李貝貝，張光鋒，婁國(guó)偉，周璐艷，劉 靜

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

基于毫米波輻射特性的水面植被檢測(cè)方法

李貝貝，張光鋒，婁國(guó)偉，周璐艷，劉 靜

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

針對(duì)采用3 mm波段輻射計(jì)對(duì)水面植被輻射特性進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題，在研究分析了水面的亮度溫度和水面植被的介電特性的基礎(chǔ)上，采用相干法建立了水面植被輻射特性的多層介質(zhì)模型，與3層介質(zhì)模型相比，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合，表明多層介質(zhì)模型能更精確地模擬水面植被的輻射特性；通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，在不同的入射角下，水面植被亮溫相比水面亮溫均有上升，說(shuō)明水面相比植被具有亮溫低、冷目標(biāo)的毫米波輻射特征，可利用毫米波輻射特性監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水面植被。

多層介質(zhì)模型；毫米波；水面植被；輻射特性

0 引言

遙感技術(shù)主要有紅外式、激光式和毫米波式等，其中毫米波式與紅外式和激光式相比，具有全天候、探測(cè)精度高和隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。這些特點(diǎn)使其在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、環(huán)境、測(cè)繪與軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于毫米波輻射研究涉及有海洋、土壤、月壤等[2-4]，對(duì)于目標(biāo)輻射特性研究主要涉及有草地、金屬、水面等[5]。較少采用毫米波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)水面植被，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型尚不完善。在遙感領(lǐng)域水面植被監(jiān)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)中科院的譚衢霖博士使用多源遙感影像數(shù)據(jù)(LandsatTM/ETM、RadarsatSAR和TerraMoids數(shù)據(jù)等)對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)研究[6]，華東師范大學(xué)的王甘霖博士利用MODIS數(shù)據(jù)和合成孔徑雷達(dá)(SAR)聯(lián)合監(jiān)測(cè)太湖藍(lán)藻水華，對(duì)太湖的藍(lán)藻水華主被動(dòng)遙感結(jié)合監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究[7]。

對(duì)于水污染及生態(tài)環(huán)境方面，再通過(guò)對(duì)污染區(qū)域的實(shí)地調(diào)查針對(duì)采用毫米波輻射計(jì)檢測(cè)水面植被的問(wèn)題，分析了水面植被輻射特性，在此基礎(chǔ)上采用相干法建立了水面植被毫米波輻射特性多層介質(zhì)模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 基本原理

由毫米波波段的理論研究及測(cè)試可知，不同物體發(fā)射、吸收和散射電磁輻射的能力存在異同，這種能力受到物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、介電常數(shù)及溫度的空間分布狀況影響。因此可以采用毫米波輻射計(jì)測(cè)量物體的亮度溫度，從而區(qū)分出不同的物體。其基本過(guò)程為：從毫米波輻射計(jì)得到輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)定標(biāo)方程對(duì)其進(jìn)行換算，算出天線實(shí)際溫度，不一樣的天線需要用不同的反演方式，且得出的視在溫度與測(cè)量高度有關(guān)。最終，目標(biāo)的亮度溫度通過(guò)輻射傳遞方程得出。

因物體的輻射特性受到其本身復(fù)介電常數(shù)影的響，研究和測(cè)量目標(biāo)的復(fù)介電常數(shù)十分關(guān)鍵，故研究了影響水面植被復(fù)介電常數(shù)的因素，在此基礎(chǔ)上利用相干法建立了水面植被輻射特性的多層介質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并研究了該模型得到水面植被的3mm波段的輻射特性[8]。

1.1 水面亮度溫度分析

由于毫米波僅可以穿透水體的表面，通常情況下，水體可以看作均質(zhì)等溫物體，其亮溫可以表示為：

(1)

其中:θ是入射角，TS是水體的熱力學(xué)溫度。Γ(θ;p)表示的是空氣與水分界面的反射率。

(2)

(3)

其中:v代表垂直極化，h代表水平極化。P和Q分別為：

(4)

1.2 水面植被介電特性分析

植被的復(fù)介電常數(shù)受多種因素影響，植被含水量、電磁波頻率等因素都影響著植被的復(fù)介電特性[9]。

植被體內(nèi)都含有一定量的水分，而水的介電常數(shù)一般較高，因此，植被的介電特性在較大程度上取決于自身的含水量，經(jīng)典的Debye-Cole雙頻散射模型和中科院李震等[10]建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投甲C實(shí)植被的復(fù)介電常數(shù)會(huì)隨其內(nèi)部含水量的增加而增大。此外，水分狀態(tài)對(duì)介電常數(shù)也有一定影響，通常情況認(rèn)為植被由干物質(zhì)、結(jié)合水、自由水三部分組成，其介電常數(shù)公式為：

(5)

其中:εr是植物體的介電常數(shù)，vfw，εf分別是自由水的體積含量及其介電常數(shù)，vb，εb分別是結(jié)合水和與其結(jié)合植物的體積含量及結(jié)合水介電常數(shù)。在常溫22 ℃下，植被介電常數(shù)公式為：

(6)

式中，f為頻率(GHz)，σ為自由水電導(dǎo)率(S/m)。由式(6)可知，結(jié)合水、自由水所占不同比例對(duì)介電常數(shù)也有影響[11]。

植被由干物質(zhì)和水構(gòu)成，頻率對(duì)干物質(zhì)的介電常數(shù)影響很微弱，但頻率對(duì)水的介電常數(shù)影響非常大，根據(jù)Ulaby等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，植被的復(fù)介電常數(shù)隨頻率的變化遵循一定的規(guī)律：頻率增加，復(fù)介電常數(shù)實(shí)部單調(diào)遞減，虛部在低頻處先減小，達(dá)到一個(gè)極小值后再增加，最后趨于穩(wěn)定。

2 水面植被多層介質(zhì)建模及實(shí)驗(yàn)

2.1 多層介質(zhì)建模原理

目標(biāo)反射的電磁波是由通過(guò)其表面向上傳播的所有電磁波相加得到，為此引入有效反射率的概念。相干法和非相干法是求解非均勻物質(zhì)有效反射率的主要方法[13]，相干法考慮了反射波的幅度和相位，非相干法僅受反射波幅度影響，相干法能夠反映電磁波隨著材料厚度震蕩衰減的特性，精確度較高。綜上，采用相干法建立水面植被的多層介質(zhì)模型。

相干法的理論基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論，通過(guò)相干法求得物質(zhì)和空氣分界面上的反射系數(shù)R(θ,p)，入射角用θ表示，極化方式用p表示，進(jìn)而求得有效反射率。這種方法以下兩個(gè)條件制約：(1)厚度是影響介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)的唯一因素；(2)介質(zhì)內(nèi)部的體散射忽略不計(jì)，同時(shí)要將不同介質(zhì)間的電磁波傳遞近似為點(diǎn)與點(diǎn)之間的傳遞。由于水面植被是多層介質(zhì)，通常使用等效傳輸線法來(lái)求得多層介質(zhì)的相干反射系數(shù)。

2.2 水面植被多層介質(zhì)建模

由于在水面植被中，植被葉片常有層疊，葉片之間有一定厚度的空氣間隙，因而建立水面植被多層模型如圖1所示。每一層的復(fù)介電常數(shù)用εri表示、磁導(dǎo)率用μri表示，本質(zhì)阻抗用ηri表示。

圖1 水面植被多層介質(zhì)模型

(7)

(8)

(9)

(10)

圖2(a)為圖1等效傳輸線的多層模型，圖2(b)為簡(jiǎn)化后的模型。根據(jù)i-1次迭代，最終的反射系數(shù)為Rt。根據(jù)推導(dǎo)，可以得到:

(11)

圖2 等效傳輸線法多層模型及簡(jiǎn)化模型

根據(jù)反射系數(shù)與相干反射率的關(guān)系，可以求得最終的相干反射率Γc：

(12)

設(shè)定水面植被的熱力學(xué)溫度為Tg，則水面植被的表面亮溫為：

(13)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證建立模型的正確性，在宜興太湖流域進(jìn)行了室外真實(shí)3 mm波段水面植被輻射特性實(shí)驗(yàn)。并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與建立的水面植被多層模型仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，從而驗(yàn)證模型的正確性。測(cè)試時(shí)間為18時(shí)，室外實(shí)驗(yàn)條件：溫度：34℃，濕度44%，西南風(fēng)2級(jí)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先測(cè)量水面的3 mm波輻射特性，在岸邊放置3 mm輻射計(jì)，之后搖動(dòng)天線手柄，掃描的過(guò)程中每隔一個(gè)角度讀取輻射計(jì)顯示的電壓讀數(shù)，得到了不同入射角時(shí)水面的輻射特性數(shù)據(jù)。然后以水面植被為目標(biāo)，使輻射計(jì)以不同入射角掃過(guò)90°，得到了探測(cè)目標(biāo)為水面植被時(shí)的數(shù)據(jù)。

輻射計(jì)測(cè)量的電壓值需要通過(guò)定標(biāo)方程轉(zhuǎn)換為亮溫值，由于3 mm輻射計(jì)的天線孔徑很小，所以天線溫度基本可以等效為物體的視在溫度。本次實(shí)驗(yàn)采用整體定標(biāo)法進(jìn)行定標(biāo)。測(cè)量吸波材料、天頂和水面輻射特性如表1所示，其中吸波材料和天頂測(cè)量條件均為天線口面正對(duì)物體，測(cè)量水面和草地時(shí)入射角為45°，本實(shí)驗(yàn)采用3 mm波段的垂直極化入射波。因室外溫度較高，故而水面亮溫測(cè)量值較高。

表1 典型地物的3 mm波段輻射特性測(cè)量

文獻(xiàn)[14]中研究了一種水面植被3層模型，由于水面植被葉片常有層疊，葉片之間有一定厚度的空氣間隙，因而對(duì)于上文建立的多層模型，分別取層數(shù)i為3、5、7，因?yàn)槊恐丿B一次葉片，同時(shí)會(huì)增加一層空氣間隙層。根據(jù)水面植被多層模型，由公式13仿真得出入射角為45°時(shí)，水面植被亮溫隨植被厚度變化關(guān)系如圖3所示。隨著植被厚度增加，亮溫呈震蕩增加趨勢(shì)，即有效反射率為震蕩衰減趨勢(shì)。這和前文所述的相干法考慮電磁波的相位，其結(jié)果會(huì)具有震蕩衰減的特征一致。

圖3 45°入射角仿真數(shù)據(jù)

3 mm波段水面植被亮溫與入射角的關(guān)系的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)入射角分別為65°、60°、55°、50°和45°。以實(shí)驗(yàn)值為真值，分別求得7層、5層、3層介質(zhì)模型的均方根誤差為3.92，8.52，25.6，可以看出，7層模型誤差最小，但同時(shí)計(jì)算量較高，5層模型較3層模型而言，精確度已有較大提高，在不嚴(yán)格要求精確度的情況下，選擇5層模型進(jìn)行仿真較為合適。

圖4 3 mm波段水面植被亮溫實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5給出了固定住入射角，改變水平掃掠角，輻射計(jì)測(cè)得的亮溫變化。當(dāng)水平掃掠角為0時(shí)，相當(dāng)于接收到水面的亮溫，最高點(diǎn)為該入射角情況下接收到的水面植被的亮溫?？梢钥吹?，入射角45°、50°、55°、60°、65°時(shí)，水面植被的亮溫分別比水面的高出19.5 K、20 K、20.6 K、21.3 K和21.5 K。在不同入射角下，水面植被的輻射亮溫均比水面的輻射亮溫高出7.7%以上。綜上，實(shí)驗(yàn)證明了采用3 mm毫米波輻射計(jì)能夠通過(guò)輻射亮溫的差異，從水面中有效地區(qū)分出水面植被。

圖5 輻射亮溫隨水平掃掠角變化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文研究了3 mm波段輻射計(jì)監(jiān)測(cè)水面植被的問(wèn)題，采用相干法建立了水面植被多層介質(zhì)模型。與3層模型相比，多層介質(zhì)模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合，精確度更高。由于測(cè)試時(shí)環(huán)境物理溫度較高，且為近場(chǎng)測(cè)試，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差，但仍可表明，在3 mm波段，水面植被的輻射亮溫與所在水面的輻射亮溫相比，差異明顯，可以利用該特性監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)水面植被情況。在毫米波輻射成像領(lǐng)域，與相比8mm波段而言，3 mm波段空間分辨率較高，有利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像處理[15]，擬進(jìn)一步進(jìn)行水面植被輻射成像研究。

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Detective Method for Aquatic Vegetation Based on Millimeter Wave Radiant Characteristics

Li Beibei, Zhang Guangfeng, Lou Guowei, Zhou Luyan, Liu Jing

(School of Electronic Engineering and Optoeletronic Technology，NUST，Nanjing 210094，China)

Aim at the measurement of radiant characteristics of aquatic vegetation which use a 3mm radiometer, base on the study of water’s brightness temperatures and aquatic vegetation’s radiant characteristics. The establishment of multilayer dielectric model about aquatic vegetation is based on coherent method. Compared to 3 layer dielectric model, this model’s result is in better accordance with the experimental data. this shows that the multilayer dielectric model can model aquatic vegetation’s radiant characteristics more precisely. The experiment shows that the aquatic vegetation’s brightness temperature is higher than water's in different incident angles. This result shows that water has millimeter wave radiant characteristics of low brightness temperature、cold target compared to aquatic vegetation, so the radiant characteristics can be used to monitor aquatic vegetation .

multilayer dielectric model; millimeter wave; aquatic vegetation; radiant characteristic

2015-12-18；

2016-03-07。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61371038)。

李貝貝(1990-)，女，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事毫米波、亞毫米波測(cè)量技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0045-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.013

TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A