星载全极化sar观测低频波段faraday旋转效应分析与消除

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1、引言目前，对地表深层的遥感探测是国内外遥感研究的趋势和热点之一，研究植被底层与地表下层(0～5m)的水分垂直分布对于全球变化、陆地水文过程、全球碳平衡等都具有关键影响，这就是进行植被下层与次地表层的微波观测MOSS(microwaveobservationofsubcanopyandsubsurface)的基本目标【1～6】。次地表层土壤湿度是进行气象学、生态学、水文学研究的重要参数，在地表和大气的能量交换中扮演着重要的角色，深层土壤湿度及其动态变化影响流域或全球水文变化、水分蒸发、运移、流失、排水等过程，水分蒸发量

2、是全球水循环和碳循环的重要影响因子。土壤湿度信息可用于早期干旱、洪涝预报、灌溉计划、农作物产量估计，是农林植物生态环境的一个重要指标。星载SAR(合成孔径雷达)以其全天候、全天时对全球地表高分辨率成像观测的能力引起各界高度重视。十多年来，关于星载SAR的应用研究络绎不绝，星载SAR应用已经并正在取得显著的社会和经济效益。资料的应用日趋广泛，应用深度逐渐加深，正从定性向定量、从试验性应用向业务应用方向发展。从本世纪末到下世纪初，星载SAR资料将进入全面应用阶段。国内外星载SAR遥感与对地监测大多在L、C、X、Ku波段，

3、即使低频的嵫段也只能探测非密集的植被(生物量～4k咖2)与分米量级浅层地表，对地表的穿透能力弱。为观测到植被底层(密集植被生物量达～20k咖z)与地表下层，需要采用UH聊F(如435MI-lz、135MHz)，但是，如UH唧F波段的星载SAR有显著的Faraday旋转(FR)效应。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，电离层是磁等离子体，也是随机不均匀介质，在地磁场的作用下，对极化电磁波传播产生FR效应，使电波极化平面旋转【7，8】。由于FR与波长两次方成正比，因此在

4、L波段以下的波段对于SAR观测产生特别明显的影响，如：FR使同极化区别减小、交叉极化变大，这直接影响SAR数据图像的正确解释与地面信息的准确提取。但是，P波段等都是地面下层土壤水分垂直分布与干旱季变化研究的理想波段，因为在高频波段地表覆盖植被散射很强，将遮蔽下垫地表的散射与辐射。在地磁场的作用下，各向异性的电离层对极化电磁波传播产生FR效应。极化波线极化基发生FR偏转角的大小与波长、电离层电子密度、地磁场强度、波传播方向与地磁场的夹角，以及波的入射角有关【7】。P波段的FR角度可达几十。，SAR观测到的极化散射强度或

5、Mueller矩阵包含了FR后产生的各极化强度的耦合，扭曲了地表极化散射的实际状态。在单一极化测量中，即使知道FR角度，也无法根据FR后单一极化测量反推无FR的极化数据【8】。k曾就L波段被动遥感探测海洋表面盐度为例，试分析电波在电离层传播时的耗3散和散发效应，证明FR效应可能造成较大的盐度测量误差，而耗散和散发效应可以忽略【7】。Simon在假定被测地表方位角对称，观察无方向性的条件下，分析FR效应对被动遥感的影响，根据FR后的Stokes第二、三参数近似推断FR角度【9】。本文着重讨论主动遥感模式下的FR效应。在

6、1994年JPL航天飞机SIR．C全极化SAR的实验之后，随着2006年1月ALOS、2007年3月Radarsat．2全极化SAR的运行，全极化SAR遥感已成为一个重要的研究方向。全极化SAR遥感提供了地球环境极化散射综合的丰富信息。Rignot曾以不同时期同一地区的嗽段SIR．C地表数据为依据，研究FR效应对SAR干涉测量的影响，认为当电离层电子活动不频繁时，FR效应可以忽略，而当电子活动较强时，FR效应可能使SIR．C地表图像数据失真[101。对于主动遥感模式下的FR效应问题，Freeman提出可由FR后的全极

7、化测量的2X2维复散射矩阵推导无FR效应时的复散射矩阵。但同时也指出该推导存在±p／2的模糊误差【11】，而这一误差仍是关键的不确定因素。本文首先根据电离层中电波传播的物理机制，以洛伦兹力定律和牛顿定律为起点，推导忽略碰撞情况下的Appleton．Hartre公式，根据电离层中波传播的两种模式，近似推导FR角度公式，同时证明圆极化波不受FR影响。接着分析FR效应对全极化散射矩阵的影响，推导全极化Mueller矩阵FR前后的关系式，分析FR对各极化信息的影响与FR角度的关系。后以美国Colorado州Tabernash

8、城镇附近区域SAR图像为例，采用a，风A经典三参数法【12】和去取向【13】地表分类方法证明FR后的低频波段全极化测量不可以直接用于地表分类，但证明了由FR后的全极化测量推导无FR的全极化数据时存在的+_p／2模糊误差并不影响地表分类参数“，V，凰a的计算，因此可以从全极化测量经无FR效应转换后形成的口，'，，且a进行地表分类；进一步地，根据F