第三章 传感器及成像原理
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§3.2 扫描成像类传感器－概述
扫描成像类型的传感器是逐点逐行以时序方式获 取二维图像，有两种主要的形式: • 一是对物面扫描的成像仪，特点是对地面直接扫 描成像，这类仪器有红外扫描仪、多光谱扫描仪、 成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱 仪。 • 二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一 幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪 器有线阵列CCD推扫式成像仪，电视摄像机。
产品价格(LANDSAT-7 2003年7月1日执行)
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• 一种对像面扫描的成像仪 • 法国SPOT 卫星上装载的HRV（High Resolution Visible range instrument）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CCD线阵列元件上， CCD的输出端以一路时序视频信号输出。 • 电荷耦合器件：CCD(Charge Coupled Device) ，是 一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激 发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达 到一路时序输出信号。
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§3.2 扫描成像类传感器 －红外扫描仪
• 红外扫描仪的分辨率
• 由于地面分辨力随扫描角发生变化，而使红外扫描 影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，其 形成的原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距 随θ角发生变化而致。 • 热红外像片的色调特征 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。
第三章 传感器及成像原理
本章主要内容 扫描成像类传感器 红外/MSS/TM/ETM+/HRV
雷达成像类传感器 真实孔径/合成孔径/侧视/相干 雷达
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§3.1 传感器结构及分类—传感器的分类
• 传感器是获取遥感数据的关键设备
（1）摄影类型的传感器； （2）扫描成像类型的传感器； （3）雷达成像类型的传感器； （4）非图像类型的传感器。 • 可具体按下面分类
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分解为三个过程：瞬间/1个扫描周期/一景
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• MSS产品有以下几种类别： 粗加工产品：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（28.6秒390次扫描分一幅）。 加工产品:在粗加工的基础上，用地面控 制点进行了纠正（去除了系统误差和偶然 误差）。 特殊处理产品。
§3.3 雷达成像仪 －真实孔径雷达（1）
• 原理： 天线装在平台的侧面，发射机向侧向面内发射一束窄脉 冲，地物反射的微波脉冲，由天线收集后，被接收机接收。 由于地面各点到平台的距离不同，接收机接收到许多信号， 以它们到平台距离的远近，先后依序记录。信号的强度与 辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。回波信号 经电子处理器的处理，在阴极射线管上形成一条相应于辐 照百度文库内各种地物反射特性的图像线，记录在胶片上。平台 向前飞行时，对一条一条辐照带连续扫描，在阴极射线管 处的胶片与平台速度同步转动，就得到沿航线侧面的由回 波信号强弱表示的条带图像。 6/20
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§3.3 雷达成像仪 －微波遥感发展历程（1）
• • • • 上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR） 1978年，美国Seaset海洋卫星 1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR） 1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1） 1995年，ERS2发射。 • 1995年，加拿大Radarset • 2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图计划 （SRTM:Shuttle Radar Topography Mission） • 2006年，日本ALOS-SAR
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• 成像过程 扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为 915km ，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为 79m×79m，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行 方向平行排列， 这样在瞬间看到的地面大小为 474m×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六条扫描线图 像，其地面范围为474m×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
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真实孔径雷达原理图
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§3.3 雷达成像仪 －真实孔径雷达（2）
• 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，它 与脉冲宽度有关，可用 下式表示：
C Rr 2 cos
0.1s 50,35
Rr 23m,18m
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• 微波遥感特点 1mm~1m的电磁波 微波 遥感使人们从一个完全不 同于光和热的视角去观察 世界，使用的是无线电技 术。 具体特点？ • 微波波段的划分 波段名称
Kα K Ku X C S L P
波长/cm
0.75~1.13 1.13~1.67 1.67~2.42 2.42~3.75 3.75~7.5 7.5~15 15~30 30~100 5/20
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§3.1 传感器结构及分类－传感器的构成
传感器的四个组成部分： 1.收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜 组、反射镜组、天线等。 2.探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体 的无器件如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、 共振腔谐振器等。 3.处理器：对收集的信号进行处理。如显影、定影、信 号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型有 摄影处理装臵和电子处理装臵。 4.输出器：输出获取的数据。输出器类型有扫描晒像仪、 阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪 等等。
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§3.2 扫描成像类传感器－红外扫描仪
• 具体结构： 旋转扫描镜 反射镜 探测器 制冷设备 电子处理装臵输 出装臵。
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§3.2 扫描成像类传感器 －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 面横越航线方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射 能，由幅的一边到另一边依次进入传感器，经探测器 输出视频信号，再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。
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• 成像原理 瞬间－》连续图像条带
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• CCD的缺点:光谱灵敏度的有限，只能在可见光和近红 外（1.2μm以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。 对于热红外区没有反应。 • SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式： 1、多光谱型的HRV，共分四个谱段： 绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－0.68μm 近红外0.79－0.89μm；中红外1.58－1.75μm 特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。 每个波段有3000个探测元件。 一行图像，相对地面上为20m×60km。每个像 元用8bit对亮度进行编码。
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• MSS（Multispectral Scanner）多光谱扫描仪。 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。
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• 扫描仪的结构 扫描反射镜作用：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。 反射镜组作用：将扫描镜反射进入的地面 景物聚集在成像面上。 成像板作用：将成像面上接收的能量传递 到探测器上去。 探测器作用：将辐射能量转变成电信号输 出。
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§3.3 雷达成像仪 －雷达的基本介绍（1）
• 组成：发射器、接收器、转换开关、天线、记录器 • 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。（雷达系统又是测距系统）
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§3.3 雷达成像仪 －雷达的基本介绍（2）
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
2、全色的HRV，波段范围0.51—0.73μm。 特点：一个像元大小为10m×10m； 一行图像，相对地面上为10m×60km； 6000个CCD元件组成一行； 用6bit的二进制数进行编码。 • 为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排 安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者 之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。相邻 轨道间的间隔约为108km（赤道处），垂直地面观测 时，相邻轨道间的影像约有9km重叠。这样共观测 369圈，全球在北纬81.3°和南纬81.3°之间的地表 面全部覆盖一遍。
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§3.3 雷达成像仪
本节内容 微波遥感发展历程 雷达一般结构 真实孔径雷达（RAR,Real aperture radar） 合成孔径雷达（SAR,synthetic aperture radar） 干涉雷达（INSAR,intervene SAR）
本节重点 雷达成像特点 INSAR测高原理
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§3.3 雷达成像仪 －微波遥感发展历程（2）
• SRTM作用：美国国家测绘局（NIMA）联合美国国家宇 航局（NASA）利用“奋进”号航天飞机历时222小时 23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的全部地球 表面高精度三维地形地图，其精度是现有地图的30倍。 SRTM仅用9天多的时间完成了人类在20世纪用100年时 间才完成的全球70％地区的地形图测绘，这在科学技 术史上是一大飞跃。 • SRTM目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的数 字地面高程数据库（DEM）。
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§3.2 扫描成像类传感器 －TM专题制图仪
• 成像过程
瞬间（30m*480m） 一个周期（480m*185km） 一景（185km*185km）
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§3.2 扫描成像类传感器 －ETM+增强型专题制图仪
• • ETM+是一台8谱段的多光谱扫描辐射计。 ETM+与TM相比在以下三方面作了改进： 1、增加PAN（全色）波段，分辨率15m， 因而使数据速率增加； 2、采用双增益技术使远红外波段（6）分 辨率提高到60m，也增加了数据率； 3、改进后的太阳定标器使卫星的辐射定 标误差小于5%，及其精度比Landsat-5约 提高1倍。辐射校正有了很大改进。
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Landsat 8
2013年2月11号，NASA 成功发射了 Landsat 8 卫星，为走过了四十年辉煌岁月的 Landsat 计 划重新注入新鲜血液。LandSat- 8上携带有两 个主要载荷：OLI和TIRS。其中OLI（全称： Operational Land Imager ，陆地成像仪）由卡 罗拉多州的鲍尔航天技术公司研制；TIRS（全 称：Thermal Infrared Sensor，热红外传感 器），由NASA的戈达德太空飞行中心研制。 设计使用寿命为至少5年。
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§3.2 扫描成像类传感器 －TM专题制图仪
• Landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）是一个高级 的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描 仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的 频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度 和分辨力。 • 特点： 1、TM中增加一个扫描改正器。2个作用 2、TM的探测器共有100个，分七个波段。 3、探测器每组16个，呈错开排列。
§3.2 扫描成像类传感器－概述
扫描成像类型的传感器是逐点逐行以时序方式获 取二维图像，有两种主要的形式: • 一是对物面扫描的成像仪，特点是对地面直接扫 描成像，这类仪器有红外扫描仪、多光谱扫描仪、 成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱 仪。 • 二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一 幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪 器有线阵列CCD推扫式成像仪，电视摄像机。
产品价格(LANDSAT-7 2003年7月1日执行)
21/25
§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• 一种对像面扫描的成像仪 • 法国SPOT 卫星上装载的HRV（High Resolution Visible range instrument）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CCD线阵列元件上， CCD的输出端以一路时序视频信号输出。 • 电荷耦合器件：CCD(Charge Coupled Device) ，是 一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激 发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达 到一路时序输出信号。
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§3.2 扫描成像类传感器 －红外扫描仪
• 红外扫描仪的分辨率
• 由于地面分辨力随扫描角发生变化，而使红外扫描 影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，其 形成的原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距 随θ角发生变化而致。 • 热红外像片的色调特征 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。
第三章 传感器及成像原理
本章主要内容 扫描成像类传感器 红外/MSS/TM/ETM+/HRV
雷达成像类传感器 真实孔径/合成孔径/侧视/相干 雷达
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§3.1 传感器结构及分类—传感器的分类
• 传感器是获取遥感数据的关键设备
（1）摄影类型的传感器； （2）扫描成像类型的传感器； （3）雷达成像类型的传感器； （4）非图像类型的传感器。 • 可具体按下面分类
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分解为三个过程：瞬间/1个扫描周期/一景
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• MSS产品有以下几种类别： 粗加工产品：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（28.6秒390次扫描分一幅）。 加工产品:在粗加工的基础上，用地面控 制点进行了纠正（去除了系统误差和偶然 误差）。 特殊处理产品。
§3.3 雷达成像仪 －真实孔径雷达（1）
• 原理： 天线装在平台的侧面，发射机向侧向面内发射一束窄脉 冲，地物反射的微波脉冲，由天线收集后，被接收机接收。 由于地面各点到平台的距离不同，接收机接收到许多信号， 以它们到平台距离的远近，先后依序记录。信号的强度与 辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。回波信号 经电子处理器的处理，在阴极射线管上形成一条相应于辐 照百度文库内各种地物反射特性的图像线，记录在胶片上。平台 向前飞行时，对一条一条辐照带连续扫描，在阴极射线管 处的胶片与平台速度同步转动，就得到沿航线侧面的由回 波信号强弱表示的条带图像。 6/20
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§3.3 雷达成像仪 －微波遥感发展历程（1）
• • • • 上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR） 1978年，美国Seaset海洋卫星 1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR） 1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1） 1995年，ERS2发射。 • 1995年，加拿大Radarset • 2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图计划 （SRTM:Shuttle Radar Topography Mission） • 2006年，日本ALOS-SAR
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• 成像过程 扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为 915km ，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为 79m×79m，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行 方向平行排列， 这样在瞬间看到的地面大小为 474m×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六条扫描线图 像，其地面范围为474m×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
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真实孔径雷达原理图
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§3.3 雷达成像仪 －真实孔径雷达（2）
• 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，它 与脉冲宽度有关，可用 下式表示：
C Rr 2 cos
0.1s 50,35
Rr 23m,18m
9/20
• 微波遥感特点 1mm~1m的电磁波 微波 遥感使人们从一个完全不 同于光和热的视角去观察 世界，使用的是无线电技 术。 具体特点？ • 微波波段的划分 波段名称
Kα K Ku X C S L P
波长/cm
0.75~1.13 1.13~1.67 1.67~2.42 2.42~3.75 3.75~7.5 7.5~15 15~30 30~100 5/20
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§3.1 传感器结构及分类－传感器的构成
传感器的四个组成部分： 1.收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜 组、反射镜组、天线等。 2.探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体 的无器件如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、 共振腔谐振器等。 3.处理器：对收集的信号进行处理。如显影、定影、信 号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型有 摄影处理装臵和电子处理装臵。 4.输出器：输出获取的数据。输出器类型有扫描晒像仪、 阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨仪 等等。
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§3.2 扫描成像类传感器－红外扫描仪
• 具体结构： 旋转扫描镜 反射镜 探测器 制冷设备 电子处理装臵输 出装臵。
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§3.2 扫描成像类传感器 －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 面横越航线方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射 能，由幅的一边到另一边依次进入传感器，经探测器 输出视频信号，再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。
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• 成像原理 瞬间－》连续图像条带
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
• CCD的缺点:光谱灵敏度的有限，只能在可见光和近红 外（1.2μm以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。 对于热红外区没有反应。 • SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式： 1、多光谱型的HRV，共分四个谱段： 绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－0.68μm 近红外0.79－0.89μm；中红外1.58－1.75μm 特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。 每个波段有3000个探测元件。 一行图像，相对地面上为20m×60km。每个像 元用8bit对亮度进行编码。
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• MSS（Multispectral Scanner）多光谱扫描仪。 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。
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§3.2 扫描成像类传感器 －MSS多光谱扫描仪
• 扫描仪的结构 扫描反射镜作用：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。 反射镜组作用：将扫描镜反射进入的地面 景物聚集在成像面上。 成像板作用：将成像面上接收的能量传递 到探测器上去。 探测器作用：将辐射能量转变成电信号输 出。
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§3.3 雷达成像仪 －雷达的基本介绍（1）
• 组成：发射器、接收器、转换开关、天线、记录器 • 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。（雷达系统又是测距系统）
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§3.3 雷达成像仪 －雷达的基本介绍（2）
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§3.2 扫描成像类传感器 －HRV线阵列推扫式扫描仪
2、全色的HRV，波段范围0.51—0.73μm。 特点：一个像元大小为10m×10m； 一行图像，相对地面上为10m×60km； 6000个CCD元件组成一行； 用6bit的二进制数进行编码。 • 为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排 安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者 之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。相邻 轨道间的间隔约为108km（赤道处），垂直地面观测 时，相邻轨道间的影像约有9km重叠。这样共观测 369圈，全球在北纬81.3°和南纬81.3°之间的地表 面全部覆盖一遍。
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§3.3 雷达成像仪
本节内容 微波遥感发展历程 雷达一般结构 真实孔径雷达（RAR,Real aperture radar） 合成孔径雷达（SAR,synthetic aperture radar） 干涉雷达（INSAR,intervene SAR）
本节重点 雷达成像特点 INSAR测高原理
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§3.3 雷达成像仪 －微波遥感发展历程（2）
• SRTM作用：美国国家测绘局（NIMA）联合美国国家宇 航局（NASA）利用“奋进”号航天飞机历时222小时 23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的全部地球 表面高精度三维地形地图，其精度是现有地图的30倍。 SRTM仅用9天多的时间完成了人类在20世纪用100年时 间才完成的全球70％地区的地形图测绘，这在科学技 术史上是一大飞跃。 • SRTM目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的数 字地面高程数据库（DEM）。
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§3.2 扫描成像类传感器 －TM专题制图仪
• 成像过程
瞬间（30m*480m） 一个周期（480m*185km） 一景（185km*185km）
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§3.2 扫描成像类传感器 －ETM+增强型专题制图仪
• • ETM+是一台8谱段的多光谱扫描辐射计。 ETM+与TM相比在以下三方面作了改进： 1、增加PAN（全色）波段，分辨率15m， 因而使数据速率增加； 2、采用双增益技术使远红外波段（6）分 辨率提高到60m，也增加了数据率； 3、改进后的太阳定标器使卫星的辐射定 标误差小于5%，及其精度比Landsat-5约 提高1倍。辐射校正有了很大改进。
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Landsat 8
2013年2月11号，NASA 成功发射了 Landsat 8 卫星，为走过了四十年辉煌岁月的 Landsat 计 划重新注入新鲜血液。LandSat- 8上携带有两 个主要载荷：OLI和TIRS。其中OLI（全称： Operational Land Imager ，陆地成像仪）由卡 罗拉多州的鲍尔航天技术公司研制；TIRS（全 称：Thermal Infrared Sensor，热红外传感 器），由NASA的戈达德太空飞行中心研制。 设计使用寿命为至少5年。
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§3.2 扫描成像类传感器 －TM专题制图仪
• Landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）是一个高级 的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描 仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的 频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度 和分辨力。 • 特点： 1、TM中增加一个扫描改正器。2个作用 2、TM的探测器共有100个，分七个波段。 3、探测器每组16个，呈错开排列。