第四章-傳感器及成像特點(diǎn)-2

1、1、傳感器的組成 2、傳感器類型及成像原理 3、典型傳感器成像原理 4、遙感地面接收站 5、遙感圖像的特征,第四章遙感傳感器及其成像原理,1,以CCD為探測元件的固體自掃描成像遙感器,2,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,CCD-Charge Coupling Device 電荷耦合器件 是一塊有許多小的光電二極管構(gòu)成的固態(tài)電子元件 -其中的每個(gè)CCD單元都能感受光線的強(qiáng)弱-并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其相應(yīng)強(qiáng)弱的微小電流- 連續(xù)量的電模擬信號,3,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,電子掃描裝置 接收由CCD傳輸來的電信號取樣、量化 將這種強(qiáng)弱不斷變化的連續(xù)電流轉(zhuǎn)

2、變?yōu)橐贿B串的以電脈沖表示的二進(jìn)制數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)字存儲(chǔ)器,4,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,CCD 的工作原理: CCD是一種用電荷量表示信號強(qiáng)弱,用耦合方式傳遞信號的全固體化半導(dǎo)體表面器件 固體器件-其受激電荷靠電子或空穴運(yùn)載在固體內(nèi)移動(dòng) 由于硅(Si)具有探測0.41.1m可見光及近紅外波的能力-CCD一般由硅制成MOS (Matal-Oxide-Silicon金屬-氧化物-硅)結(jié)構(gòu)電容作為光敏感元,5,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,CCD三種主要功能: 光電轉(zhuǎn)換-入射輻射在MOS電容(CCD元) 上產(chǎn)生與光亮度成正比的電荷 電荷積累-當(dāng)電

3、壓加到CCD電極上時(shí)在硅層形成電位勢阱-電荷在勢阱內(nèi)積累 電荷轉(zhuǎn)移-加高壓形成深勢阱, 加低壓形成的勢阱淺-電荷可進(jìn)行轉(zhuǎn)移-實(shí)現(xiàn)信號傳輸,6,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,線列(陣)CCD: CCD光敏元的排列方向與平臺的飛行方向垂直, 由線列CCD自身完成一維掃描,靠平臺運(yùn)動(dòng)完成另一維掃描,形成條帶狀二維影 像。 地面分辨率取決于CCD元的大小,7,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,線列CCD光敏元的數(shù)目等于行掃方向上的像元數(shù) 如HRV 多波段3000個(gè) 全色波段6000個(gè) 各光敏元同時(shí)露光，每個(gè)光敏元積累的與目標(biāo)物輻射強(qiáng)度成正比的電荷量通過耦合方

4、式轉(zhuǎn)移輸出，而不同于其它探測器輸出的是電壓信號。,8,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,推掃式掃描儀（Push-Broom) SPOT衛(wèi)星 HRV： High Resolution Visible Sensor -高分辨率可見光遙感器,9,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,面陣CCD 矩陣式排列的CCD元可象膠片一樣同時(shí)曝光 -記錄整幅畫面,10,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,固體自掃描成像遙感器特點(diǎn)： .一改光機(jī)掃描的逐點(diǎn)掃描為逐行掃描、逐面 掃描-革除了機(jī)械部件,簡化了結(jié)構(gòu),避免了因振動(dòng) 引起的噪聲； .光敏元同時(shí)曝光-延長了

5、信號駐留時(shí)間,提高 了遙感器的靈敏度； .波譜響應(yīng)范圍寬-硅光敏元可探測0.41.1m; .無畸變、體積小、功耗低、壽命長可靠性強(qiáng)。 使成像遙感器的結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性變革,11,（4）固體自掃描遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,地面帶寬60km,SPOT衛(wèi)星平臺上安裝了兩臺HRV儀器，每臺視場都為60KM，兩者之間有3KM的重疊，總視場為117KM。 相鄰軌道間在赤道處約為108KM，垂直地面觀測時(shí)，相鄰軌道的影像約有9KM的重疊。 共觀測369圈（26天）實(shí)現(xiàn)對全球北緯81.3度和南緯81.3度之間的地表全覆蓋。,12,（5）SPOT成像,4.3 典型遙感器的成像原理,以“推掃”方式獲取沿

6、軌道的連續(xù)圖像條帶 多光譜型的HRV 地面上總的視場寬度為60km 三個(gè)譜段,每個(gè)波段探測器組由3000個(gè)CCD元件組成 每個(gè)元件形成的像元，相對地面上為20m20m 波段1（0.50-0.59） 波段2（0.61-0.68） 波段3（0.79-0.89） 全色的HRV 波段范圍0.510.73m, 6000個(gè)CCD元件組成一行 每個(gè)像元地面的大小為10m10m,13,（5）SPOT成像,4.3 典型遙感器的成像原理,反射鏡左右傾斜最大為27度，有立體觀測能力,鄰軌立體,14,（5）SPOT成像,4.3 典型遙感器的成像原理,SPOT4 1）全色波段0.51-0.73m改為波段(0.61-0.

7、68m) 2）增加了一個(gè)SWIR（Short Wave Infrared，短波紅外）波段。,15,（5）SPOT成像,4.3 典型遙感器的成像原理,成像光譜儀 是一種兼具高空間分辨率和高波譜分辨率、譜像合一 的新型超多波段 掃描成像遙感器,16,（6）高光譜遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,成像形式：1、 線陣掃描 2、面陣推掃,17,（6）高光譜遙感器,4.3 典型遙感器的成像原理,成像雷達(dá)-主要指工作在微波波段（0.8100cm） 有源主動(dòng)、天線側(cè)向掃描、能產(chǎn)生高分辨率影像的成像雷達(dá) 。,18,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,成像雷達(dá) 是指用雷達(dá)一點(diǎn)一點(diǎn)地測量來自地球的回

8、波信號，并以模擬形式記錄成圖像或以數(shù)字形式記錄在磁帶上的雷達(dá)系統(tǒng)它必須相對于地面（探測目標(biāo)） 運(yùn)動(dòng)，即必須搭載 在飛機(jī)、衛(wèi)星或航 天飛機(jī)上,19,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,RA-SLR -Real Aperture Side-looking Radar真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)（非相干雷達(dá)） SA-SLR -Synthetic Aperture Side-looking Radar 合成孔徑側(cè)視雷達(dá),20,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,后向散射回波 裝在平臺一側(cè)或兩側(cè)的水平孔徑天線，將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高功率微波短脈沖，側(cè)向發(fā)射出去，以窄的扇形波束掃過地面一條窄帶。 微波遇

9、目標(biāo)后發(fā)生 反射和散射，其中沿發(fā) 射方向返回的部分稱后向散射回波,21,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,斜距(R):天線至目標(biāo)的徑向距離 地面距離(Rg):從航跡(地面軌跡)到目標(biāo)的水平距離 被雷達(dá)微波掃過的窄帶地面上，至天線距離不同的目標(biāo)(X、Y、Z)，其回波按返回雷達(dá)接收機(jī)的時(shí)間先后,在與目標(biāo)的斜距或地面距離成比例的位置, 強(qiáng)度由陰極射線管按比例轉(zhuǎn)化成光信號,再通過透鏡在膠片上記錄成一條影像線,22,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,每發(fā)射一個(gè)脈沖形成一條影像線,而與平臺運(yùn)行速度同步移動(dòng)的膠片完成航向地面覆蓋,形成連續(xù)條帶狀雷達(dá)影像 對回波信號逐個(gè)處理 影像灰度-

10、后向散射回波強(qiáng)度 回波信號也可記錄在磁帶上,23,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,地面分辨率:指在距離向或方位向分辨有相同反射特性兩個(gè)鄰近目標(biāo)間距的能力 -同時(shí)出現(xiàn)在影像上兩個(gè)能夠區(qū)分的目標(biāo)間的最小距離 方位向分辨率(Ra)-航向方向 距離向分辨率(Rr)-垂直航向方向,24,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)的分辨力,在脈沖發(fā)射的方向上，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離 斜距分辨率 Rd=(c )/2 地距分辨率 Rr=(c sec)/2,R,Rr,Rd,距離分辨力,25,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,地距分辨率 Rr=(c sec)/2,越

11、遠(yuǎn)的地物越能分清,垂直航線方向,26,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,地距分辨率 Rr=(c sec)/2,傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，要提高 距離分辨率，應(yīng)如何做?,27,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,相鄰的兩束脈沖之間，能分辨兩個(gè)目標(biāo)的最小距離 R=R =R/D,天線,D,R1,R2,R1,R2,方位分辨力,28,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,波瓣角與方位分辨率,*波瓣角在意義上與光學(xué)上的最小分辨角相近。,29,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,方位 分辨力,越近的地物越能分清,平行航線方向,30,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,傳

12、感器設(shè)計(jì)時(shí)，要提高 方位分辨率，應(yīng)如何做?,R=R =R/D,31,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,真實(shí)孔徑雷達(dá)分辨率： 距離向：Rd=(c )/2 方位向：R=R =R/D 合成孔徑雷達(dá)：,32,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,合成波束寬度,合成孔徑側(cè)視雷達(dá)（SAR） 模擬線性天線陣，應(yīng)用多普勒效應(yīng)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，用一個(gè)小天線合成一個(gè)大孔徑 (天線)使方位分辨率提高幾十至幾百倍 實(shí)現(xiàn)在軌道高度獲 取距離向和方位向分辨 率都很高的雷達(dá)圖像,33,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,SAR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) 當(dāng)移動(dòng)一

13、段距離LS后，存貯的信號和實(shí)際天線陣列諸單元所接收的信號非常相似,34,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,線性調(diào)頻脈沖與脈沖壓縮：,35,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,36,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,37,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,38,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,方位向 Rs=R/ Ls Ls= R =R/D Rs=D 雙程相移 Rs=D/2,方位分辨力只與實(shí)際使用的天線孔徑有關(guān),39,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,合成孔徑雷達(dá)的分辨力,40,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,4

14、1,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征 方位向的比例尺由小變大 1/mc1/mb1/ma,越遠(yuǎn)影像比例尺越大,42,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,近距離壓縮,43,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,透視收縮和疊掩,44,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,雷達(dá)影像陰影,45,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,飛行方向,46,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征, 造成山體前傾 朝向傳感器的山坡影像被壓縮，而背

15、向傳感器的山坡被拉長，還會(huì)出現(xiàn)不同地物點(diǎn)重影現(xiàn)象。,47,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,前傾,48,斜距投影 雷達(dá)陰影,49,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,肇慶地區(qū)機(jī)載SAR影像,50,高差產(chǎn)生的投影差亦與中心投影影像投影差位移的方向相反,51,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,斜距投影 反立體圖像,52,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,側(cè)視雷達(dá)圖像的幾何特征,與入射角有關(guān) 朝向飛機(jī)方向的坡面-反射強(qiáng)烈-很亮 朝天頂方向-弱些-較亮 背向飛機(jī)方向-反射很弱(沒回波)

16、-很暗,側(cè)視雷達(dá)圖像的色調(diào)特征,53,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,與地面粗糙程度有關(guān) 地面地物微小起伏小于雷達(dá)波波長 -鏡面漫反射-很暗 地面微小起伏大于或等于發(fā)射波長 -漫反射-較亮 “角隅反射”-反射波強(qiáng)度更大-很亮,54,側(cè)視雷達(dá)圖像的色調(diào)特征,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,與地物的電特性有關(guān) 物體復(fù)介電常數(shù)高 -反射雷達(dá)波強(qiáng)-亮,有較強(qiáng)的穿透能力 它能穿透云層、樹木和水,得到下面的地表信息 另一方面微波在物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生體散射，因此能將地下的一些狀況反映出來,側(cè)視雷達(dá)圖像的其他特征,55,（7）成像雷達(dá),4.3 典型遙感器的成像原理,Cosmo-SkyMed高分辨率雷達(dá)圖像,56,INSAR就是利用SAR在平行軌道上對同一地區(qū)獲取兩幅（或兩幅以上）的單視復(fù)數(shù)影像來形成干涉，進(jìn)而得到該地區(qū)的三維地表信息。,57,（8）相干雷達(dá)（INSAR）,4.3 典型遙感器的成像原理,該方法充分利用了雷達(dá)回波信號所攜帶的相位信息，獲得同一區(qū)域的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)，形成干涉，得到相應(yīng)的相位差，結(jié)合觀測平臺的軌道參數(shù)等提取高程信息。 例如：ERS-1/2/