirchoff 辐射定律） 辐射定律）
第五章：微波与物质的相互作用
连续媒质与大气 微波与分立目标的相互作用 体散射与辐射 光滑表面的反射与辐射 粗糙表面的散射与辐射 周期表面的散射与辐射 自然表面的散射与辐射 特殊的散射体。 特殊的散射体。
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室

第二章微波遥感的基本原理

第二章微波遥感的基本原理

或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电
磁波称为相干波或相干辐射。电波天线正是利用电磁波的相
干性制成的。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波的
振幅是各个波的振幅的代数和，交叉区域不会出现振动强弱
交替的现象。
如果两个独同时投射到探
测器，其合成波的振幅为
f(t)+g(t)，则瞬时功率为
4
西安电子科技大学 理学院
对于灰体
在一定温度下，任何灰体材料的发射率等于它的吸收率。 也表明，一个好的辐射体也一定是一个好的吸收体，反之亦 然。
对于不透明材料
透明材料？
31
西安电子科技大学 理学院
发射率是遥感研究中地物的重要参数，它给出了辐射体在球 面空间内的发射本领，如与方向无关称为半球发射率。材料 的发射率也可能随测量方向而变，特别是表面磨光的金属或 者光滑平面，此时需要分析材料的定向发射本领。它是与辐 射表面的法线成θ角的小立体角内所测到的发射率。
28
西安电子科技大学 理学院
给定波长上的工程最大值的温度Te，比物理最大值的温度 Tm要高27.6％，相应地，对应于工程最大值的温度下的谱 辐射通量密度也要大11.6%。 四、非黑体辐射
一切能发射电磁辐射能的真实物体统称为非黑体
Me和Me(λ)分别为非黑体的总辐射通量密度(即辐出度)和 辐射通量密度(即单色辐出度)；e(λ)为一与波长、物质的性质、 温度等有关的系数，称为谱发射率或谱发射射本领。
10
西安电子科技大学 理学院
△E不同，辐射的光子频率也不同，△E为1-20eV时，可 产生波长为0.2-1.0μm的辐射， △E为为0.05-1．0eV时，可 产生波长为1-25μm的辐射， △E为0.03-0.05eV时，可产生 波长为25-300μm的辐射；能量再低也可辐射少量微波。不同 的物质，其发射、吸收和散射电磁辐射的能力是不同的，电磁 辐射的频率、极化和电磁能量随入射角变化的关系，因不同的 物质而异。这种差异，既与物质表面和其内部的几何结构有关， 又与物质本身的介电常数和温度的空间分布有关。正是基于这 种差异，才有可能达到遥感不同物体的目的。

第一章微波遥感基础

第一章微波遥感基础
第20页
SEASAT Image of Death Valley, 1978
第21页
1998年1月10日张北—尚义地震形变 第22页
第一节 引言
微波遥感分类： 被动微波遥感和主动微波遥感。
被动微波遥感 信号来源：系统自身不发射微波波束，只
是接收目标物发射或散射的微波辐射。 典型传感器：微波辐射计（该传感器为成
第11页
第一节 引言
微波遥感的优越性 微波对地物有一定穿透能力
1.微波穿透植物层的深度，取决于植物的含水量，密 度，波长和入射角。如果波长足够长而入射角又接近 天底角，则微波可穿透植被区而到达地面。因此，微 波频率的高端（波长较短）只能获得植被层顶部的信 息，而微波频率的低端（波长较长），则可以获得植 被层底层甚至地表以下的信息。
产生干涉现象的电磁波称为相干波。第28页ຫໍສະໝຸດ 一、电磁波的基本特征与微波
2、相干性和非相干性 相干波，产生干涉现象的电磁波被称为相
干波。一般地，凡是单色波都是相干波。 波的相干性导致微波雷达图像的像片上会
出现颗粒状或斑点状的特征。
第29页
一、电磁波的基本特征与微波
3、衍射 衍射的定义： 如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大 小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边 界外通过。这部分波在超越障碍物时，会改变 方向绕过其边缘达到障碍物后面，这种使一些 辐射量发生改变的现象称为电磁波衍射。
围内观察到的“颜色”则取决于研究对象面或体 的几何特性以及体界电特性，这样，将微波、可 见光和红外辐射配合运用，就能够研究表面上几 何的和体介电的特性以及分子谐振的特性。
第16页
另外，微波还可以提供某些附加的特性，这 使其在某些应用方面具有独到之处。例如，根 据不同类型冰的介电常数不同可以探测海冰的 结构和分类；根据含盐度对水的介电常数的影 响可以探测海水的含盐度等等。

电磁场与微波技术教学资料微波遥感

电磁场与微波技术教学资料微波遥感
电磁场与微波技术教 学资料微波遥感
目录
• 微波遥感简介 • 电磁场与微波基础 • 微波遥感原理 • 微波遥感技术及应用 • 案例分析
01
微波波遥感是指利用微波辐射探测地表 、大气和海洋信息的技术。
特点
具有全天候、全天时的工作能力，能 够穿透云层和一定厚度的植被，获取 地表信息。
水体信息提取
总结词
微波遥感技术在水体信息提取方面具有优势，可提取水体面积、水质和流速等 信息。
详细描述
微波遥感通过分析水体的介电常数和含水量差异，能够提取水体信息。通过卫 星遥感和无人机遥感的结合，可以监测水体面积、水质和流速等参数，为水资 源管理、水环境保护和水灾预警提供重要数据支持。
THANKS
于地质灾害监测、城市规划等领域。
微波散射计遥感
总结词
微波散射计遥感是通过测量电磁波与地面目标相互作用后的散射系数，获取地面目标的物理特性和表 面粗糙度等信息。
详细描述
微波散射计遥感利用微波雷达或激光雷达等设备，向地面目标发射电磁波并接收反射回来的信号，通 过测量散射系数和表面粗糙度等信息，推断出地面目标的物理特性和表面状态等信息。该技术具有高 精度、高分辨率的优势，广泛应用于气象监测、环境监测等领域。
微波器件与系统
微波管
01
利用微波激发气体、等离子体或磁性材料等，产生高功率微波
辐射的器件。
微波集成电路
02
将多个微波元件集成在一块芯片上，实现微波信号的产生、放
大、混频和滤波等功能。
微波系统
03
由多个微波器件组成的复杂系统，如雷达、通信系统等，用于
实现特定的功能和应用。
03
微波遥感原理
微波辐射传
灾害监测与评估

微波遥感基础

微波遥感基础

微波偏振与极化 Polarization
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动分量， 称为电磁破的偏振。
非偏振光，偏振光，部分偏振
E
Z
H
E线极化
E椭圆极化
E圆极化
H
Z
H
Z
H
Z
极化即电场振动方向的变化趋势，线极化是电场矢量方向不随时间变化的情况，分 为水平极化和垂直极化。
Polarization of Microwave
不同温度的物体，辐射峰值的波长
Mb(T ) T 4
黑体总辐射与温度的四次方成正比
黑体辐射瑞利-金斯定律
不适合高频段（紫外灾难）
Mb(,T )

2c 4
kT
ehc kT 1 hc kT
长波段时，黑体辐射与温度成正比
19世纪末的这两片乌云，恰恰予示了催生新的科学理论的风雨即将来临！
最小分辨角:
0 1.22
d
(设计遥感器空间分辨率
具有重要意义。)
d 物镜的有效孔径
电磁波的衍射
夫 琅 禾 费 衍 射 图 案
电磁波的衍射－夫琅禾费圆孔衍射
艾里斑半角宽 :
电磁波的衍射－瑞利准则
最小分辨角:
0 1.22
d d 物镜的有效孔径
“恰能分辨”的两个点光源的两衍射图样中心之间的距离，应等于艾里斑的半径。
大气影响（主要是吸收），实际的辐射曲线未不平滑 的折线。
地物的自发辐射
微波辐射指任何物体在向外辐射红外线的同时， 也辐射微波。
微波辐射特点如下：
1）微波与红外线相对，是物体低温条件下的重要 辐射特性，温度越低，微波辐射越强
2）微波辐射的强度比红外辐射的强度弱的多，需 要经过处理才能够使用接收器接收

《微波遥感》课程教学大纲

《微波遥感》课程教学大纲
一、课程基本信息
二、课程简介和教学目标
1．课程简介
《微波遥感》是给海洋技术专业本科生开设的一门专业任选课程，本课程主要讲述微波遥感的基本理论、方法和基础知识。

要求学生理解微波遥感中的雷达原理，掌握雷达高度计、微波散射计、真实孔径雷达、合成孔径雷达和微波辐射计的基本工作原理，并且学会获取、处理和分析各种微波遥感传感器数据，熟悉微波遥感在海洋、陆地、大气等领域的应用。

通过课程学习，使学生具备海洋动力参数信息提取方法的初步技能，提高学生解决复杂问题和终生学习的能力，培养学生的海洋强国意识。

2.教学目标
教学目标1：掌握雷达高度计、微波散射计、真实孔径雷达、合成孔径雷达和微波辐射计的基本工作原理，理解海洋动力参数信息的反演和提取方法；
教学目标2：理解微波遥感数据处理的基本过程和方法；
教学目标3：提高学生解决复杂问题和终生学习的能力，培养学生的海洋强国意识。

3．教学目标与毕业要求指标点的支撑关系
三、理论教学
表1 理论教学安排
四、实验教学
五、考核与成绩评定方法
六、建议教材及相关教学资源
[1] 苗俊刚, 刘大伟. 微波遥感导论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.
[2] Woodhouse Iain H., 董晓龙, 徐星欧, 等. 微波遥感导论[M]. 北京: 科学出版社, 2014.
[3] 舒宁. 微波遥感原理[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2000.。

遥感物理讲座 第六章 微波辐射与雷达


根据热辐射原理，地球表面除辐射可见光 、红外线等以外，也辐射微弱的微波。黑体 的热辐射用普朗克定律表示，而微波领域的 辐射则遵循瑞利 — 金斯辐射定律。从热辐射 中测量物理温度时必须用发射率 ε 进行修正 。目标的物理温度 T和被测的亮度温度 TB的关 系为：TB=ε T。
物体的发射率通常为 0 ＜ ε ＜1，因为发射 率是随物体的介电常数及表面的粗糙度等物 理性质和频率、偏振特性、入射角、方位角 而变化，所以亮度温度也根据这些性质和条 件而变化。
图 粘土及海水的发射率与入射角的关系
表 典型物质在掠射角30o、45o时的发射率
三、微波的散射特性（散射计）
微波的表面散射
在两个均匀介质的分界面上，当电磁波从一个介质中射 人时，会在分界面上产生散射，这种散射叫表面散射。在地 表及海面等面上产生的微波散射就是表面散射。 表面散射的强度随介质表面的复介电常数的增加而增大 ，其散射角特性由表面的粗糙度决定。由光滑表面引起的电 磁波的反射如图(a)所示，称镜面反射，它在与入射波相反的 方向上具有较大的散射成分。如果表面粗糙，则如图(b)所示 ，除产生镜面反射成分以外还有散射成分。 镜面反射成分称为相干成分，散射成分称为扩散成分或非 相干成分。这种扩散成分分布在一切角度方向上，当表面粗 糙度较小时，它小于镜面反射成分，如果表面粗糙度逐渐增 大，则镜面反射成分减小，扩散成分相对增加。当表面粗糙 度进一步增大直到成为完全的粗糙面时，则如图(c)所示，镜 面反射成分没有了，仅剩下扩散成分。随机的表面散射的程 度取决于采用的电磁波波长与观测物体的表面粗糙度的特征 尺度的相对关系，表面粗糙度的指标通常使用瑞利判据及更 严格的夫琅和费判据。
《遥感物理》课程讲座-6 ----地物微波辐射特性

微波遥感理论与技术基础(7)

• 测量数据的涨落范围；
准确度（Accuracy）
• 测量（估计）值与真实值的偏差。


决定精度和准确度的因素 精度： 系统因素：信噪比； 目标因素：信号类型和涨落； 测量因素： 独立样本的平均。 准确度： 定标
董晓龙 dxl@
国家863计划微波遥感技术实验室
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The National Microwave Remote Sensing Laboratory
接收机


接收机的输出： 检波电压 接收机类型 进入接收机的功率与接收机输出之间的关系
• 平方率检波器（电压与幅度成正比） • 线性检波器（电压与功率成正比）
2 s I2 (t ) sQ (t )

Amplitude S (t ) S (t )
A
s I (t ) AngleS (t ) arctan s (t ) Q t T
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灵敏度（Sensitivity）

理想微波辐射计接收机的测量过程
TA
接收机 B，G
功率 检测
输出功率读数
P k B TA G
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6.3 基本的微波辐射计

基本的微波辐射计 采用超外差接收机技术的全功率接收机； 采用平方率检波；

微波遥感理论与技术基础董晓龙一


• 发展的初期，电磁场与电磁波，无勇线于电开和始，才能找到特成殊的散射体。
雷达，射电天文，成像雷达，星载功微的波路遥 感。
• 第六章：微波的检测
• 第三章：电磁波的基本参数及其应用 • 电磁波的基本参数，电磁波的能量和功率 ，相干性，微波的传播，微波的产生。
• 第四章：微波的极化测量
• 概述，基本的微波辐射 特性，微波接收机，相 ，系统性能，定标。
Interscience, 1985 • 金亚秋，“电磁散射和热辐射的遥感理论”，科学出版社1993年出版。 • Henri Sauvageot, “Radar Meteorology”, Artech House Publishers, 1992.
• NASA’s Earth Science program: A web-based remote sensing tutorial (http://rst.gsf
• Radiation and the Atmosphere (B) • as the energy travels from its source to the target, it will come in contact with and atmosphere it passes through. This interaction may take place a second time as th the target to the sensor.
• Remote sensing is the technology of using sensors such as conventional cam scanners sensitive to electromagnetic radiations outside the visible region, to analysis.
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Bragg Scattering Enhanced backscatter due to coherent combination of signals reflected from a rough surface having features, with periodic distribution in the direction of wave propagation, and whose spacing is equal to half of the wavelength as projected onto the surface.
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5.6 非随机（周期）表面
浅粗糙周期表面： 浅粗糙周期表面：σh <λ/8 小风作用下的毛细波或短重力波（波长为毫米或厘米量级）； 小风作用下的毛细波或短重力波（波长为毫米或厘米量级）； 光滑表面： 判据； 光滑表面：Rayleigh判据； 判据 Bragg散射：相干散射 散射： 散射 散射波方向为若干个满足干涉加强条件的方向（ 散射波方向为若干个满足干涉加强条件的方向（不只是镜面 反射方向）； 反射方向）； Bragg散射表现为对入射 散射方向的较强的灵敏度，可用于 散射表现为对入射/散射方向的较强的灵敏度 散射表现为对入射 散射方向的较强的灵敏度， 周期表面波长的测量（ 周期表面波长的测量（SCAT）； ）；
σh =
h= h
∆
h−h
2
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Rayleig判据和Fraunhoffer判据
Rayleigh判据 判据 ∆φ<π/2 Fraunhoffer判据 判据 ∆φ<π/8
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平静海面辐射亮温与海水介电常数的关系
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5.7 自然表面的散射与辐射
概述 海洋和湖泊 水气凝结体 冰和雪 淡水冰 冰川与冰河 海冰 裸岩和沙漠 土壤 植被
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海洋和湖泊
海洋 模型简单； 模型简单； 平静海面的反射率是海水温度和盐度的函数； 平静海面的反射率是海水温度和盐度的函数； 海面反射率随着温度、海面粗糙度的增加而增加； 海面反射率随着温度、海面粗糙度的增加而增加； 对于频率<6GHz的电磁波，发射率随着盐度的增加而增加。 的电磁波， 对于频率 的电磁波 发射率随着盐度的增加而增加。
粗糙度效应
2 2 表面散射： 表面散射： Ei = ? ∑ Ei ∑ 相关叠加与非相关叠加。 相关叠加与非相关叠加。 2 2 Ei = ∑ Ei + ∑∑ Ei* E j ∑ 光滑平面： 光滑平面： 2 = ∑ Ei + ∑∑ Ei ⋅ E j exp(∆φij ) 镜面反射—相关表面散射 相关表面散射。 镜面反射 相关表面散射。 平静水面，机场等。 平静水面，机场等。 粗糙表面 非相关叠加分量占主导地位； 非相关叠加分量占主导地位； 极化对比度降低； 去极化效应 极化对比度降低；
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海水介电常数：SST、SSS；R (θ , f , h) = cosθ − 海水介电常数：SST、SSS；
s
ε r − sin 2 θ
SST 处理方法：Fresnel反射定律 处理方法：Fresnel反射定律
Rs (θ , f , v) =
cos θ + ε r − sin 2 θ
ε r cos θ − ε r − sin 2 θ ε r cos θ + ε r − sin 2 θ
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相关长度与表面斜率
粗糙面散射模型 面元模型 相关长度
C ( x, l ) = h( x), h( x + l ) h( x ) h( x + l )
5.5 粗糙表面的散射与辐射
概述 粗糙的定义 粗糙度效应 小结
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概述
粗糙表面 表面粗糙， 表面粗糙，几何细节可与波长相比 二次源非规则分布 合成散射场方向图 周期性与Bragg散射 周期性与 散射 随机粗糙面
微波遥感理论与技术基础
（第六周）
董晓龙 国家863计划微波遥感技术实验室 国家 计划微波遥感技术实验室 中国科学院空间科学与应用研究中心
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主动微波遥感 测量归一化雷达散射截面（ 测量归一化雷达散射截面（雷 达散射系数） 达散射系数）σ°； 与天线足印或遥感器分辨率无 关。 发射率与雷达散射系数 观测几何； 观测几何； 反射率（介电常数）； 反射率（介电常数）； 表面粗糙度。 表面粗糙度。
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小结
粗糙面散射 决定于入射角； 决定于入射角； 决定于波长度量的表面粗糙度； 决定于波长度量的表面粗糙度； 表面粗糙度参数 均方根高度 相关长度 均方根斜率 分形维数 粗糙面散射 镜面反射+漫散射 镜面反射 漫散射 浅粗糙： 浅粗糙：散射功率集中在一个 较小的角度范围内（ 较小的角度范围内（镜面反射 方向） 方向） 深粗糙： 深粗糙：散射功率向各个方向 发散。 发散。
hsmooth <
λ
8 cos θ i
hsmooth <
λ
8 cos θ i
θi
∆R = ∆xsin θi + hcosθi ∆φ = 2π
λ
⋅ 2∆R
∆R
h
∆x
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第五章：微波与物质的相互作用
连续媒质与大气 微波与分立目标的相互作用 体散射与辐射 光滑表面的反射与辐射 粗糙表面的散射与辐射 周期表面的散射与辐射 自然表面的散射与辐射 特殊的散射体。 特殊的散射体。
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平静海面
高度极化； 高度极化；入射角 重要参数： 重要参数：
TB = e( f ,θ , p )Ts = [1 − r ( f ,θ , p )]Ts
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粗糙的定义
粗糙度： 粗糙度： 表面高度相对平均高度的标准 均方根） 差（均方根） 平均高度的范围： 波长 平均高度的范围：>>波长 粗糙的定义： 粗糙的定义： 双程相位差足够大； 双程相位差足够大； φ ∆ 反射波的叠加主要是非相干叠 加； 相干叠加分量足够小。 相干叠加分量足够小。
粗糙度效应
一般粗糙面散射包括：镜面散射分量和漫散射分量。 一般粗糙面散射包括：镜面散射分量和漫散射分量。
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当界面为理想平面时， 当界面为理想平面时，平面波入射形成的反射波的方向和幅度 满足Snell定律和 定律和Fresnel定理，形成镜面反射； 定理， 满足 定律和 定理 形成镜面反射； 当界面表面具有一定的粗糙度时，散射波向其它方向扩散， 当界面表面具有一定的粗糙度时，散射波向其它方向扩散，散 射波有镜面反射方向的相干散射分量和向各个方向散射的漫散 射分量构成； 射分量构成； 当界面是完全的随机深粗糙的Lanbertian表面时，散射波在各 表面时， 当界面是完全的随机深粗糙的 表面时 个方向的分布没有明显差别，是完全的漫散射。 个方向的分布没有明显差别，是完全的漫散射。