扫描成像1

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扫描成像：依靠探测元件和扫描镜对目标物以
瞬时视场为单位进行的逐点逐行取样，从而得到目 标地物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效 应，将辐射能转换成电能（电流、电压），或者是 其他物理特性（体积、压力等）的变化，从而对物 体进行探测,形成一定谱段图像。
探测波段：包括紫外、可见光、红外、微波
光机扫描仪主要有红外扫描仪和多光谱扫描 仪两种，
光机扫描仪所搭载的平台有极轨卫星及飞机。美 国陆地资源卫星Landsat上的多光谱扫描仪 (MSS)，专题制图仪(TM)及气象卫星上的高分辨 率辐射计(AVHRR)都属这类遥感器。
一、光机扫描仪的结构组成
光机扫描仪主要由收集器、分光器、探测器、 处理器、和输出器等几部分组成。
固体自扫描成像：用固定的探测元件，通 过遥感平台的运动对目标地物进行扫描。
固体自扫描又称电子光学型光谱扫描， 它与其它扫描成像的区别是探测器系统是 电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device），比现行的光学机械扫描仪具有 地面分辨率高、结构简单等特点。
第二节固体自扫描成像
CCD的基本结构与工作原理 CCD成像原理 CCD探测器类型 CCD成像的优势
像点：瞬时视场角在影像上对应的点，也叫像元 或像素。
三、光机扫描仪的成像过程
1、光学扫描过程
二、光机扫描仪的成像过程
1、光学扫描过程
●地面分辨率：瞬时视场角在地面上对应的距 离——瞬时视场线度Ｄ，叫地面分辨率。根据弧 长公式，可得出不同位置和方向的分辨率：
垂直投影点分辨率：Ｄ0＝△θ·Η 飞行方向分辨率： Ｄｆ＝Ｄ0·Secφ 扫描方向分辨率： Ｄｓ＝Ｄ0·Sec2φ ●扫描角φ：机下扫描点与瞬时扫描点所形成的角 度。
四、 CCD成像的优势
突破了光/机扫描仪对可供选择的探测器有很 大限制的缺点。 光/机扫描仪：要立即测出每个瞬时视场的辐射特 征，就要求探测元件的响应速度足够快。 固体自扫描：应用CCD多元阵列探测器同时扫描， 可解决这一问题。
所采用的探测元件数目越多，体积愈小，分 辨率越高。
思考题（第三章）
专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与 MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提 高到30米；探测波段由4个增加到7个。
二、常见的光机扫描仪
➢MSS：多光谱扫描 仪，只能单方向扫描。 ➢ TM：专题制图仪， 的扫描镜可在往返两 个方向进行扫描和获 取数据。
三、光机扫描仪的成像过程
光机扫描仪的收集系统对空间形成一个很小 的角度——瞬时视场角，在瞬时视场内的地物辐 射能由旋转棱镜反射到反射镜组，经其反射，聚 焦在分光器上，经分光器分光后分别照射到相应 的探测器上。
三、光机扫描仪的成像过程
探测器将辐射能转变为视频信号—— ●显像管显示：经电子放大器放大和调整，在阴 极射线管上显示瞬时视场的地面影像； ●胶片记录：由视频信号控制灯的明暗，经显微 镜头在底片曝光后记录下来； ●数据磁带：视频信号经模／数转换器转换，变 成数字的电信号，经采样、量化和编码，变成数 据流，发送回地面记录。
电光转换时通过一个小光源（氖灯）实现的。 用放大的电信号去调节氖灯光源强度使它发出与 电子信号成正比的可见光点。光点再经聚焦，被 反射到信号记录系统去。
三、光机扫描仪的成像过程
4、信号记录过程
最简单的扫描仪是直接用胶片记录的，过程 是：由氖灯发出的可见光，经聚光透镜聚焦在经 过与扫描镜同步旋转的记录镜，把这个会聚而成 的很小光点，扫描到记录胶片上，因此信号记录 系统也叫第二扫描系统（成像扫描系统）。随着 扫描，胶片也移动，扫描仪对地面扫一条线，胶 片上对应同步也扫一条线，这样随着飞行器向前 移动，胶片同步拉动，物体的影像就被记录下来 了。
三、光机扫描仪的成像过程
随着棱镜的旋转， 镜面对地面横越航线 （垂直于飞行）方向扫 视一次，地面物体依次 成像，形成一条影像线 被记录下来。随着平台 向前移动，扫描旋转棱 镜依次对地面扫描，形 成一条条相互衔接的地 面影像，最后形成连续 的地面条带影像（区域 信息）。
三、光机扫描仪的成像过程
机械扫描成像使用的扫描系统多为抛物面聚 焦系统—卡塞格伦光学系统，它将地物的电磁辐 射聚焦到探测器。
第三章 扫描成像
第一节光学机械扫描成像 第二节固体自扫描成像 第三节高光谱成像光谱扫描
第一节光学机械扫描成像
光机扫描仪的结构组成 常见的光机扫描仪 光机扫描仪的成像过程
一、光机扫描仪的结构组成
光机扫描仪全称光学机械扫描仪，它是借助 于遥感平台沿飞行方向运动和遥感器本身光学机 械横向扫描达到地面覆盖，得到地面条带图像的 成像装置。
光学扫描系统的瞬时视场角很小，扫描镜只 收集点的辐射能量，利用本身的旋转或摆动形成 一维线性扫描，加上平台移动，实现对地物平面 扫描，达到收集区域地物电磁辐射的目的。
三、光机扫描仪的成像过程
1、光学扫描过程
瞬时视场角△θ：扫描系统在某一时刻对空间所 张的角度。它由探测元件的线度δ与光学系统的
总焦距f 决定： △θ= δ/f
2、 CCD的工作原理
CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底 是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压 UG，Si中的电子 被吸引到衬底和 SiO2的交界面上， 空穴被排斥，于是 在电极下形成一个 表面带负电荷的耗 尽区。
一、 CCD的基本结构与工作原理
2、 CCD的工作原理
二、 CCD成像原理
数字磁带分高密度数字磁带（HDDT）和计算 机兼容磁带（CCT）两种。
二、常见的光机扫描仪
红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把 它传给探测元件。
二、常见的光机扫描仪
多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似， 其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地 物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同 时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而 红外扫描仪只在红外波段工作。
1、以MSS说明光机扫描成像的过程。 2、简述固体自扫描成像的原理。
一、 CCD的基本结构与工作原理
1、 CCD的基本结构
CCD （Charged Coupled Device）：又叫 电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大 量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排 列，相当于传统相机的胶卷。
一、 CCD的基本结构与工作原理
2、 CCD的工作原理
CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底 是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压 UG，Si中的电子 被吸引到衬底和 SiO2的交界面上， 空穴被排斥，于是 在电极下形成一个 表面带负电荷的耗 尽区。
一、光机扫描仪的结构组成
5、输出器
输出器种类也很多，输出形式主要有两种： ●胶片：经电光变换线路来调制发光器件，发光 器件上的光信号强度与视频信号强度一致。当胶 片曝光时，数据就被记录下来。
一、光机扫描仪的结构组成
5、输出器
●磁带：输出数据用磁带记录仪记录在磁带上。磁 带记录的形式分模拟磁带和数字磁带两种。模拟磁 带记录数据后形成的磁场强度与视频信号强度一致。 数字磁带记录的是已采样、量化和编码了的数字数 据。
一、光机扫描仪的结构组成
4、处理器
从探测器出来的低电平信号，需放大和限制 带宽。一般在探测器后面设置低噪声的前置放大 器来进行这项工作。
前置放大器随电子元件不同，分为真空管、 晶体管和集成电路三种形式。
前置放大器出来的视频信号可输往磁带机，
将模拟信号记录在磁带上。如果需将信号记录在 胶片上则需电光转换；如果要求输出信号为数字 形式，则需模/数转换。
一维线陈列电荷耦合器件成像示意图
三、 CCD探测器类型
根据探测单元的多少， CCD探测器可分为：
➢单元探测器（点探测器）：由一个耦合单元（一 位）组成的探测器，取得点信息影像，扫描形成一 维影像（线），加上平台的运动得到二维影像。 ➢多元线阵列探测器：n个耦合单元排成一列的探 测器，自身扫描或随着平台运动可得到二维影像。 ➢多元阵探测器：n个耦合单元排成一个方阵，直 接得到二维影像，相似于摄影机感光胶片成像。
自从探测器问世以来，其探测范围一直从短 波向长波方向发展。
VS=R·E·A
VS：电压信号 R：响应率
E：照度
A：探测器面积
三、光机扫描仪的成像过程
3、信号处理过程
一般来说，从探测器输出的电信号是很弱的， 无法直接利用。必须经过信号处理把它放大，限 制带宽，再把这些足够的电信号进行电光转换， 然后，送到终端的记录装置或显示器上。
一、光机扫描仪的结构组成
2、分光器
一、光机扫描仪的结构组成
2、分光器
●分光滤光片：能从某一光束中透射或反射特定 波长的元件。从分光功能可分为三种形式：长波 通滤光片、短波通滤光片和带通滤光片。
一、光机扫描仪的结构组成
3、探测器
探测分光后的电磁波并把它变换成电信号的 元件。
扫描探测器的种类较多，按光电转换方式可 分为三类：
第七章扫描成像
内容提要： 扫描成像是遥感技术发展的方向之一，主要
内容有：光学机械扫描成像，固体自扫描成像， 高光谱成像光谱扫描。 重点：
电子扫描成像过程与原理，光机扫描成像过 程，成像扫描仪分辨能力，像元的概念，电荷耦 合器件CCD的结构、工作原理和成像机制。
MSS
高分辨率影像
10米多光谱
2.5米全色
同步控制系统
地物的红 外辐射
光学扫描 系统
分光器
探测器 电信号 氖灯 光信号 成像光学 扫描系统
制冷 磁带记录
发送 胶片
一、光机扫描仪的结构组成
1、收集器
在航天遥感中常用透镜系统或反射镜系统作
为光机扫描仪收集地面电磁波辐射信息的器件。
可见光、近红外区 透镜系统/反射镜系统
热红外区
反射镜系统
一、光机扫描仪的结构组成
一、 CCD的基本结构与工作原理
2、 CCD的工作原理
CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底 是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压 UG，Si中的电子 被吸引到衬底和 SiO2的交界面上， 空穴被排斥，于是 在电极下形成一个 表面带负电荷的耗 尽区。
一、 CCD的基本结构与工作原理
三、光机扫描仪的成像过程
1、光学扫描过程
总视场角：光学扫描系统对目标扫描摆动的最大 角度（φ0），也叫总扫描角，此角越大，每次运 行覆盖的地面面积越大。每条扫描线所对应的地 面长度L：
L=2Htan φ0/2 由公式可得：航高H越高，扫描线越长。
三、光机扫描仪的成像过程
2、探测过程
扫描探测器将光学扫描系统收集来的辐射能 转换成与辐射强度成正比例的电信号，即进行光 电转换，这就是探测过程。
PV型— PV型元件的典型例子是前述的电视 摄像机。
一、光机扫描仪的结构组成
3、探测器
●热效应（PEM）型探测器：是一种热红外探测 器，如热电耦探测器和热释电探测器，它把红外辐 射能转换变成电能。热红外探测器必须在低温下工 作，要有致冷装置。致冷的方法有：液化气体制冷、 固体致冷剂制冷和辐射致冷器致冷。
➢光电子发射型 ➢光激发载流子型 ➢热效率型
一、光机扫描仪的结构组成
3、探测器
●光电子发射型探测器：利用某些材料在光照射 下发出电子的特性制成的光电管。当光照射在光 电管的阴极上时发出电子，在外电场作用下，电 子流向光电管的阳极，在光电管的输出电路中形 成电流，且电路中的电流强度与光照度成函数关 系。
一、光机扫描仪的结构组成
3、探测器
●光激发载流子型探测器：利用光激发载流子原 理制成的探测器。探测元件有光电二极管、光电 晶体管、光电导管、线阵列传感器等。分为：
PC型—PC型元件是晶体结构，受到外来热 辐射时在晶体内产生电子-空穴对，其数量与热 辐射的强弱成正比关系。在外加电压的作用下， 电子向阳极、空穴向阴极移动而形成电流。
2、分光器
分光器的目的是将收集的地面电磁波信息分 解成所需的光谱成分。常用的分光元器件有分光 棱镜、衍射光栅和分光滤光片。 ●分光棱镜：依据物质折射率随波长变化的原理进 行分光。
一、光机扫描仪的结构组成
2、分光器
●衍射光栅：光线照射到光栅上会引起衍射，将 光栅设计为使相邻光栅的衍射光的相位差为某波 长的整数倍，则光栅在某方向的衍射光均为该波 长的光，形成不同波长的衍射光分布在不同方向 的现像，这种分光元件叫衍射光栅。