CH3傳感器及其成像原理

1第三章

遙感傳感器及其成像原理2遙感傳感器（Sensor）

遙感傳感器是獲取遙感數(shù)據(jù)的設(shè)備，是遙感技術(shù)最核心的部分，直接用于測(cè)量地物的電磁波特性。傳感器一般結(jié)構(gòu)3傳感器類型（1）按有無(wú)發(fā)射電磁波的能力分主動(dòng)被動(dòng)（2）按是否成像分成像非成像（3）按利用的電磁波段分光學(xué)(0.01微米~1毫米)微波(1毫米~1米)（4）按基本結(jié)構(gòu)原理分：攝影類型的傳感器掃描成像類型的傳感器雷達(dá)成像類型的傳感器非成像類型的傳感器4掃描成像類型傳感器

逐點(diǎn)、逐行地以時(shí)序方式獲取二維圖像。一般利用光學(xué)波段，也可稱為光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器特性光譜特性：傳感器能夠測(cè)量的電磁波波長(zhǎng)范圍、各波段中心波長(zhǎng)、波段寬度。（光譜分辨率）輻射度量特性：指?jìng)鞲衅鬏椛涠攘康撵`敏度，能夠度量的輻射動(dòng)態(tài)范圍。（輻射分辨率）幾何特性：

FOV(FieldofView)：視場(chǎng)，是傳感器能夠受光的范圍，決定成像的寬度；

IFOV(InstantaneousFieldofView)：瞬時(shí)視場(chǎng)，是形成每個(gè)像元的視場(chǎng)，決定地面分辨率。兩種掃描形式：物面掃描：對(duì)地面直接掃描成像，例紅外掃描儀、多光譜掃描儀、自旋和步進(jìn)式成像儀、多頻段頻譜儀等。像面掃描：瞬間在像面上先形成線圖像或二維圖像，然后對(duì)影像進(jìn)行掃描成像，例如線陣列CCD推掃式成像儀、電視攝象機(jī)等。成像光譜儀5紅外掃描儀1．掃描成像過(guò)程２．紅外掃描儀特性３．掃描線的銜接４．熱紅外像片的色調(diào)特征61、掃描成像過(guò)程

旋轉(zhuǎn)棱鏡橫越航線方向掃視第一個(gè)掃描鏡面掃視一次，掃描視場(chǎng)內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進(jìn)入傳感器；（收集器）經(jīng)探測(cè)器輸出視頻信號(hào)，再經(jīng)電子放大器放大和調(diào)制；（探測(cè)器、處理器）在陰極射線管上顯示出一條相應(yīng)于地面掃描視場(chǎng)內(nèi)的景物的圖像線，這條圖像線經(jīng)曝光后在底片上記錄下來(lái)（輸出器）。第二個(gè)掃描鏡面掃視一次，…第三個(gè)掃描鏡面掃視一次，……

飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，膠片同步轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄的下一條圖像正好與前一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相對(duì)應(yīng)的二維條帶圖像。72、紅外掃描儀特性空間分辨率溫度分辨率溫度分辨率與有關(guān)；傳感器系統(tǒng)內(nèi)噪聲等效溫度限制在0.1~0.5K之間;系統(tǒng)的溫度分辨率一般為等效噪聲溫度的2~6倍。探測(cè)器的響應(yīng)率傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲8垂直向下觀測(cè)時(shí)

一般情況下，在設(shè)計(jì)儀器時(shí)已確定，所以的變化僅與H有關(guān)。9傾斜觀測(cè)時(shí)10

因?yàn)?，且它們隨掃描角變化而變化，所以紅外圖像上必然產(chǎn)生畸變。全景畸變

全景畸變是紅外掃描儀這種成像方式所固有的現(xiàn)象，在使用紅外掃描圖像時(shí)一定要注意。11其中：為飛機(jī)的地速；為探測(cè)器地面分辨率；為旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描一次的時(shí)間。3、掃描線的銜接要讓每?jī)纱螔呙桡暯?，必須滿足：將出現(xiàn)掃描漏洞；將出現(xiàn)掃描重疊。進(jìn)一步地，

因此，只要速度和航高之比為一常數(shù)，就能使掃描線正確銜接。124、熱紅外像片的色調(diào)特征熱紅外像片上的色調(diào)變化與相應(yīng)地物的輻射強(qiáng)度變化成函數(shù)關(guān)系；與地物輻射強(qiáng)度有關(guān)的因素：地物的發(fā)射率地物的溫度地物輻射強(qiáng)度的變化對(duì)溫度更為敏感；溫度的變化在圖像上能產(chǎn)生較高的色調(diào)差別。13多光譜掃描儀MSS（MultispectralScanner）TM（ThematicMapper）ETM（EnhancedThematicMapper）14MSSMSS結(jié)構(gòu)成像過(guò)程地面接收及產(chǎn)品151、MSS結(jié)構(gòu)掃描反射鏡橢圓形、表面鍍銀，擺動(dòng)幅度為2.89度，頻率為13.62赫茲，周期為73.42毫秒，總視場(chǎng)角為11.56度?？色@取垂直飛行方向兩邊共185公里范圍內(nèi)景物的輻射能量，配合飛行器的運(yùn)動(dòng)獲得地表的二維圖像。反射鏡組包括主、次反射鏡組，將掃描鏡反射進(jìn)入的地面景物聚焦在成像板上。

成像板

排列24+2個(gè)玻璃纖維單元。分四列，每列對(duì)應(yīng)一個(gè)波段。每個(gè)纖維單元瞬時(shí)視場(chǎng)為86微弧。探測(cè)器個(gè)數(shù)與玻璃纖維單元個(gè)數(shù)相同，類型與波段有關(guān)。能將輻射能變成電信號(hào)輸出。16成像板172、成像過(guò)程掃描一次每個(gè)波段獲取6條掃描線圖像，對(duì)應(yīng)地面范圍為474米x185公里。在掃描一次的時(shí)間里衛(wèi)星往前正好運(yùn)動(dòng)474米，掃描線正好銜接。但因地球自轉(zhuǎn)，掃描位置有向西移位現(xiàn)象。成像板上的光學(xué)纖維將接收的輻射能傳遞到探測(cè)器，對(duì)探測(cè)器的輸出進(jìn)行采樣、編碼（A/D轉(zhuǎn)換），饋入天線向地面發(fā)送。18193、地面接收及產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)地面接收由遙感地面接收站完成；接收站主要接收遙感圖像信息衛(wèi)星姿態(tài)、星歷參數(shù)

地面接收站包括天線及伺服系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、模擬檢測(cè)系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)、信標(biāo)塔等。20MSS產(chǎn)品粗加工產(chǎn)品

經(jīng)過(guò)輻射校準(zhǔn)、幾何校正、分幅注記精加工產(chǎn)品

在粗加工的基礎(chǔ)上，用地面控制點(diǎn)進(jìn)行了糾正特殊處理產(chǎn)品

根據(jù)用戶的要求做了一些特殊處理21

對(duì)MSS的主要改進(jìn)：掃描行垂直于飛行軌道；往返雙向都對(duì)地面掃描；（掃描改正器）更高的空間分辨率；更好的頻譜選擇；更好的幾何保真度；更高的輻射準(zhǔn)確度和輻射分辨率。TM22TM空間分辨率探測(cè)器100個(gè)探測(cè)器，分7個(gè)波段TM1~5、7：每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)為30米x30米TM6：每個(gè)探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)為120米X120米一次掃描成像為地面的480米x185公里23TM波段選擇通道波長(zhǎng)范圍（微米）

特征TM10.45~0.52(藍(lán))對(duì)針葉林識(shí)別能力強(qiáng)TM20.52~0.60(綠)與TM1合成，能顯示水體的藍(lán)綠比值，用來(lái)估測(cè)可溶性有機(jī)物和浮游生物TM30.63~0.69(紅)識(shí)別土壤邊界和地質(zhì)界線的最有利的光譜區(qū)TM40.76~0.90(紅外)識(shí)別植物的有利波段，TM2/TM4對(duì)綠色生物量和植物含水量敏感TM51.55~1.75(紅外)可用來(lái)進(jìn)行收成中干旱的監(jiān)測(cè)和植物生物量的確定；也可用來(lái)區(qū)分不同類型的巖石，區(qū)分云、地面冰和雪；確定濕土和土壤的濕度TM610.4~12.6(熱紅外)用于植物分類，農(nóng)作物估產(chǎn)，用于熱制圖和熱慣量制圖實(shí)驗(yàn)TM72.08~2.35(紅外)用于地質(zhì)制圖，特別是熱液變巖環(huán)制圖，還可用于識(shí)別農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)24輻射準(zhǔn)確度和較高輻射分辨率是定量遙感的基礎(chǔ)。掃描儀內(nèi)設(shè)有一個(gè)白熾燈，用來(lái)作可見(jiàn)光和近紅外波段的標(biāo)準(zhǔn)源；TM6用黑體源作為校正源。每個(gè)像元的亮度值用8bit編碼。25ETM+對(duì)TM的改進(jìn):增加了一個(gè)分辨率為15米的PAN波段（0.5~0.9微米);使TM6的分辨率提高到60米;改進(jìn)后的太陽(yáng)定標(biāo)器使衛(wèi)星的輻射定標(biāo)精度大大提高。26HRV

（HighResolutionVisibleRangeInstrument）HRV的結(jié)構(gòu)HRV的成像原理HRV立體觀測(cè)27CCD——ChargeCoupledDevice，電荷藕合器件，可做可見(jiàn)光和近紅外波段的探測(cè)元件。28

SPOT衛(wèi)星上的兩種HRV：

多光譜型HRV全色HRV三個(gè)波段：波段10.5~0.59微米波段20.61~0.68微米波段30.79~0.89微米每個(gè)元件地面分辨率為20米x20米,3000個(gè)CCD形成的圖像線為地面20米x60公里,每個(gè)像元亮度用8bit編碼。每個(gè)元件地面分辨率為10米x10米,6000個(gè)CCD形成的圖像線為地面10米x60公里,像元亮度用6bit進(jìn)行差值編碼。波段范圍

0.51~0.73微米CCDHRV成像原理29線陣列探測(cè)器在瞬間能同時(shí)得到垂直航線的一條圖像線，不需要用擺動(dòng)的掃描鏡，以“推掃”方式獲取沿軌道的連續(xù)圖像條帶。30SPOT上并排安裝兩臺(tái)HRV，每臺(tái)視場(chǎng)寬都為60KM，兩者間有3KM重疊，總視場(chǎng)寬為117KM；相鄰軌道間約有9KM重疊。31HRV立體觀測(cè)平面反射鏡可向左右兩側(cè)旋轉(zhuǎn)，最大角度達(dá)27度，從而實(shí)現(xiàn)傾斜觀測(cè)；軌道間立體觀測(cè)；通過(guò)軌道間重復(fù)觀測(cè)，可建立立體模型；可獲取多時(shí)相圖像。32成像光譜儀

—高光譜遙感譜像合一

空間成像技術(shù)地物光譜技術(shù)成像光譜儀對(duì)同一地區(qū)同時(shí)獲取幾十個(gè)到幾百個(gè)波段的地物反射光譜圖像更高技術(shù)要求：集光系統(tǒng)分光系統(tǒng)探測(cè)器元件

盡量使用反射式光學(xué)系統(tǒng)，采用能消去球面像差、像散差和畸變像差的非球面補(bǔ)償鏡頭由狹縫、平行光管、棱鏡和繞射光柵組成由成千上百個(gè)探測(cè)元件組成線陣33兩種類型面陣探測(cè)器+推掃式掃描用線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用色散元件將收集到的光譜信息分散成若干個(gè)波段后，分別成像于面陣列的不同行。利用色散元件和面陣探測(cè)器完成光譜掃描；利用線陣探測(cè)器及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描?？臻g分辨率高。34線陣探測(cè)器+光機(jī)掃描利用點(diǎn)探測(cè)器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別成像于線陣列探測(cè)器的不同元件上。通過(guò)點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向的運(yùn)行完成空間掃描；利用線探測(cè)器完成光譜掃描。3536雷達(dá)成像類型傳感器利用波長(zhǎng)1cm~1m的微波波段進(jìn)行遙感主動(dòng)式、成像、微波傳感器不受天氣的制約，可進(jìn)行全天候觀測(cè)距離測(cè)量系統(tǒng)37雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工作原理

發(fā)射機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制，經(jīng)天線向觀測(cè)地區(qū)發(fā)射；地物反射脈沖信號(hào)，也由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制進(jìn)入接收機(jī)，接收的信號(hào)在顯示器上顯示，或記錄在磁帶上。

其中包含系統(tǒng)參數(shù)如雷達(dá)波的波長(zhǎng)、發(fā)射功率、照射面積和方向、極化等；以及目標(biāo)參數(shù)如地物的復(fù)介電常數(shù)，地面粗糙等等。到目標(biāo)的距離、方位與目標(biāo)的相對(duì)速度目標(biāo)的反射特性

雷達(dá)接收回波距離：回波強(qiáng)度：38主要內(nèi)容真實(shí)孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征相干雷達(dá)39真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)發(fā)射機(jī)向側(cè)向面內(nèi)發(fā)射一束脈沖，被地物反射后，由天線接收；由于地面各點(diǎn)到雷達(dá)的距離不同，接收機(jī)收到許多信號(hào)，以它們到雷達(dá)距離的遠(yuǎn)近，先后依序記錄；信號(hào)的強(qiáng)度除與系統(tǒng)參數(shù)外，還與輻照帶內(nèi)各種地物的特性、形狀、坡向等有關(guān)；回波信號(hào)經(jīng)電子處理器處理后形成的圖象線被記錄；隨著飛機(jī)的飛行，對(duì)一條條輔照帶連續(xù)掃描，得到由回波信號(hào)強(qiáng)弱表示的條帶圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的二維掃描。一、成像過(guò)程:40二、分辨率距離分辨率在脈沖發(fā)射的方向上，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。方位分辨率

指相鄰的兩束脈沖之間，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離。

41對(duì)分辨率的討論：距離分辨率距離分辨率與距離并無(wú)關(guān)系可采用減小脈沖寬度的方法改善距離向分辨率減小脈沖寬度是有一定限度的方位分辨率要提高方位分辨率，理論上可采用波長(zhǎng)較短的電磁波，加大天線孔徑和縮短觀測(cè)距離的方法但三種方法，使用時(shí)均受到一定限制可采用合成孔徑技術(shù)來(lái)改善方位分辨率42合成孔徑雷達(dá)

（SyntheticApertureRadar）一、工作原理：用一個(gè)小天線作為單個(gè)輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動(dòng)；在移動(dòng)中選擇若干個(gè)位置，在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)信號(hào)，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號(hào)貯存記錄下來(lái)，存儲(chǔ)時(shí)必須同時(shí)保存接收信號(hào)的幅度和相位；如果把真實(shí)孔徑天線劃分成許多小單元，則每個(gè)小單元接收回波信號(hào)的過(guò)程與合成孔徑天線在不同位置上接收回波的過(guò)程相似；每個(gè)信號(hào)由于目標(biāo)到飛機(jī)之間球面波的距離不同，相位和幅度也不同，不過(guò)其變化有規(guī)律可循；由接收信號(hào)形成的圖像是相干圖像，需經(jīng)處理后，才能恢復(fù)地面的實(shí)際圖像。43444546二、合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨率則用合成孔徑雷達(dá)的實(shí)際天線孔徑來(lái)成像用合成孔徑技術(shù)后例：若天線孔徑為8m，波長(zhǎng)為4cm，目標(biāo)與飛機(jī)間的距離為400km47側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征斜距投影48

幾何特征

1、比例尺:垂直飛行方向(y)的比例尺由小變大。2、Forshortening

Layover

Shadowing山體前傾，朝向傳感器的山坡影像被壓縮，背向傳感器的山坡被拉長(zhǎng)。會(huì)出現(xiàn)不同地物的重影現(xiàn)象陰影區(qū)地物無(wú)回波信號(hào)493、高差產(chǎn)生的投影差與中心投影差位移的方向相反，位移量也不同。4、雷達(dá)立體圖像的構(gòu)像特點(diǎn)兩種立體成像方式：同側(cè)獲取立體像對(duì)異側(cè)獲取立體像對(duì)50相干雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)二維成像SAR

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量InSAR將由雷達(dá)影像復(fù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的雷達(dá)信號(hào)的相位信息作為信息源，利用這些相位信息提取