传感器及其成像原理ppt课件

1 第三章遥感传感器及其成像原理 2 遥感传感器 Sensor 遥感传感器是获取遥感数据的设备 是遥感技术最核心的部分 直接用于测量地物的电磁波特性 遥感中 感 字的体现者 3 传感器一般结构 收集器探测器处理器输出器 4 传感器类型 1 按有无发射电磁波的能力分主动被动 2 按是否成像分成像非成像 3 按利用的电磁波段分光学 0 01微米 1毫米 微波 1毫米 1米 5 4 按基本结构原理分 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成像类型的传感器 6 扫描成像类型传感器 逐点 逐行地以时序方式获取二维图像 一般利用光学波段 也可称为光学传感器 光学传感器特性 7 光学传感器特性 光谱特性 传感器能够测量的电磁波波长范围 各波段中心波长 波段宽度 光谱分辨率 辐射度量特性 指传感器辐射度量的灵敏度 能够度量的辐射动态范围 辐射分辨率 几何特性 FOV FieldofView 视场 是传感器能够受光的范围 决定成像的宽度 IFOV InstantaneousFieldofView 瞬时视场 是形成每个像元的视场 决定地面分辨率 两种扫描形式 物面扫描 对地面直接扫描成像 例红外扫描仪 多光谱扫描仪 自旋和步进式成像仪 多频段频谱仪等 像面扫描 瞬间在像面上先形成线图像或二维图像 然后对影像进行扫描成像 例如线阵列CCD推扫式成像仪 电视摄象机等 成像光谱仪 8 红外扫描仪 1 扫描成像过程 红外扫描仪特性 扫描线的衔接 热红外像片的色调特征 9 1 扫描成像过程 旋转棱镜横越航线方向扫视第一个扫描镜面扫视一次 扫描视场内的地面辐射能 由刈幅的一边到另一边依次进入传感器 收集器 经探测器输出视频信号 再经电子放大器放大和调制 探测器 处理器 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 输出器 第二个扫描镜面扫视一次 第三个扫描镜面扫视一次 飞机向前运动 胶片同步转动 记录的下一条图像正好与前一条衔接 依次下去 就得到一条与地面范围相对应的二维条带图像 10 2 红外扫描仪特性 空间分辨率温度分辨率温度分辨率与有关 传感器系统内噪声等效温度限制在0 1 0 5K之间 系统的温度分辨率一般为等效噪声温度的2 6倍 探测器的响应率传感器系统内的噪声 11 垂直向下观测时 一般情况下 在设计仪器时已确定 所以的变化仅与H有关 12 倾斜观测时 13 因为 且它们随扫描角变化而变化 所以红外图像上必然产生畸变 全景畸变 全景畸变是红外扫描仪这种成像方式所固有的现象 在使用红外扫描图像时一定要注意 14 其中 为飞机的地速 为探测器地面分辨率 为旋转棱镜扫描一次的时间 3 扫描线的衔接 要让每两次扫描衔接 必须满足 将出现扫描漏洞 将出现扫描重叠 进一步地 因此 只要速度和航高之比为一常数 就能使扫描线正确衔接 15 4 热红外像片的色调特征 热红外像片上的色调变化与相应地物的辐射强度变化成函数关系 与地物辐射强度有关的因素 地物的发射率地物的温度地物辐射强度的变化对温度更为敏感 温度的变化在图像上能产生较高的色调差别 16 多光谱扫描仪 MSS MultispectralScanner TM ThematicMapper ETM EnhancedThematicMapper 17 MSS MSS结构成像过程地面接收及产品 18 1 MSS结构 扫描反射镜椭圆形 表面镀银 摆动幅度为2 89度 频率为13 62赫兹 周期为73 42毫秒 总视场角为11 56度 可获取垂直飞行方向两边共185公里范围内景物的辐射能量 配合飞行器的运动获得地表的二维图像 反射镜组包括主 次反射镜组 将扫描镜反射进入的地面景物聚焦在成像板上 成像板排列24 2个玻璃纤维单元 分四列 每列对应一个波段 每个纤维单元瞬时视场为86微弧 探测器个数与玻璃纤维单元个数相同 类型与波段有关 能将辐射能变成电信号输出 19 成像板 20 2 成像过程 扫描一次每个波段获取6条扫描线图像 对应地面范围为474米x185公里 在扫描一次的时间里卫星往前正好运动474米 扫描线正好衔接 但因地球自转 扫描位置有向西移位现象 成像板上的光学纤维将接收的辐射能传递到探测器 对探测器的输出进行采样 编码 A D转换 馈入天线向地面发送 21 22 3 地面接收及产品 遥感数据地面接收由遥感地面接收站完成 接收站主要接收遥感图像信息卫星姿态 星历参数 地面接收站包括天线及伺服系统 接收分系统 计算机 模拟检测系统 定时系统 信标塔等 23 MSS产品 粗加工产品经过辐射校准 几何校正 分幅注记精加工产品在粗加工的基础上 用地面控制点进行了纠正特殊处理产品根据用户的要求做了一些特殊处理 24 对MSS的主要改进 扫描行垂直于飞行轨道 往返双向都对地面扫描 扫描改正器 更高的空间分辨率 更好的频谱选择 更好的几何保真度 更高的辐射准确度和辐射分辨率 TM 25 TM空间分辨率 探测器100个探测器 分7个波段TM1 5 7 每个探测器的瞬时视场为30米x30米TM6 每个探测器的瞬时视场为120米X120米一次扫描成像为地面的480米x185公里 26 TM波段选择 27 辐射准确度和较高辐射分辨率是定量遥感的基础 扫描仪内设有一个白炽灯 用来作可见光和近红外波段的标准源 TM6用黑体源作为校正源 每个像元的亮度值用8bit编码 28 ETM 对TM的改进 增加了一个分辨率为15米的PAN波段 0 5 0 9微米 使TM6的分辨率提高到60米 改进后的太阳定标器使卫星的辐射定标精度大大提高 29 HRV HighResolutionVisibleRangeInstrument HRV的结构HRV的成像原理HRV立体观测 30 CCD ChargeCoupledDevice 电荷藕合器件 可做可见光和近红外波段的探测元件 31 HRV成像原理 SPOT卫星上的两种HRV 多光谱型HRV 全色HRV 三个波段 波段10 5 0 59微米波段20 61 0 68微米波段30 79 0 89微米 每个元件地面分辨率为20米x20米 3000个CCD形成的图像线为地面20米x60公里 每个像元亮度用8bit编码 每个元件地面分辨率为10米x10米 6000个CCD形成的图像线为地面20米x60公里 像元亮度用6bit进行差值编码 波段范围0 51 0 73微米 CCD 32 线阵列探测器在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线 不需要用摆动的扫描镜 以 推扫 方式获取沿轨道的连续图像条带 33 SPOT上并排安装两台HRV 每台视场宽都为60KM 两者间有3KM重叠 总视场宽为117KM 相邻轨道间约有9KM重叠 34 HRV立体观测 平面反射镜可向左右两侧旋转 最大角度达27度 从而实现倾斜观测 轨道间立体观测 通过轨道间重复观测 可建立立体模型 可获取多时相图像 35 成像光谱仪 高光谱遥感 谱像合一 空间成像技术 地物光谱技术 成像光谱仪 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 更高技术要求 集光系统分光系统探测器元件 尽量使用反射式光学系统 采用能消去球面像差 像散差和畸变像差的非球面补偿镜头 由狭缝 平行光管 棱镜和绕射光栅组成 由成千上百个探测元件组成线阵 36 两种类型 面阵探测器 推扫式扫描用线阵列探测器进行扫描 利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后 分别成像于面阵列的不同行 利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描 利用线阵探测器及沿轨道方向的运动完成空间扫描 空间分辨率高 37 线阵探测器 光机扫描利用点探测器收集光谱信息 经色散元件后分成不同的波段 分别成像于线阵列探测器的不同元件上 通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运行完成空间扫描 利用线探测器完成光谱扫描 38 39 雷达成像类型传感器 利用波长1cm 1m的微波波段进行遥感主动式 成像 微波传感器不受天气的制约 可进行全天候观测距离测量系统 40 雷达结构与工作原理 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 41 其中包含系统参数如雷达波的波长 发射功率 照射面积和方向 极化等 以及目标参数如地物的复介电常数 地面粗糙等等 到目标的距离 方位与目标的相对速度目标的反射特性 雷达接收回波 距离 回波强度 42 主要内容 真实孔径雷达合成孔径雷达侧视雷达图像的几何特征相干雷达 43 真实孔径侧视雷达 发射机向侧向面内发射一束脉冲 被地物反射后 由天线接收 由于地面各点到雷达的距离不同 接收机收到许多信号 以它们到雷达距离的远近 先后依序记录 信号的强度除与系统参数外 还与辐照带内各种地物的特性 形状 坡向等有关 回波信号经电子处理器处理后形成的图象线被记录 随着飞机的飞行 对一条条辅照带连续扫描 得到由回波信号强弱表示的条带图像 实现对地面的二维扫描 一 成像过程 44 45 二 分辨率 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 方位分辨率指相邻的两束脉冲之间 能分辨两个目标的最小距离 46 47 对分辨率的讨论 距离分辨率距离分辨率与距离并无关系可采用减小脉冲宽度的方法改善距离向分辨率减小脉冲宽度是有一定限度的方位分辨率要提高方位分辨率 理论上可采用波长较短的电磁波 加大天线孔径和缩短观测距离的方法但三种方法 使用时均受到一定限制可采用合成孔径技术来改善方位分辨率 48 合成孔径雷达 SyntheticApertureRadar 一 工作原理 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 存储时必须同时保存接收信号的幅度和相位 如果把真实孔径天线划分成许多小单元 则每个小单元接收回波信号的过程与合成孔径天线在不同位置上接收回波的过程形似 每个信号由于目标到飞机之间球面波的距离不同 相位和幅度也不同 不过其变化有规律可循 由接收信号形成的图像是相干图像 需经处理后 才能恢复地面的实际图像 49 50 51 52 53 二 合成孔径雷达的方位向分辨率 则用合成孔径雷达的实际天线孔径来成像用合成孔径技术后 例 若天线孔径为8m 波长为4cm 目标与飞机间的距离为400km 54 侧视雷达图像的几何特征 斜距投影 55 几何特征1 比例尺 垂直飞行方向 y 的比例尺由小变大 56 2 ForshorteningLayoverShadowing 山体前倾 朝向传感器的山坡影像被压缩 背向传感器的山坡被拉长 会出现不同地物的重影现象 阴影区地物无回波信号 57 3 高差产生的投影差与中心投影差位移的方向相反 位移量也不同 58 4 雷达立体图像的构像特点 两种立体成像方式 同侧获取立体像对 异侧获取立体像对 59 相干雷达 合成孔径雷达二维成像SAR 合成孔径雷达干涉测量InSAR 将由雷达影像复数据推导出的雷达信号的相位信息作为信息源 利用这些相位信息提取地表的三维信息 通过安装在运动平台上的雷达天线不断地发射脉冲信号 接收它们在地面的回波信号 经信号的成像处理形成二维SAR影像 影像中的每一像素的幅度只与目标的后向散射系数有关 定性遥感 定量遥感 60 相干雷达成像原理 通过 获取地面同一景观的复数影像对 由于目标与天线位置的几何关系 在复图像上产生相位差 形成干涉条纹图 干涉条纹图包含了斜距向上的点与两天线位置之差的精确信息 利用传感器高度 雷达波长 波束视向及天线基线距之间的几何关系 可以精确地测量出图像中每