遥感原理与应用-第3章

W T 4
MSS多光谱扫描仪
• 陆地卫星上的 MSS（Multispectral Scanner） • 由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、 成像板、光学纤维、滤光器和探测器等组成。
扫描反射镜
• 扫描反射镜是一个表面镀银的椭圆形的铰反射镜，长轴为 33cm，短轴为23cm。当仪器垂直观察地面时，来自地面 的光线与进入聚光镜的光线成90°。扫描镜摆动的幅度为 ±2.89° ，摆动频率为13.62Hz，周期为73.42ms，它的总 观测视场角为 11.56°。 • 扫描镜的作用是获取垂直飞行方向两边共185km范围内的 来自景物的辐射能量，配合飞行器的往前运行获得地表的 二维图像
• 当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线方向扫视 一次，在扫描视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一 边依次进人传感器， • 经探测器输出视频信号， • 经电子放大器放大和调制， • 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。 • 接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片 也作同步旋转，记录的第二条图像正好与第一条衔接。依 次下去，就得到一条与地面范围相应的二维条带图像。
SAR的方位分辨率
方位分辨率定义： 合成后天线孔径为：
Rs

Ls
R
Ls R

D
R
SAR方位分辨率：
Rs D
合成孔径雷达的方位分辨力与距离无关，只与实际使用的天线孔径有关
由于双程相移：
Rs D / 2
R

D
R
4cm 400 km 2km 8m
D 8m Rs 4m 2 2
Polarization
Polarization
• Transmit
• • • • V H V H
Receive
H V V H
Together
VH HV VV HH
3.2.1 真实孔径雷达
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
真实孔径雷达分辨率
地距分辨率： Rr
c
2 c 斜距分辨率： Rd 2 ：脉冲宽度 ：俯角
比较
• 真实孔径雷达天线的长度是实际长度，雷达波的发射和接收都是以其 自身有效长度的效率直接反映到显示纪录中；合成孔径雷达用一个小 天线作为单个辐射单元 ，记录每个反射信号。 • 真实孔径天线在一个位置上接收目标的回波；合成孔径天线是在不同 位置上接收同一地物的回波信号。 • 真实孔径天线接收目标回波后，好像物镜那样聚合成像；合成孔径天 线对同一目标的信号不是在同一时刻得到，在每一个位置上都要记录 一个回波信号。
Wt a ：将出现扫描漏洞 Wt a ：将出现扫描重叠
Wt a H
W H t
瞬时视场和扫描周期都 为常数，所以只要速度w 与航高H之比为一常数， 就能使扫描线正确衔接， 不出现条纹图像
热红外像片的色调特征
热红外像片上的色调变化与相应的地物的 辐射强度变化成函数关系。地物发射电磁 波的功率和地物的发射率成正比，与地物 温度的四次方成正比，因此图像上的色调 也与这两个因素成相应关系。
MSS成像过程
• 扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高 为915km，因此扫猫瞬间每个像元的地面分辨率 为 79m x 79m，每个波段由 6个相同大小的探测单 元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面 大小为474m x 79m。又由于扫描总视场为 11.56°， 地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取6 条扫描线图像，其地面范围为 474m x 185km。又 因扫描周期为73.42ms，卫星速度（地速）为 6.5KM/s，在扫描一次的时间里卫星往前正好移动 474m，因此扫描线恰好衔接。
MSS产品
• 粗加工产品，它是经过了辐射校准（系统噪声改 正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记 （28.6s扫描390次分一幅）。 • 精加工产品，它是在粗加工的基础上，用地面控 制点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差) • 特殊处理产品。
TM专题制图仪
TM成像过程
TM各波段特征
ETM+增强型专题制图仪
两类成像光谱仪
面阵探测器加推扫式扫描仪
线阵列探测器加光机扫描仪
3.2雷达成像仪
• 特点
– 主动式遥感 – 雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特性） – 穿透特性
• 分类
– – – – 真实孔径雷达 合成孔径雷达 相干雷达 激光雷达
• 雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂 函数。 • 系统参数： – 雷达波的波长 – 发射功率 – 照射面积和方向 – 极化等 • 地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等
造成山体前倾，朝向传感器 的山坡影像被压缩,而背向 传感器的山坡被拉长，与中 心投影相反。
还会出现不同地物点重影现 象。地物点AC之间的山坡在 雷达图像上被压缩，在中心 投影像片上是拉伸，CD之间 的山坡出现的现系正好相反。 地物点A和B在雷达图像上出 现重影，在中心投影像片中 不会出现这种现象。
Geometric Distortions in RADAR
红外扫描仪的分辨率
红外扫描仪的瞬时视场
d f
d：探测器尺寸（直径或宽度）；f:扫描仪的焦距 红外扫描仪垂直指向地面的空间分辨率 a0
a0 H d H f
H: 航高
在仪器设计时已经确定，所以对于一个使用着的传感 器，其地面分辨率的变化只与航高有关。航高大，a0值自 然就大，则地面分辨率差。
垂直于飞行方向的比例尺
1 ab cos b mab AB 1 bc cos c mbc BC
表示为：
1 cos m
考虑到实测的斜距是按 向上的比例尺为：
比例尺缩小为影像，因此在侧视方
1 1 cos my mr
φ →0°，比例尺大 φ →90°，比例尺小
变形—压缩与拉长
sec
D Β ：波瓣角；
R R

R
R： 斜距。
λ ：波长成正比 D: 天线孔径
3.2.2 合成孔径雷达
• 基本思想：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。存贮时同时保存接收信号的幅度和相位。
反射镜组
• 反射镜组由主反射镜和次反射镜组成，焦距为 82.3cm，第一反射镜的孔径为22.9cm，第二反射 镜的孔径为8.9cm，相对孔径为3.6。 • 反射镜组的作用是将扫描镜反射进入的地面景物 聚集在成像面上。
成像板
• 成像板上排列有 24＋2个 玻璃纤维单元，按波段排 列成四列，每列有 6个纤 维单元，每个纤维单元为 扫描仪的瞬时视场的构像 范围，由于瞬时视场为 86μrad，而卫星高度为 915km，因此它观察到地面 上的面积为 79m x 79m。
– 瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进 行扫描成像（线阵列CCD推扫式成像仪 ）
• 成像光谱仪
– 以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图 像信息的仪器
3.1.1 对物面扫描的成像仪
• • • • 红外扫描仪 MSS多光谱扫描仪 TM专题制图仪 ETM+增强型专题制图仪
红外扫描仪
扫描成像过程
第三章 遥感传感器及其成像原理
内容提纲

扫描成像类传感器
雷达成像仪

传感器分类
• • • • 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 非图像类型的传感器
3.1扫描成像类传感器
• 对物面扫描的成像仪
– 对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫 描仪、成像光谱仪 ）
• 对像面扫描的成像仪
自西往东对地面的有效扫描时间为33ms，即在33ms内 扫描地面的宽度为185km，按以上宽度计算，每9.958 μs内扫描镜视轴仅在地面上移动了56m，因此采样后的 MSS像元空间分辨率为56m x 79m （Landsat为68m x 83m）。
56m 185KM / 33ms 9.958s
3.2.3 侧视雷达图像的几何特征
• 斜距投影
侧视雷达图像在垂直飞行方向（y）的像点位置是以飞机 的目标的斜距来确定，称之为斜距投影。图像点的斜距算 至地面距离为：
G r cos R2 H 2
几何特点
• • • • 垂直于飞行方向的比例尺 变形——压缩与拉长 高差产生的投影差 雷达立体图像的构像特点
扫描线的衔接
当扫描镜的某一个反射镜面扫完一次后，第二个反射镜面接着 重复扫描，飞机的飞行使得两次扫描衔接。如何让每相邻两条 带很好地衔接，可由以下的关系式来确定。假定旋转棱镜扫描 一次的时间为t，一个探测器地面分辨率为a，若要使两条扫描 带的重叠度为零，但又不能有空隙，则必须 a W为飞机的地速 W t
热红外像片中飞机巳发动的发动机温度较 高，色调很浅，显得亮。尾喷温度更高， 色调显得更亮。未发动的飞机发动机，温 度较低，显得很暗。水泥跑道发射率较高， 出现灰色调。飞机的金属蒙皮，发射率很 低，显得很黑。从像片上可看出，热红外 扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高， 因为它与温度的四次方成正比，温度的变 化能产生较高的色调差别。
波段号 类型 1 Blue-Green 2 Green 3 Red 4 Near IR 波谱范围 /um 0.450-0.515 0.525-0.605 0.630-0.69 0.775-0.90 地面分辨率 30m 30m 30m 30m
5 SWIR
6 LWIR 7 SWIR 8 Pan
1.550-1.75
立体观测方式
• HRV
–平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴(x) 轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体观测
• HRG
–通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体
• HRS
–由前视后视相机组成，形成同轨立体
3.1.3 成像光谱仪
• 以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像 信息的仪器 • 基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列 推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于 通道数多，各通道的波段宽度很窄。
采样后对每个像元（每个信道的一次采样）采用6bit进行 编码,24路输出共需144bit，都在9.958μS内生成，反算成 每个字节（6bit）所需的时间为0.3983μS（其中包括同步 信号约占0.3983μS) ，每个bit为队0.0664μS，因此，bit 速率约为15Mbit/s（15MHz）。采样后的数据用脉码调制 方式以 2229.5MHz或 2265.5MHz的频率馈入天线向地面发 送。
：扫描角 H0 ：航高
H H0 cos H0 sec
0 ：地面分辨率 a0 0 ：平行于航行方向地面分辨率 a H a0 sec
：垂直于航行方向地面分辨率 a a sec a0 sec2
全景畸变
• 由于地面分辨率随扫描角发生变化，使红外扫描影像产生 畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，形成原因是像距保 持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所致。
10.40-12.5 2.090-2.35 0.520-0.90
30m
60m 30m 15m
3.1.2 对像面扫描的成像仪
• HRV——线阵列推扫式扫描仪
像面扫描
• 用电子枪准确地瞄准靶极上的点并对靶面进行扫 描(所以又称电子扫描成像为像面扫描成像)。靶 面上点从电子束中摄取电子，使靶极达到零电位。 从电子枪中射出的电子束的电子数目是固定不变 的，但靶面各点吸收电子的数目却因各点的电位 高低而不同，返回的剩余电子数形成了图像信号， 即图像的亮点，使靶面上对应点的电位高，则从 电子束中吸收的电子数就多，剩余返回的电子数 少；反之，电子数多。于是，返回电子数的多少 就反映了图像上各点的暗亮程度。
915KM 86rad 79m
探测器
• 探测器的作用是将辐射能转变成电信号输出。它的数量与 成像板上的光学纤维单元的个数相同，所使用的类型与响 应波长有关， • MSS 4-6采用18个光电倍增管， • MSS-7使用6个硅光电二极管， • Landsat2,3的MSS8采用2个汞钢筛热敏感探测器。 • 其致冷方式采用辐射致冷器致冷。经探测器检波后输出的 模拟信号进入模数变换器进行数字化，再由发射机内调制 器调制后向地面发送或记录在宽带磁带记录仪上。