传感器及其成像原理

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 以多路、 以多路 信息的仪器 •基本上属于多光谱扫描仪，其构造与 基本上属于多光谱扫描仪， 基本上属于多光谱扫描仪 其构造与CCD线阵列 线阵列 推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同， 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。 通道数多，各通道的波段宽度很窄。
摄影型传感器的特点
◇ 摄影相机胶片记录的灵敏度和分辨率都很高 ◇ 响应波段窄，0.4－1.1μm ◇ 图像几何关系稳定、严密（中心投影）。 ◇ 不利于地物信息的实时传输和数字处理，难 以进行较长时间的连续工作
扫描成像类传感器
•对物面扫描的成像仪 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、 对地面直接扫描成像（ 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 对像面扫描的成像仪 –瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描 瞬间在像面上先形成一幅影像， 瞬间在像面上先形成一幅影像 成像（线阵列CCD推扫式成像仪 ） 成像（线阵列 推扫式成像仪 •成像光谱仪 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 以多路、 以多路 的仪器
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 平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴(x) 平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴 轴旋转， 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 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 由前视后视相机组成， 由前视后视相机组成
TM各波段特征 各波段特征
对像面扫描的成像仪 •HRV——线阵列推扫式扫描仪 线阵列推扫式扫描仪 •立体观测 立体观测
High Resolution Visible
SPOT卫星 卫星HRV扫描仪 卫星 扫描仪
SPOT卫星 卫星HRV扫描仪 卫星 扫描仪
不需要扫描镜 的摆动，像缝 隙式摄影机那 样，以“推扫” 方式获取连续 条带影像。
遥感器的性能
遥感器的性能表现在很多方面，其中最具 有实用意义的指标是遥感器的分辨率。 分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要 概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个 重要指标。它包括空间分辨率、光谱分辨 率、时间分辨率和辐射分辨率。
1、空间分辨率
空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单 元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细 节能力的指标。也称地面分辨率。 通常用像元大小、影像分辨率或视场角来表示。 像元（ 像元（pixel）是指将地面信息离散化而形成的格网 ） 单元。像元越小空间分辨率越大。 视场角（ 视场角（field of view,FOV）是指遥感器的张角即 ） 瞬时视域，又称为遥感器的角分辨率。 影像分辨率（photographic resolution）是用单位 影像分辨率（ ） 距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数 来表示，单位为线/毫米或线对/毫米。
MSS多光谱扫描仪 多光谱扫描仪
•陆地卫星上的 MSS（Multispectral Scanner） 陆地卫星上的 （ ） •由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、 由扫描反射镜、 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。 成像板、光学纤维、滤光器和探测器等组成。
专题制图仪 TM(Thematic Mapper) 瞬时视场对应在地面为30×30m2 探测波段增加到7个 扫描改正器： 扫描行垂直于飞行轨道； 往返双向扫描
ETM+ (Enhanced Thematic Mapper)
#1: B #2: G #3: R 光 谱 响 应 #4: IR #5: SWIR1 #6: TIR #7: SWIR2 #8: PAN 0.45 - 0.515 / 30m 0.525 - 0.605 / 30m 0.63 - 0.690 / 30m 0.75 - 0.90 / 30m 1.55 - 1.75 / 30m 10.40 - 12.5 / 60m 2.09 - 2.35 / 30m 0.52 - 0.90 / 15m
收集器：收集来自地物(目标)的辐射能量。 如透镜组、反射镜组、天线等 探测器：将收集到的辐射能转化为化学能或电能。 如胶片、二极管等 处理器：将化学能或电能等信号进行处理。 如显影、定影、信号放大、变换、校正、编码等 输出器：将获取的数据输出出来。 如扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带 记录仪、彩色喷墨记录仪等
苏丹西北部撒哈拉沙 漠SIR-A 1981年11月 影像，彩色部分为 Landsat影像。由于干 燥沙漠介电常数较小， SAR能穿透地表，发现 沙漠地表下面有古河 床。
航天飞机成像雷达 SIR-B
• 由 SIR-A 改进 • 搭载在挑战号航天飞机， 1984.10 • 检验 L 波段在以下方面的 探测能力： - 土壤湿度
SEASAT 卫星
• • • • • 发射时间: 1978.6.28 第一个星载 SAR 系统 运行 105 天 用于地球海洋遥感探测 以 110 Mbits/S获取 数据
洛杉机地区 SEASAT 图像, 1978
航天飞机成像雷达 SIR-A
• 由 SEASAT 剩余部件建成 • 搭载在哥伦比亚航天飞机上， 1981.11 • 主要应用于地质探测 • 验证了 L 波段对干旱沙地 具有几米的穿透能力。 • 在二天内获取超过1千万平 方公里的地表SAR图像。
- 地质结构和岩石特征 - 海洋波浪谱
遥感技术与应用
遥感技术与应用
第三讲 遥感传感器及其成像原理
遥感传感器
遥感传感器：收集、探测、处理和记录物体电磁波辐 射信息的工具。它的性能决定了遥感的能力： 电磁波波段的响应能力（探测灵敏度、波谱分辨率） 图像的空间分辨率及其几何特性 获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度 成像的方式
无论哪种遥感传感器，都是由收集器、探测器、 处理器、输出器等四部分组成的。
3、时间分辨率
是指对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测 的时间间隔。
时间分辨率包括两种情况： 一种是遥感器本身设计的时间分辨率，受卫星运 行规律影像，不能改变； 另一种是根据应用要求，人为设计的时间分辨率， 它一定等于或小于卫星遥感器本身的时间分辨率。
4、辐射分辨率
辐射分辨率： 辐射分辨率：表征遥感器所能探测到的最小辐射功 率的指标，归结到影像上是指影像记录灰度值的最 小差值。 摄影成像时，摄影胶片的灵敏度很高，一般认为摄 影成像的灰度是连续的，因此辐射分辨率对像片而 言是没有意义的。在可见光到近红外波段，扫描方 式遥感器的辐射分辨率取决于它所记录的目标辐射 （主要是反射）功率的最小值。对热红外波段的遥 感器来讲，其辐射分辨率也称温度分辨率。
多光谱HRV 全色HRV
光谱范围：0.51～0.73µ 6000个探测元件 D=10m×10m 对应地面60km 两台平排 3km重迭 117km宽 6 bit编码
多光谱HRV 全色HRV
波段1 0.50～0.59µ 波段2 0.61～0.68µ 波段3 0.79～0.89µ 3000个探测元件 D=20m×20m 对应地面60km 8 bit编码
雷达成像仪
•特点 特点 –主动式遥感 主动式遥感 –雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特 雷达信号（ 雷达信号 距离、方位、相对速度、 性） –穿透特性 穿透特性 •分类 分类 –真实孔径雷达 真实孔径雷达 –合成孔径雷达 合成孔径雷达 –相干雷达 相干雷达 –激光雷达 激光雷达
•雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目 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。 标参数的复杂函数。 •系统参数： 系统参数： 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 地面目标参数与地物的复介电常数、 地面目标参数与地物的复介电常数 糙度等
有效扫描
1 2 3 回摆 6
MSS的扫描过程 MSS它是经过了辐射校准（系统噪声改 粗加工产品，它是经过了辐射校准（ 粗加工产品 ）、几何校正 系统误差改正）、 几何校正（ ）、分幅注记 正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记 （28.6s扫描 扫描390次分一幅）。 次分一幅）。 扫描 次分一幅 •精加工产品，它是在粗加工的基础上，用地面控制 精加工产品， 精加工产品 它是在粗加工的基础上， 点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差) 点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差 •特殊处理产品。 特殊处理产品。 特殊处理产品
对物面扫描的成像仪 •红外扫描仪 红外扫描仪 •MSS多光谱扫描仪 多光谱扫描仪 •TM专题制图仪 专题制图仪 •ETM+增强型专题制图仪 增强型专题制图仪
红外扫描仪
扫描成像过程 •当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线 当旋转棱镜旋转时， 当旋转棱镜旋转时 方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能， 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， 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， 经探测器输出视频信号， 经探测器输出视频信号 •经电子放大器放大和调制， 经电子放大器放大和调制， 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 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， 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。 记录下来。 •接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运 接着第二个扫描镜面扫视地面， 接着第二个扫描镜面扫视地面 胶片也作同步旋转， 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， 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。 应的二维条带图像。
MSS的成像过程 的成像过程
扫描仪 光学纤维 扫描镜 摆动± 89° 摆动±2.89° 185km 85km 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
n次扫描 474m 474m 扫描视场11.56° 扫描视场11.56° 11 185km 185km n+1 n+1次扫描 474m 474m 有效扫描 北 6线474m 474m 西 南 东 卫星轨迹
2、光谱分辨率
遥感器接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长 间隔。 一般来说，遥感器的波段数越多，波段宽度越窄， 地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。 足够的光谱分辨率可以区分出那些具有诊断性光 谱特征的地表物质。 对于特定的目标，选择的遥感器并非波段越多， 光谱分辨率越高，效果越好，而要根据目标的 光谱特征和必须的地面分辨率来综合考虑。
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。
红外扫描仪的分辨率 扫描线的衔接 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。 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， 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。 图像上的色调也与这两个因素成相应关系。
传感器分类 •摄影类型的传感器 摄影类型的传感器 •扫描成像类型的传感器 扫描成像类型的传感器 •雷达成像类型的传感器 雷达成像类型的传感器 •非图像类型的传感器 非图像类型的传感器
摄影型传感器
它是较为常用的遥感成像设备器，一般由物镜、快门、 光圈、暗盒(胶片)、机械传动装置等组成。
1 单镜头框幅式摄影机 Single-lens Frame Camera 2 缝隙式摄影机 Slit Camera 3 全景式摄影机 Panoramic Camera 4 多光谱摄影机 Multispectral Camera