传感器及其成像原理

不受天气的制约，可进行全天候观测
距离测量系统
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雷达结构与工作原理
发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天 线向观测地区发射；地物反射脉冲信号，也由转换 开关控制进入接收机，接收的信号在显示器上显示， 或记录在磁带上。
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到目标的距离、方位
雷达接收回波
与目标的相对速度 目标的反射特性
距离：
1 R vt 2
TM6：每个探测器的瞬时视 场为120米X120米
一次扫描成像为地面的480米 x185公里
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TM波段选择
通道 波长范围（微米） TM1 0.45~0.52(蓝) TM2 0.52~0.60(绿) TM3 0.63~0.69(红) TM4 0.76~0.90(红外) TM5 1.55~1.75(红外) TM6 10.4~12.6(热红外) TM7 2.08~2.35(红外) 特征
更高技术要求： 集光系统
尽量使用反射式光学系统，采用能消去球面 像差、像散差和畸变像差的非球面补偿镜头 由狭缝、平行光管、棱镜和绕射光栅组成 由成千上百个探测元件组成线阵
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分光系统
探测器元件
两种类型

面阵探测器+推扫式扫描


用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分 散成若干个波段后，分别成像于面阵列的不同行。 利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描；利用线阵探测器及沿 轨道方向的运动完成空间扫描。 空间分辨率高。

反射镜组
包括主、次反射镜组，将扫描镜反射进入的地面景物聚焦在成像板
上。

成像板
排列24+2个玻璃纤维单元。分四列，每列对应一个波段。每个纤维 单元瞬时视场为86微弧。

探测器
个数与玻璃纤维单元个数相同，类型与波段有关。能将辐射能变成电 信号输出。
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成 像 板
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2、成像过程



扫描一次每个波段获取6条扫描线图像，对 应地面范围为474米x185公里。 在扫描一次的时间里卫星往前正好运动474 米，扫描线正好衔接。但因地球自转，扫 描位置有向西移位现象。 成像板上的光学纤维将接收的辐射能传递 到探测器，对探测器的输出进行采样、编 码（A/D转换），馈入天线向地面发送。
（2）按是否成像分
成像 非成像
（3）按利用的电磁波段分 光学 (0.01微米~1毫米) 微波 (1毫米~1米)
4
（4）按基本结构原理分：
摄影类型的传感器
扫描成像类型的传感器
雷达成像类型的传感器
非成像类型的传感器
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扫描成像类型传感器
逐点、逐行地以时序方式获
取二维图像。 一般利用光学波段，也可称 为光学传感器。 光学传感器特性
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辐射准确度和较高辐射分辨率是定量遥感 的基础。 扫描仪内设有一个白炽灯，用来作可见光 和近红外波段的标准源；TM6用黑体源作为 校正源。 每个像元的亮度值用8bit编码。
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ETM+
对TM的改进:
增加了一个分辨率为15米的 PAN波段（0.5~0.9微米); 使TM6的分辨率提高到60米;

两种扫描形式：


物面扫描：对地面直接扫描成像，例红外扫描仪、多光谱扫描仪、
自旋和步进式成像仪、多频段频谱仪等。 像面扫描：瞬间在像面上先形成线图像或二维图像，然后对影像进 行扫描成像，例如线阵列CCD推扫式成像仪、电视摄象机等。 成像光谱仪
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红外扫描仪
1．扫描成像过程 ２．红外扫描仪特性 ３．扫描线的衔接 ４．热红外像片的色调特征
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光学传感器特性

光谱特性：传感器能够测量的电磁波波长范围、各波段中心波长、波段宽度。 （光谱分辨率） 辐射度量特性：指传感器辐射度量的灵敏度，能够度量的辐射动态范围。 （辐射分辨率） 几何特性： FOV (Field of View)：视场，是传感器能够受光的范围，决定成像 的宽度； IFOV (Instantaneous Field of View)：瞬时视场，是形成每个像元 的视场，决定地面分辨率。


发射机向侧向面内发射一束脉冲，被地物反射后，由天线 接收； 由于地面各点到雷达的距离不同，接收机收到许多信号， 以它们到雷达距离的远近，先后依序记录； 信号的强度除与系统参数外，还与辐照带内各种地物的特 性、形状、坡向等有关； 回波信号经电子处理器处理后形成的图象线被记录； 随着飞机的飞行，对一条条辅照带连续扫描，得到由回波 信号强弱表示的条带图像，实现对地面的二维扫描。
Pt G 22 回波强度： Pr (4 )3 R 4
其中包含系统参数如雷达波的波长、发射功率、照射面积和方向、 极化等；以及目标参数如地物的复介电常数，地面粗糙等等。
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主要内容



真实孔径雷达 合成孔径雷达 侧视雷达图像的几何特征 相干雷达
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真实孔径侧视雷达
一、成像过程:

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全景畸变
， 且它们随扫描角变化而变化，所 因为 a a 以红外图像上必然产生畸变。 全景畸变是红外扫描仪这种成像方式所固有的现象， 在使用红外扫描图像时一定要注意。
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3、扫描线的衔接
要让每两次扫描衔接，必须满足：W a
t
其中： W 为飞机的地速；
a
t
为探测器地面分辨率； 为旋转棱镜扫描一次的时间。 将出现扫描漏洞； 将出现扫描重叠。
第二个扫描镜面扫视一次，…
第三个扫描镜面扫视一次，… …
飞机向前运动，胶片同步转动，记录的下一条图像正好与 前一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相对应的二 维条带图像。
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2、红外扫描仪特性

空间分辨率
温度分辨率


探测器的响应率 温度分辨率与传感器系统内的噪声 有关；
传感器系统内噪声等效温度限制在0.1~0.5K之间; 系统的温度分辨率一般为等效噪声温度的2~6倍。
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二、分辨率

距离分辨率
在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标 的最小距离。 c c Rd Rr sec 2 2

方位分辨率
指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目 标的最小距离。
R R

D
R
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对分辨率的讨论：

距离分辨率

Rr
c
2
sec
Rd
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线阵探测器+光机扫描
利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别成
像于线阵列探测器的不同元件上。 通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运行完 成空间扫描；利用线探测器完成光谱扫描。
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雷达成像类型传感器
利用波长1cm~1m的微波波段进行遥感 主动式、成像、微波传感器
8Hale Waihona Puke Baidu
1、扫描成像过程
旋转棱镜横越航线方向扫视
第一个扫描镜面扫视一次， 扫描视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一边依次进入传感 器； （收集器） 经探测器输出视频信号，再经电子放大器放大和调制；（探测器、 处理器） 在阴极射线管上显示出一条相应于地面扫描视场内的景物的图像 线，这条图像线经曝光后在底片上记录下来（输出器）。
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全色HRV
波段范围 0.51~0.73微米

线阵列探测器在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线， 不需要用摆动的扫描镜，以“推扫”方式获取沿轨道的 连续图像条带。
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SPOT上并排安装两台HRV，每台视场宽都为 60KM，两者间有3KM重叠，总视场宽为117KM； 相邻轨道间约有9KM重叠。
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HRV立体观测


平面反射镜可向左右两侧旋转，最大角度 达27度，从而实现倾斜观测； 轨道间立体观测； 通过轨道间重复观测，可建立立体模型； 可获取多时相图像。
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成像光谱仪
—高光谱遥感
空间成 像技术
地物光 谱技术
谱像合一
成 像 光 谱 仪
对同一地区同 时获取几十个 到几百个波段 的地物反射光 谱图像
改进后的太阳定标器使卫星 的辐射定标精度大大提高。
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HRV
（High Resolution Visible Range Instrument）



HRV的结构 HRV的成像原理 HRV立体观测
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CCD——Charge Coupled Device，电荷藕合器 件，可做可见光和近红外波段的探测元件。

特殊处理产品
根据用户的要求做了一些特殊处理
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TM
对MSS的主要改进：
扫描行垂直于飞行轨道；往返双 向都对地面扫描；（扫描改正器） 更高的空间分辨率； 更好的频谱选择； 更好的几何保真度； 更高的辐射准确度和辐射分辨率。
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TM空间分辨率 探测器
100个探测器，分7个波段 TM1~5、7：每个探测器的瞬 时视场为30米x30米
合成孔径雷达 （Synthetic Aperture Radar）
一、工作原理：
用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动； 在移动中选择若干个位置，在每个位置上发射一个信号，接收 相应发射位置的回波信号贮存记录下来，存储时必须同时保存 接收信号的幅度和相位；如果把真实孔径天线划分成许多小单 元，则每个小单元接收回波信号的过程与合成孔径天线在不同 位置上接收回波的过程形似； 每个信号由于目标到飞机之间球面波的距离不同，相位和幅度 也不同，不过其变化有规律可循； 由接收信号形成的图像是相干图像，需经处理后，才能恢复地 面的实际图像。
Wt a
Wt a
进一步地，
a W t
W H t
因此，只要速度和航高之比为一常数，就能使扫描线正 确衔接。
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4、热红外像片的色调特征


热红外像片上的色调变化与相应地物的辐 射强度变化成函数关系； 与地物辐射强度有关的因素：


地物的发射率 地物的温度

地物辐射强度的变化对温度更为敏感； 温度的变化在图像上能产生较高的色调差 别。

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垂直向下观测时
a H
d/ f d a H f
在设计仪器时已确 一般情况下， 定，所以 的变化仅与 H有关。
a
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倾斜观测时
a H
H H 0 / cos H 0 sec
a H H 0 sec a sec a sec a
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HRV成像原理
SPOT卫星上的两种HRV：
多光谱型HRV
三个波段： 波段1 0.5~0.59微米 波段2 0.61~0.68微米 波段3 0.79~0.89微米
CCD
每个元件地面分辨率为 20米x20米,3000个 CCD形成的图像线为地 面20米x60公里,每个像 元亮度用8bit编码。 每个元件地面分辨率为 10米x10米,6000个 CCD形成的图像线为地 面20米x60公里, 像元亮 度用6bit进行差值编码。
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3、地面接收及产品

遥感数据地面接收由遥感地面接收站完成； 接收站主要接收 遥感图像信息 卫星姿态、星历参数 地面接收站包括 天线及伺服系统、接收分系统、 计算机、模拟检测系统、定时系 统、信标塔等。
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MSS产品

粗加工产品
经过辐射校准、几何校正、分幅注记

精加工产品
在粗加工的基础上，用地面控制点进行了 纠正
对针叶林识别能力强 与TM1合成，能显示水体的蓝绿比值， 用来估测可溶性有机物和浮游生物 识别土壤边界和地质界线的最有利的光 谱区 识别植物的有利波段，TM2/TM4对绿色 生物量和植物含水量敏感 可用来 进行收成中干旱的监测和植物生 物量的确定；也可用来区分不同类型的 岩石，区分云、地面冰和雪；确定湿土 和土壤的湿度 用于植物分类，农作物估产，用于热制 图和热惯量制图实验 用于地质制图，特别是热液变岩环制图， 还可用于识别农作物长势
c
2
距离分辨率与距离并无关系 可采用减小脉冲宽度的方法改善距离向分辨率 减小脉冲宽度是有一定限度的

方位分辨率

R R

D
R

要提高方位分辨率，理论上可采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和 缩短观测距离的方法 但三种方法，使用时均受到一定限制 可采用合成孔径技术来改善方位分辨率
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多光谱扫描仪
MSS（Multispectral TM（Thematic
Scanner）
Mapper） Thematic
ETM（Enhanced
Mapper）
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MSS
MSS结构
成像过程
地面接收及产品
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1、MSS结构

扫描反射镜
椭圆形、表面镀银，摆动幅度为2.89度，频率为13.62赫兹，周期为 73.42毫秒，总视场角为11.56度。 可获取垂直飞行方向两边共185公里范围内景物的辐射能量，配合飞 行器的运动获得地表的二维图像。
第三章 遥感传感器及其成像原理
1
遥感传感器（Sensor）
——遥感中“感”字的体现 者
遥感传感器是获取遥感数据的设备， 是遥感技术最核心的部分，直接用于测量 地物的电磁波特性。
2
传感器一般结构

收集器 探测器 处理器 输出器
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传感器类型
（1）按有无发射电磁波的能力分
主动
被动