遥感教案 3第三章 遥感传感器及成像原理

3.3 雷达成像仪
雷达：无线电测距和定位．工作波段大多在
微波范围．按照工作方式分为成像雷达和非成像 雷达，成像雷达分为真实孔径侧视雷达和合成孔 径侧视雷达．雷达是由发射机通过天线在很短的 时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁 波脉冲，然后利用同一天线接收目标地物反射的 回波信号而进行显示的一种传感器．
ＴＭ探测技术指标
探测器 波段 （微米） 0.45-0.52 0.52-0.60 0.63-0.69 0.76-0.90 1.55-1.75 10.40-12.50 2.08-2.35 分辨率 （米） 30 30 30 30 30 120 30 量化 （比特） 8 8 8 8 8 8 8 扫幅 （公里） 185 185 185 185 185 185 185 像元数 信噪比 Ｓ／Ｎ 52-143 60-279 48-248 35-342 40-194 0.1-0.28 21-164
扫描成像过程 当旋转棱镜旋转时，镜面对地面横越航线方向扫视一次，在 地面瞬时视场内的地面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，经光器分光后分别照射到相应的探 测器上。探测器则将辐射能转变为视频信号，再经电子放大器 放大和调整，在阴极射线管上显示瞬时视场的地面影像，底 片曝光后记录下来，或者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，向地面作实 时发放或由磁带记录仪记录后作延时回放。随着棱镜的旋转， 垂直于飞行方向上的地面依次对地面进行扫描，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。 1）瞬时视场角：扫描系统在某一时刻对空间所张的角度。探测 原件的线度与 光学系统的总焦距之比。 2）像点：瞬时视场角在影像上对应的点，也叫像元，像素。
第三章 遥感传感器及成像原理 3.1传感器的组成及分类 3.2扫描类型的传感器 3.3雷达成像仪
3.1传感器的组成及分类
传感器:收集,探测并记录地物电磁波辐射信息的仪器
收集器
探测器
处理器
输出器
透镜 反射镜 天线
胶卷 光电器件 热电器件
光电倍增管 电子倍增管
胶片 磁带
传感器的分类 按电磁波辐射来源分: 主动传感器,被动传感器 按对电磁波记录方式分: 成像方式,非成像方式 按成像原理和所获取图像的性质不同分: 摄影机,扫描仪,雷达 制作背景:胶片的感光范围有限制,只能探测到0.3-1.4 微米之间的电磁辐射. 扫描仪主要依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬 时视场为单位进行逐点,逐行采样,以得到目标地物电 磁辐射特性信息,利用光电效应和光热效应,将辐射能 转为电能,或是其他物理特性的变化,从而对物体进行 探测.
TM２
绿
0.52～0.60
植物在绿光 波段反射峰 0.55 植物叶绿素 吸收峰0.65 受植物细胞 结构的影响， 植物在0.70 至1.3高反射
TM３
红
0.6３～0.69
用于区分植物种类与植物覆盖度，探测 植物叶绿素吸收的差异，在秋季则反映 叶黄素、叶红素的差异 确定绿色植被类型，做生物长势和生物 量的调查，水域判别等
地面接收及产品 地面接收站主要接收卫星发下来的遥感图像信息 和卫星姿态，星历参数等，将这些信息记录在高 密度数字磁带上，然后送往数据中心处理成可供 用户使用的胶片和数字磁带等． 地面接收站包括以下几个部分： 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． ＭＳＳ的产品分为几个类别 粗加工产品（辐射校正，几何校正，）， 精加工产品（在粗加工的基础上用控制点进行了 校正） 特殊产品
合成孔径侧视雷达：是
利用遥感平台的前进运动， 将一个小孔径的天线安装 在平台的侧方，以代替大 孔径的天线，提高方位分 辨率的雷达．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 储存记录下来.
思考题 1主要的遥感平台有哪些？各自的特点 2扫描成像的基本原理 3说出任意一种传感器的成像过程及波段范围 及主要技术指标
ＴＭ专题制图仪 高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器 与ＭＳＳ相比，ＴＭ增加一个扫描改正器， 使扫描行垂直于飞行轨道，另外使往返双 向都对地面扫描，探测器１００个，分７ 个波段
ＴＭ各波段的图像特征
波段号 波 段 波长范围（） 设计数据 波段特征 主要用途 TM1 蓝 0.45～0.52 植物色素吸 收峰0.45 对水体穿透力强， 有助于判别水深，水中叶绿素分布，近 海域制图 对叶绿素及叶色 素浓度反映敏感 对健康茂盛植物 绿发射敏感，对 水的穿透力较强 为叶绿素主要吸 收波段 对绿色植物类别 差异最敏感，为 植物通用波段 探测健康植物，评价植物生长活力，研 究水下地形特征和水污染
空间分辨率：瞬时视场在地 面对应的距离。扫描角越大， 分辨率越低，航 高越高，分辨率也越低
3）
垂直摄影时，扫描角θ为０
a=d×H/f
d： 为探测器尺寸， f： 为扫描仪焦距， Ｈ： 为航高 当观测视线倾斜时，
(平行于航线方向的地面分辨率)
aθ=a×secθ
(垂直于航线方向的地面分辨率)
aθ1=a×secθ× secθ
侧视雷达的天线不是安装在遥感平台的正
下方，而是与遥感平台的运动方向形成角度，朝 向一侧或两侧倾斜安装，向侧下方发射电磁波， 接收回波信号的
–真实孔径侧视雷达：以实际孔径天线进行
工作的．
距离分辨率：在脉冲的发射方向上，能分辨两个目 标的最小距离． 它与脉冲的宽度有关，因此，若提高距离分辨率需 要减小脉冲宽度，目前采用脉冲压缩技术来提高距 离分辨率 方位分辨率：是指相邻的两束脉冲之间，能分辨两 个目标的最小距离， 它与波瓣角有关，要提高方位分辨率就要加大天线 孔径或者缩短距离和工作波长，但是不可取，因此， 出现了合成孔径侧视雷达．
百度文库
TM４
近 红 外
0.76～0.90
TM５
中 红 外 热 红 外
1.55～1.75
水分子在1.4、 处于水的吸收范 1.9的吸收峰 围内，反映含水 量敏感 地物热红外 发射特征 可进行热制图
用于植物含水量的调查、土壤湿度、水 分状况、作物长势的研究，区分云和雪
TM６
10.4～12.5
植物和地物的热强度测定分析，人类热 活动特征监测
成像板上的光学纤维单元接收的辐射能， 经光学纤维传递到探测器，探测器对信号 减波后有24路输出，采用脉码多路调制方 式，对每个信道做一次抽样，经过计算， 每9.958微秒扫描镜视轴仅在地面上移动 了56米，因此采样后的mss的空间分辨率 为56m×79m（Landsat-4为68m×83m） 采样后对每个像元采用6bit进行编码，采 样后的数据用脉码调制方式馈入天线向地 面发送
成像过程 扫描仪每个探测器的瞬时视场角为86微弧 度，卫星高度为915公里，因此，扫描瞬间 每个像元的地面分辨率为79m×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，这样瞬间看见的地面大小为 474m×79m.又由于扫描总视场为11.56度， 地面宽度为185公里，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×185km,扫描周期为73.4ms（1000毫 秒＝１秒），在扫描一次的时间里卫星向 前正好移动474m,因此扫描线正好衔接．
3.2.2对像面扫描的 对像面扫描的 成像仪
与其他的扫描成像的区别是 探测器系统是电荷耦合器件 ＣＣＤ．它是一种新兴半导 ＣＣＤ．它是一种新兴半导 体器件， 体器件，利用电荷量来表示 信号， 信号，用耦合的方法进行信 号传输的器件。 号传输的器件。 成像原理： 成像原理： 以法国SPOT卫星上装载的 以法国 卫星上装载的 HRV为例 为例 把电荷耦合器件做成电极数 目相当多的一个线阵列
４）扫描线的衔接 Ｗ＝Ａ／Ｔ Ａ为探测器的地面分辨率 Ｔ为旋转棱镜扫描一次的时间 Ｗ为飞机的地速 这时，两个扫描带的重叠度为０．但是没 有空隙． 为使扫描线正确衔接，速度与行高之比应 为一个常数
常见光机扫描类型的传感器 １ＭＳＳ多光谱扫描仪 结构
扫描反射镜：用于获取垂直飞行方向两边 共１８５Ｋm范围内的来自景物的辐射能． 反射镜组：将扫描镜反射进入的地面景物 聚集在成像面上． 成像板：２４＋２个玻璃纤维单元，按波 段排成４行，每个单元对应空间分辨率， 探测器：将辐射能转化成电信号输出
ＳＰＯＴ卫星有两种ＨＲＶ，一种是多光谱型的， 一种是全色的．两种ＨＲＶ的主要参数如下：具 体的SPOT卫星ＨＲＶ探测器主要技术指标见书 ３８页．ＳＰＯＴ５地面分辨率见书３９页．
3.2.3成像光谱仪 将传统的空间成像技术与地物光谱技术有 机地结合在一起，可以实现对同一地区同 时获取几十个到几百个波段的地物反射光 谱图像． 它基本上属于多光谱扫描仪，其构造与Ｃ ＣＤ线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪 类型相同，区别在于通道数目多，各通道 的波段宽度很窄．
3.2扫描成像类传感器
----依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位 进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信 息，形成一定谱段的图象． 对物面扫描的成像仪： 对物面扫描的成像仪： 特点:对地面直接扫描 光机扫描仪(红外扫描仪，多光谱扫描仪)，成像光谱仪， 多频段频谱仪 对像面扫描的成像仪： 对像面扫描的成像仪： 特点:瞬间在像面上先形成一条线图象,甚至是一幅二维影 象,然后对影象进行扫描成像. 线阵列ＣＣＤ推扫式成像仪，电视摄像机
ＴＭ
6320 6320 6320 6320 6320 6320 6320
ETM＋增强型专题制图仪 与TM传感器相比有以下３方面的改进： １）增加全色波段，分辨率为１５米 ２）采用双增益技术使远红外波段的分辨 率提高到６０米 ３）卫星的辐射定标误差小于５％
红外扫描仪 热红外像片的色调特征 热红外扫描仪对温度敏感性高，因为它与温 度的4次方成正比，温度的变化能产生较高的 色调差别。例58页的机场的停机坪的热红外 58 像片，像片中的飞机已发动的温度较高，色 调浅，未发动的温度低，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。
法国ＳＰＯＴ卫星上装载 的ＨＲＶ是一种线阵列推 扫式扫描仪，，仪器中有 一个平面反射镜，将地面 辐射来的电磁波反射到反 射镜组，然后聚焦在ＣＣ Ｄ线阵列元件上，ＣＣＤ 的输出端以一路时序视频 信号输出．由于使用ＣＣ Ｄ做探测器，在瞬间能同 时得到垂直航线的一条图 象线，不需要用摆动的扫 描镜，以推扫方式获取沿 轨道的连续图象条带．
3.2.1光学机械扫描成像 结构组成: 光学机械扫描仪是借助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,得到地面条带图象的成像装置.主要有红外扫描仪和多光谱扫 描仪2种,主要由收集器,分光器,探测器,处理器,输出器等几部分组成. 1）收集器 多光谱扫描仪可用透镜系统也可以用反射镜系统作为收集器,但是红外扫描仪采 用反射镜系统. 2）分光器 目的是将收集器收集的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成分.常用的有分光 棱镜,衍射光栅,分光滤光片. 3）探测器 探测分光后的电磁波并把它变为电信号的元件叫探测器. 分为光电子发射型(探测从紫外到可见光区的地物光谱特性) ,光激发载流子型(从可见光到红外区的电磁波辐射), 热效应型的探测器(热红外探测器,能把红外辐射转变为电能,必须低温下工作). 4）处理器 从探测器出来的低电信号,需放大和限制带宽.一般在探测器后面设置低躁声的 前置放大器来进行这项工作. 5）输出器 一种是胶片,一种是磁带,要把探测器输出的视频信号记录在胶片上,必须经电光 变换线路来调制一些发光器件,这时发光器件上的光信号强度和视频信号强度一 致,当胶片曝光时，数据就被记录下来。输出数据用磁带仪记录在磁带上。有的 磁带记录仪作为遥感数据的暂存器，在一定时期向地面发送。