遥感原理与方法第6章 扫描成像

目目 录录 第第 6 6 章章 扫描成像扫描成像 1 1 6 16 1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 1 1 6 1 1 探测器主要性能参数 1 6 1 2 半导体导电机理 2 6 1 3 扫描探测器的工作原理 5 6 26 2 电子扫描成像电子扫描成像 6 6 6 2 1 电视摄像机基本构造 6 6 2 2 电子扫描成像过程 6 6 36 3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 8 8 6 3 1 光机扫描仪的结构组成 8 6 3 2 光机扫描仪的成像过程 11 6 46 4 固体自扫描成像固体自扫描成像 1313 6 4 1 CCD 的基本结构与工作原理 13 6 4 2 CCD 成像原理 14 6 4 3 CCD 探测器类型 15 1 第第 6 6 章章 扫描成像扫描成像 受胶片感光范围的限制 摄影胶片一般仅能记录波长在 0 3 1 4 m 间的电磁波辐射 加之由于在航天遥感时采用摄影型相机的卫星所带的胶片有限 因此 摄影成像的应用范 围受到了较大的限制 扫描成像是 50 年代以来产生 形成的一种新兴探测技术 它主要 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的逐点 逐行取样 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 将辐射能转换成电能 电流 电压 或者是其它物理特性 体积 压力等 的变化 从而对物体进行探测 扫描成像探测波段可 包括紫外 红外 可见光和微波波段 数据可采用视频传输方式来回收 应用领域广泛 是遥感的重要成像方式和发展方向 6 1 扫描探测器工作原理 6 1 1 探测器主要性能参数 与其它器件一样 探测器也有一套根据实际应用的需要而制定的特性参数 用这些参 数可以评价一个探测器的优劣 图 6 1 为探测器功能示意图 输入的是辐射能 输出的是 电压 下面介绍几个主要特性参数 图 6 1 探测器的功能图 图 6 2 探测器光谱响应曲线 1 响应率 响应率是到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压 即输出电压与输入辐射能量之 比 表达式是 6 1 输出电压 伏 输入的辐射能量 瓦 2 响应波长范围 探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系 图 是探测器的光谱响应曲线 2 一般情况下 响应曲线有一最大响应峰 对应波长为 p 从 p 向两边响应率都有所下 降 我们把下降到峰值的一半所在的波长 c1 c2叫做截止波长 探测器的使用范围波 长 只能在 c1和 c2之间 3 噪声电压 n 和等效噪声功率 NEP 探测器在工作时本身所固有的一些毫无规律的 事前无法预测的随机电压起伏 叫噪 声电压 简称噪声 n 如果投射到探测器上面的辐射通量产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压 这个辐射量就叫做等效噪声功率 NEP 意思是说 它对探测器所产生的效果与噪声相等 NEP n n s 6 2 显然等效噪声功率 NEP 就是信噪比 s n 等于 的入射辐射通量 要真正肯定 辐射信号的存在 入射辐射功率应为 NEP 的 2 6 倍 NEP 基本能表达一个探测器的探测 能力 但它的大小依赖于探测器的面积 A 也依赖于放大器带宽 f 为了比较探测器的 优劣 须用探测灵敏度 D 来衡量 D 是与 NEP 成反比的量 由下式求出 6 3 NEP fA D 式中 D 为探测灵敏度 A 为元件的面积 NEP 为等效噪声功率 f 为频带宽度 当元件 面积为 1cm2 频带宽度为 1Hz 照射光的入射功率为 1W 时 D 的值等于探测器输出信号 与其噪声之比 即信噪比 S N 另外 还常用光谱分辨率来表达传感器的光谱探测能力 它包括传感器总的探测波谱 的宽度 波段数 各波段的波长范围和间隔 若传感器所探测的波段愈多 每个波段的波 长范围愈小 波段间的间隔愈小 则它的光谱分辨率愈高 传感器的光谱分辨率高 它取 得的图像就能很好地反映出地物的光谱特性 不同地物间差别在图像上就能很好地体现出 来 传感器探测地物的能力就强 4 响应时间 当一定能量的辐射突然到达探测器的敏感面上时 探测器的输出电压要经过一定的时 间才能上升到与这一辐射通量相对应的稳定值 当辐射突然除去后 输出电压也要经过一 定的时间 才能下降到辐射之前原有值 一般而论上升下降所需时间是相等的 这一段时 间就称为探测器的响应时间 6 1 2 半导体导电机理 我们知道 物体可分为导体 半导体和绝缘体 导体传导电流 绝缘体隔离电流 半 导体传导电流的能力介于它们两者之间 1 物体导电机理 由物体微观结构知 物质由原子核和电子组成 电子成层分布在核周围 靠核较近的 电子 受核吸引力较大 一般不能脱离开核 离核远的电子 受核吸引力较小 物体的原 子中离核最远的那些电子 受力最小 结合最松 很容易受到相邻原子核的作用 从而脱 3 离它原来的原子 成为不属于某一个原子而是整个晶体的电子 由于它能在晶体中自由运 动 所以称为 自由电子 金属物体自由电子浓度非常高 这些自由电子在晶体内的运 动是杂乱无章的 但是 如果有外加电压作用于导体上 自由电子的运动就受到电场力的 牵引 有一个顺电场作用力方向的加速运动 也就是说 自由电子都会以一定的速度从导 体的一端迁移到另一端 这就是导体传导电流的过程 2 半导体的导电机理 半导体的物体在组成晶体时 相邻的两个原子各以一个电子相结合 称键合 而形成属 于这两个原子的一对键合电子 如果没有其它因素干扰 原子最外层的电子都分属于各对 原子 没有自由电子 这时导电率为零 不导电 但是当有干扰存在时 如温度变化 杂 质的加入 就产生了自由电子 其浓度随温度 杂质的变化而变化 1 温度的影响 半导体晶体结构中 相邻两原子之间的键合电子与原子的结合并不很强 晶体的温度 升高后 热振动可能使某一个电子摆脱原子的束缚成为自由电子 自由电子的浓度随温度 升高而迅速增长 当一个键合电子变成自由电子离开了它所属的原子对后 就在它原来原 子对处留下了一个空位置 这时 附近的键合电子很可能脱离它所属的原子对而来填补这 个空位置 这就相当于空位置换了一个地方 键合电子变成自由电子带的是负电荷 所以 它逆电场方向运动 而它留下的空位置 在电场作用下 由于键合电子的不断填补 就象 一个带阳电荷的粒子顺电场方向运动 这两种运动 都传导电流 通常我们称这种空位置 为自由 空穴 它所传导的电流就叫 空穴导电 载流子 自由电子和自由空穴都是电流的负载者 通称 载流子 2 杂质的影响 半导体中的杂质对载流子的浓度有很大影响 下面分两种情况讨论 第一 如果把高 价电子的杂质原子掺到低价半导体中 杂质原子取代原半导体原子的位置后 在那里就多 了一个电子 这个电子很容易脱离原杂质原子的束缚 变成自由电子 就能传导电流 杂 质原子失去一个电子就变成了带一个单位正电荷的 离子 但已不能在晶体中自由运动 因此 没有传导电流的能力 第二 如果把低价电子的杂质原子掺到高价半导体中 以杂 质原子代替原原子 在那个位置上就少了一个键合电子 也可以说是一个空穴 这时别的 原子的键合电子就可能填补这个空穴 因而空穴会转移到别的位置上 这样的空穴也是自 由空穴 能传导电流 在杂质原子处 由于填补了一个电子 杂质原子就变成了带有一个 单位负电荷的阴离子 它不能传导电流 上述第一种 以自由电子作为主要载流子的半导 体称 型半导体 第二种以自由空穴作为主要载流子的半导体 称 P 型半导体 在半导体 中只要掺入很少一点杂质 就可以使载流子的浓度大为增加 由上可见 半导体与金属导体的导电机理的本质区别在于 金属由于形成晶体时就已 经有大量的自由电子 人们无法改变它 温度及掺杂仅稍影响其迁移率 对其导电率的影 响非常有限 而半导体通过温度的改变 掺杂或者其它方法 可以大大改变其载流子浓度 因而人们可以有意识地控制它的导电率 这就使半导体具备了各种用途的可能性 3 半导体的能带结构 下面我们用能级的概念进一步说明半导体的导电机理 4 固体的能带结构是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法 前面讲过 在简单 的玻尔原子模型中 绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上 它们各有各的轨道 除 非原子被激发 否则电子都占据着较低的能级 对于固体来说 与气体 液体不同 它的 原子靠得很近 由于量子作用的结果 单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带 这些 能带被电子的禁带隔开 所谓禁带 就是禁止电子存在的地带 虽然这些能带看起来是连 续的 但详细研究表明 其能级仍是分开的 不过能量间隔很小 只有 10 14电子伏特 最高的能带是完全充满的 称为价带或满带 下一个较高的能带 不管是占据还是未占据 有电子 都称为导带 只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献 如图 所示 是导电体的能带结构 其特征是导带内没有被电子全部占满 并 且禁带很窄 所以各能级上的电子在电场作用下 可以发生跃过禁带的跃迁 绝缘体是指 在电场作用下不能发生电子定向运动 电流 的物体 如 所示 它的电子刚好占满了价带 中的全部能级 导带是空的 禁带很宽 价电子不可能获得足够的能量升到导带中去 半 导体介于导体和绝缘体之间 禁带较窄 在室温条件下 某些价电子就能获得足够的能量 跃过禁带到达导带 这些电子原来占据的位置成了正电荷 称空穴 在存在电场时 空穴 会像电子一样流过材料 而与电子流动的方向相反 如 所示 根据半导体中有无杂质 可将其分成本征半导体 无杂质 和非本征半导体 有杂质 图 6 3 固体能带示意图 光电导 在入射光子的能量大于禁带宽度 E 这个条件下 用辐射照射半导体产生截流 子 从而增加半导体的导电率的过程 称为光电导 h 根据电磁辐射理论 产生 光电导的辐射存在一个波长界限 截止波长 为 c 24 式中 用电子伏特表示 c 用微米 所以要增大截止波长 必须减少禁带宽度 减小禁带宽度目前要用的方式主 要是降低半导体的温度和掺入少量杂质两种 5 6 1 3 扫描探测器的工作原理 在扫描探测器中 根据其探测过程的物理机制 可分为光子或电子探测器与热探测器 两类 1 光子或电子探测器 光子或电子探测器包括光电探测器 光电导探测器 光生伏打探测器和光磁电探测器 等多种类型 1 光电探测器 根据光电效应 由金属材料制成的探测器称光电探测器 由前面已知 光电效应的产 生 取决于材料表面的脱出功 A 和入射光的频率 截止波长 1 24 碱金属 最低 如铯 1 9 伏 0 65 金属化合物的 更低 使得 变大 然而 由金属制造的普通光电管所产生的光电子的能量相当弱 很难记录与显示 因 此在遥感中 常采用光电倍增管 经过多次激发 电子数目不断增加 目前用的光电倍增 管中增级可达 13 级 所以 光电倍增管是非常灵敏的 可以探测到极其微弱的光辐射 2 光电导型探测器 根据光电导现象 由半导体材料制成的探测器称光电导型探测器 目前做成的光电导 型红外探测器的半导体有 硫化铅 砷化铟 锑化铟 碲镉汞 以及锗 硅 掺杂等 截止 波长 1 24 禁带宽度 3 光生伏特型探测器 根据光生伏特效应由 结半导体材料制成的探测器 称光生伏特型探测器 在该 探测器中入射辐射必须能激发出电子 空穴对 从目前的工艺水平看光导型和光伏型两类 探测器所达到的探测基本相同 光导型的与响应时间成正比 而光伏型的则与时间无关 所以后者的响应时间可以很短 增加了可能使用的范围 综上所述 光电探测器是利用物体中的电子吸收入射辐射能而改变运动状态的光电效 应 因为物体的电学性质是由电子运动来决定的 电子运动状态的改变就是物体电学性质 的改变 因此 光电探测器的物理过程是外界辐射照射直接引起探测元件电学性质的改变 2 光热效应与热敏类探测器 利用光热效应原理做成的探测器称做热敏类探测器 与遥感关系密切的主要有两类 1 热敏电阻型探测器 辐射照射产生的热效应 可以引起半导体电阻的改变 从而把入射的辐射能量转变成 输出电压 据此而制造的探测器 称为热敏电阻型探测器 热敏电阻在受到辐射照射时 首先是温度升高 而后引起电阻改变 随着照射进行 半导体的温度达到一个稳定值 电 阻也随之达到一个稳定值 半导体电阻的改变 就引起电路中输出电压的改变 它反映了 入射辐射能量的大小 所以要使热敏电阻探测器具有大的响应率 一方面探测器的结构必须使热敏感元件有 较大的温度升高 另一方面探测器的材料必须具有较大的电阻 温度敏感性 而这些又 6 与响应时间有关 2 热释电型探测器 电介质在外加电压的情况下 内部带电粒子受电场力的作用 正电荷趋向阴极 负电 荷趋向阳极 结果使电介质的一个表面带正电 相反表面带负电 即产生电极化 电压除 去后多数极化状态随即消失 但是有一类叫做 铁电体 的电介质 电压除去后仍保持着 极化状态 自发极化 其极化强度与温度有关 温度升高 极化强度减弱 升高到一 定温度 自发极化消失 这个温度叫 居里温度 在居里温度以下 利用极化强度与温 度的关系 可制成探测器 热释电型探测器 当辐射照射到已极化好的铁电体上时 引起 温度升高 因而表面电荷减少 这就相当于 释放 了一部分电荷 释放的电荷可用放大 器转变成输出电压 表面温度升高到新的平衡值后 表面电荷也就达到新的平衡浓度 不 再释放电荷 没有信号输出 此外 利用气体胀缩性原理可制成探测器 该类探测器称为气动型探测器 6 2 电子扫描成像 电子扫描成像包括聚焦 摄像 传送和显像四个过程 物体反射光经透镜聚焦后 进 入摄像管 摄像管把得到的影像转换成电信号 用超短波无线电传送出去 以接收天线电 信号进入显像管 通过显像管在荧光屏上重显影像 或者是用磁带记录下来 现代电视摄 像机就是电子扫描成像的典型代表 6 2 1 电视摄像机基本构造 电视摄像机是像面电子扫描成像传感器 它与光学摄影机一样 利用物镜构像 但影 像聚焦在光导靶面上 提取影像信息的方法是利用电子枪对靶面的扫描来实现 电视摄像 机的种类很多 卫星上使用的摄像机 要求分辨力高 能在低照度的情况下工作 图 6 4 为一种反束光导摄像管的结构示意图 图 6 4 反束光导管结构示意图 7 6 2 2 电子扫描成像过程 1 聚焦过程 电子扫描成像是使用透镜聚焦的 物体反射光线经过滤色镜 透镜 在焦平面上形成 倒立的光学实像 进入摄像系统 透镜有定焦距的物镜 也有变焦距的物镜 滤色镜的作 用 主要是获得分波段的信息资料 2 摄像过程 摄像过程主要用摄像管进行 以反束光导摄像管为例来阐述其原理 如图 6 4 所示 反束光导摄像管前壁上是涂有 AgCs 的光电阴极 进入系统的光像 到达光电阴极后 在光像照射下 产生光电效应 由光子激发出电子来 光电阴极表面上 各点发出来的电子数目正比于光像的光照强度 这样在光电阴极上就形成了一幅电子密度 像 激发电子受到加速极的加速穿过金属栅栏的空隙打到靶极上 靶极受高速电子的轰击 又被打出电子 称为二次电子发射 二次电子逸出靶极后 因为栅网的电位高 立即被左 面的金属栅网所捕获 靶极因逸出了带负电的二次电子而带正电 靶上正电多电位就高 反之电位就低 于是形成了一幅电位像 靶上电位高处对应于景物的亮点 电位低处对应 于景物的暗点 电子束从电子枪中射出 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 由于靶面上各处都带正电 所以就从电子束中摄取电子 使靶 极达到零电位 这就是说 靶面上带正电多的点缺的电子就多 反之就少 但都能从电子 束中得到充足的电子 使靶面呈现零电位 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 那么返回的剩余电子数刚 好形成了图像信号 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 为了提高输出信号的强度 在电子枪外套有一组电子倍增器 返回的电子被收集极吸 取后 再一次利用二次电子发射效应 将电流逐级倍增 假如一个返回电子撞击收集极打 出 个二次电子 那么有 个倍增级就可把信号放大 倍 最后输出的信号 即输出的 图像信息称为视频信号 3 传送过程 摄像管输出的图像信号通过无线电波 从天线发射出去 再由接收天线接收 这就是 传送过程 射频振荡 由发射机的振荡器产生稳定的高频振荡信号称为射频振荡 调制 将视频信号载到射频振荡 载波 上去的过程称调制 常用的调制方式有两种 一种是调幅 载波频率保持不变 让振幅随视频信号变化而变化 另一种是调频 载波振 幅保持不变 让频率随视频信号变化而变化 调制过的射频振荡载上了视频信号 就可由 天线把图像信息发射出去 视频信号的调制一般采用调幅方法 由于图像信号的频带很宽 可达 104赫 因此要 用超短波或微波作为载波 8 4 显像过程 电视接收机天线接收到调制过的视频信号 经变频 中放 检波 视放 由显像管的 电子枪发射出随视频信号而变化的电子束 电子束轰击荧光屏 就会把高速电子的动能转 变为光能 在屏上出现亮点 而受高速电子轰击打出的二次电子被栅极捕获 电子束在荧 光屏上迅速扫描 由于荧光屏的余辉和人的视觉暂留 因此可以看到整幅画面 还可将此 画面用照相机翻拍下来 成为照片 彩色显像管 则有红 绿 蓝三支电子枪 荧光屏上任意相邻三点都必定包括红绿蓝 各一点 由于每点非常小 靠得又很紧密 当电子轰击它们而发光时 对于红点 绿点 蓝点位置上的差别人眼分辨不清 而产生彩色视觉 6 3 光学机械扫描成像 6 3 1 光机扫描仪的结构组成 光机扫描仪全称是光学机械扫描仪 它是借助于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 得到地面条带图像的成像装置 光机扫描仪主要有红 外扫描仪和多光谱扫描仪两种 它们主要由收集器 分光器 探测器 处理器和输出器等 几部分组成 如图 6 5 1 收集器 在航天遥感中常用透镜系统或反射镜系统做为光机扫描仪收集地面电磁波辐射信息的 器件 在可见光和近红外区 可用透镜系统也可用反射镜系统作为收集器 但在热红外区 电磁波的大部分被透镜介质吸收 透过率很低 因此一般采用反射镜系统 制作反射镜的 常用材料有熔凝石英和特种金属 如铍 使用熔凝石英材料可以降低光学表面的变形 但空间用的大反射镜要求质量高 重量轻 因此其骨架做成蜂窝状结构而不做成实体 用 金属反射镜可满足重量轻 尺寸稳定和硬度强的要求 但它的晶体特性妨碍了满意的光学 抛光 因此 一般在抛光前 镀一层非结晶的镍混合物 抛光后在反射镜上镀一层铝膜或 金膜 以得到最大的反射系数 图 6 5 光机扫描仪结构示意图 电信号光信号地物的红 外辐射 光学扫描 系统 分光器 成像光学 扫描系统 致冷 磁带记录发送胶片 同步控制系统 氖灯探测器 9 2 分光器 分光器的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份 常用的分 光元器件有分光棱镜 衍射光栅和分光滤光片 分光棱镜是依据物质折射率随波长变化的原理来进行分光的 当光波从物质表面入射 到其内部时 物质对光波的折射率会随波长改变 所以入射到棱镜上的光经棱镜透射或经 其内部反射出来后 就会按不同波长向不同的方向传播出去 从而实现分光 常见的分光 棱镜有 60o棱镜 30o棱镜等 图 6 6 a 为 60o棱镜的分光原理 当一束白光通过棱镜 后 在不同的方向透射出不同波长 1 2 n的光 且有 1 2 n的规 律 光线照射到光栅上就会引起衍射 若将光栅设计为使相邻光栅的衍射光的相位差为某 波长的整数倍 则光栅在某方向的衍射光均为该波长的光 形成不同波长的衍射光分布在 不同方向的现像 这种分光元件叫衍射光栅 由于光栅也存在对入射光的镜面反射现像 所以在镜面反射方向上光的光谱与入射光一致 为了便于分光 反射型的衍射光栅常设计 为反射面略带倾斜的光栅 图 6 6 b 为进行红外分光的衍射光栅 衍射后的光波波长 依箭头方向逐渐减小 常用的衍射光栅有红外光栅 阶梯光栅 薄片光栅等 分光滤光片是能从某一光束中透射或反射特定波长的元件 从其分光功能上看 可分 为三种形式 长波通滤光片 短波通滤光片和带通滤光片 长波通滤光片和短波通滤光片 是仅让某波长以上的光通过或仅让某波长以内的光通过的滤光片 常用的短波通滤光片是 热红外区的热反射镜和吸收滤光片 热反射镜反射特定的短波波段 供探测器探测使用 而长波被透射出去 吸收滤光片是用玻璃或在明胶基板上涂抹着色剂或染料制作而成的 它可以吸收某些特定波长的光 常见的长波通滤光片是吸收滤光片和热红外区用的低温反 射镜 低温反射镜反射大于某波长的波段 供探测器探测使用 而短波被透射掉 带通滤 光片的作用是便让特定波段电磁波通过 常见的有干涉滤光片 偏振光干涉滤光片 干涉 滤光片的原理是 如果光入射到薄膜上 就会在薄膜内发生多重反射 形成光的干涉 从 而让特定波长间隔的光透射出去 偏振光干涉滤光片仅透射特定波长的光 并且它可以得 到较窄波段的透射光 另外 对长波通和短波通滤光片进行组合也可得到带通滤光片 白光 60o 1 2 n a 60o棱镜 b 衍射光栅 图 6 6 分光器的分光原理示意图 10 3 探测器 探测分光后的电磁波并把它变换成电信号的元件叫探测器 扫描探测器的种类较多 按光电转换方式可分为三类 光电子发射型 光激发载流子型和热效率型 光电子发射型的探测元件有光电管 它利用某些材料在光的照射下会发出电子的特性 当光照射在光电管的阴极上时 这种材料会发出电子 在外电场的作用下 电子流向光电 管的阳极 在光电管的输出电路中形成电流 且电路中的电流强度与光照度成函数关系 这种类型的探测器主要应用于探测从紫外到可见光区的地物波谱反射特性 利用光激发载流子的探测元件有光电二极管 光电晶体管 光电导管 线阵列传感器 等 这些元件按其不同的探测原理可分为两类 PC 型和 PV 型 PC 型元件一般是晶体结构 当它受到外来热辐射时会在晶体内产生电子 空穴对 产生电子 空穴对的数量与热辐射的 强弱有正比关系 在外加电压的作用下 电子向阳极 空穴向阴极移动而形成电流 PV 型元件的典型例子是前述的电视摄像机 利用光激发载流子类型的探测器可以探测地物从 可见光至红外区的电磁波辐射信息 利用热效应 PEM 型的探测器是一种热红外探测器 如热电耦探测器和热释电探测 器 它能把红外辐射能转换变成电能 热红外探测器的种类很多 大多数热红外探测器必 须在低温下工作 在遥感器中要有致冷装置 致冷的方法有 液化气体制冷 固体致冷剂 制冷和辐射致冷器致冷 液化气体致冷用于机载热红外遥感器 固体致冷用于空间工作的 热探测器致冷 卫星上更多的用辐射致冷器 辐射制冷器是将一根铜棒的一端与探测器室 相联 另一端做成半球状 并加以黑化 伸向外空间 探测器室的热量经铜棒传导向外空 间 达到制冷目的 这种致冷器可将探测器室的温度致冷到 100OK 左右 4 处理器 从探测器出来的低电平信号 需放大和限制带宽 一般在探测器后面设置低噪声的前 置放大器来进行这项工作 前置放大器随电子元件不同 分为真空管 晶体管和集成电路 三种形式 对于多元探测器的遥感器 每个探测器上要安置一个前置放大器 形成多路输 出 为了使其变为一维时序信号 可采用对每一个通道进行周期性采样的 时分多路传输 制 目前更多地使用 CCD 电荷耦合器件 将 CCD 元件置于探测器后面 直接将多路信号 变成一维的时序信号 这时只需用一个前置放大器 前置放大器出来的视频信号可输往磁带机 将模拟信号记录在磁带上 如果需将信号 记录在胶片上 则必须设计电光转换电路 将电讯号转变成辉光管或阴极射线管上显示的 光信号 这时输出器上的光强度正好与目标辐强度一致 如果要求输出信号为数字形式 则必须将视频信号数字化 一般使用模 数变换器 对连续的模拟信号进行采样 量化和 编码 变成离散的数字信号 5 输出器 输出器种类也很多 目前输出形式主要有两种 一种是胶片 另一种是磁带 在信号 处理器一节中已讲到 要把探测器输出的视频信号记录在胶片上 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与视频信号强度一致 当胶片曝光时 数 据就被记录下来 输出数据用磁带记录仪记录在磁带上 磁带记录仪与普通的视频带记录仪相仿 有的 11 磁带记录仪作遥感器收集数据的暂存器 如 Landsat 上用的宽带视频带记录仪 在地面接 收站上地空时 将贮存的数据读出 向地面发送 磁带记录的形式分模拟磁带和数字磁带两种 模拟磁带记录数据后形成的磁场强度与 视频信号强度一致 数字磁带记录的是已采样 量化和编码了的数字数据 数字磁带又分 高密度数字磁带 HDDT 和计算机兼容磁带 CCT 两种 6 3 2 光机扫描仪的成像过程 光机扫描仪的成像过程如图 6 7 所示 当旋转棱镜旋转时 镜面对地面横越航线 垂 直于飞行 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 经分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 在底片曝光后记录下来 称为一个像元 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 向地面作实时发送或由磁带记录仪 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成像形成一条影像线 被记录下来 平台在飞行过程中 扫描旋转棱镜依次对地面扫描 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 在取得地面影像的同时 还要获取图像的校标数据 地面辐射经转换变成电信号时 会受到探测元件灵敏度变化的影响 使得相同电磁波辐射强度的地物产生不同的信号 为 此 将辐射强度和温度一定的辐射源 或热源 装入扫描仪 在获取地面图像的同时 每 隔一定的时间探测器也对仪器内的辐射体 或热体 进行探测 把探测的结果变成电信号 或图像 由此可做为校正因探测误差而引起的辐射误差 以保持图像的灰度测量精度 1 光学扫描过程 机械扫描成像使用的扫描系统多为各种反射镜组成的卡塞格伦光学系统 即抛物面聚 焦系统 它将地物的电磁辐射聚焦到探测器 进入变像系统 也有采用透镜系统扫描的 瞬时视场角 扫描系统在某一时刻对空间所张的角度称为瞬时视场角 它由探测 元件的线度 与光学系统的总焦距 决定 像点 瞬时视场角在影像上对应的点称像点 也叫像元或像素 探测器 分光器 聚光镜 旋转镜 飞行方向 瞬时视场 图 6 7 光机扫描仪成像过程图 6 8 瞬时扫描视场线度 D0 Ds Df Df Ds Df D0 12 地面分辨率 瞬时视场角在地面上对应的距离 瞬时视场线度 叫地面分辨率 其大小与 航高 和扫描角 的大小有关 见图 6 8 根据弧长公式 可得出扫描仪 垂直投影点 飞行方向和扫描方向的线度 地面分辨率 分别为 0 0 Sec 0 Sec2 式中 D0为扫描仪垂直投影点分辨率 Df为飞行方向分辨率 Ds为扫描方向分辨率 Sec 所以扫描角越大 地面分辨率越低 扫描角 机下扫描点与瞬时扫描点所形成的角度 总视场角 光学扫描系统对目标扫描摆动的最大角度 0 为总视场角 也叫总扫 描角 此角越大 每次运行复盖的地面面积越大 每条扫描线所对应的地面长度 tg 2 0 由公式可得 航高 越高 扫描线越长 光学扫描系统的瞬时视场角很小 扫描镜只收集点的辐射能量 利用本身的旋转或摆 动形成一维线性扫描 加上平台移动 实现对地物平面扫描 达到收集区域地物电磁辐射 的目的 2 探测过程 扫描探测器将扫描光学系统收集来的辐射能转换成与辐射强度成正比例的电信号 即 进行光电转换 这就是探测过程 自从探测器问世以来 其探测的范围一直从短波向长波方向发展 目前 探测器的类 型较多 响应波段不一 如锗掺铜 碲镉汞等探测 8 14 锑化铟探测 3 5 以 入射探测元件的波束 经探测器转变为电压信号 则 式中 响应率 照度 探测器面积 大多数探测器 主要是中远红外探测器 必须在很低的温度下工作 以保证探测器只 接收来自窗口的被测目标的辐射能量 降低工作元件产生的噪音 使信噪比控制在一定的 限度内 3 信号处理过程 一般来说 从探测器输出的电信号是很弱的 无法直接利用 必须经过信号处理系统 把它放大 限制带宽 再把这些足够的电信号进行电光转换 然后 送到终端的记录装置 或显示器上 电光转换是通过一个小光源 氖灯 实现的 用放大后的电信号去调节氖灯光源的强度 使它发出与电子信号强弱成正比的可见光点 光点再经聚焦 被反射到信号记录系统中去 4 信号记录过程 最简单的扫描仪是直接用胶片记录的 过程是 由氖灯发出的可见光 经聚光透镜聚 焦再经过与扫描镜同步旋转的记录镜 把这个经会聚而成的很小光点 扫描到记录胶片上 13 因此信号记录系统也叫第二扫描系统 成像扫描系统 随着扫描 胶片也移动 扫描仪对 地面扫一条线 胶片上对应同步地也扫一条线 这样随着飞行器的向前移动 胶片同步拉 动 物体的影像就被记录下来了 为了保证成像质量 拉片速度应严格控制 8 式中 航高 扫描显微镜之半径 飞行速度 现代 记录系统大多用磁带记录 在室内把磁带数据回放到胶片上产生图像 或者是 在显示器上显示出影像 也可用摄影机翻拍下来 6 4 固体自扫描成像 固体自扫描又称电子光学型光谱扫描 它与其它扫描成像的区别是探测器系统是电荷 耦合器件 CCD Charge Coupled Device 比现行的光学机械扫描仪具有地面分辨率高 结构简单等特点 6 4 1 CCD 的基本结构与工作原理 1 CCD 的基本结构 CCD 是一种新型半导体器件 一般是用硅材料制成的 MOS 片 金属 氧化物 硅半导 体 如图 9 所示 在一块硅半导体衬底上 制作一层约 0 1 的薄氧化物绝缘层 常用 SiO2 再在绝缘层上盖一层互相分离的金属电极 然后在两端各制作一个 p n 结 分别作为输出和输入 2 CCD 的工作原理 电荷耦合器件的工作原理如图 6 9 a b c d 所示 在 CCD 金属电极上加正电压 如 15V 时 如图 6 9 a 所示 根据半导体原理 硅片与 SiO2层相接触的表面层内是 没有自由活动的电子或空穴的 但表面层相对体内是正电压 它将吸引电子 因为整个表 面都加同一电压 电子在表面层的各部分都具有相同的能量 在图中用虚线表示 15 15 20 15 15 1 2 3 4 5 P Si 能阱能阱 15 15 20 15 15 1 2 3 4 5 15 V a V b V d V c V 图 6 9 电荷耦合器件的结构和工作原理 15 20 15 15 20 1 2 3 4 5 14 如果对电极所加的电压大小不等 如图