04高光谱遥感成像原理课件

1，第3节高光谱遥感成像原理何工，武汉大学遥感信息工程学院，高光谱遥感第2章地物光谱数据的获取与分析，2，第2章第3节高光谱遥感成像原理，1，高光谱遥感成像的基本概念，2，高光谱遥感成像的关键技术，3，成像光谱仪的空间成像模式，4，成像光谱仪的光谱成像模式，3，1。光谱仪、成像仪和辐射计之间的关系，一、高光谱遥感成像的基本概念，光谱仪、成像仪、辐射计，4，1。高光谱遥感成像的基本概念，光谱仪(光谱信息)，成像仪(空间信息)，辐射计(辐射信息)，5，2。光谱分辨率，1。高光谱遥感成像的基本概念光谱分辨率是指探测器在波长方向上的记录宽度，也称为带宽。6，如下图所示，纵坐标(y轴)是检测器的光谱响应，它是由横坐标(x轴)表示的波长的函数。光谱分辨率严格定义为仪器达到50%光谱响应时的波长宽度。第一，高光谱遥感成像的基本概念，第二，光谱分辨率，第七，第一，高光谱遥感成像的基本概念，空间分辨率，成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角度分辨率(angular resolution)决定的，即仪器的瞬时视场，IFOV (IFOV)。3.空间分辨率，8。IFOV的瞬时视场是以毫弧度(mrad)测量的。与IFOV相对应的地面尺寸称为地面分辨率。首先，高光谱遥感成像的基本概念，像素，GRC=2.tg(IFOV/2)。H，9，地面扫描宽度仪器的视场(FOV)仪器的FOV是仪器的扫描镜扫过空气的角度。它与系统平台的高度决定了地面扫描宽度。一、高光谱遥感成像的基本概念。4.仪器的视角，10，1。高光谱遥感成像的基本概念，GS=2.tg(FOV/2)。h，4。仪器的视角，11、线，1。高光谱遥感成像的基本概念，仪器视角(FOV)和瞬时视角(IFOV)之间的关系？高光谱遥感成像的基本概念是瞬时视场(IFOV)相对较小，可以获得较高的空间分辨率。仪器的视场(FOV)很大，可以获得更宽的地面扫描宽度。因此，FOV和IFOV是仪器设计中必须考虑的重要参数。1.高光谱遥感成像的基本概念。高光谱成像仪的光学成像有两种常见的光学系统，如望远镜系统和光谱仪系统。它也是一个离散采样系统，如线性光纤狭缝和平面阵列探测器。还有系统间耦合等因素。如何评估遥感影像链接对遥感影像的影响？调制传递函数(MTF)从谐波分析的角度研究光学系统的成像特性，能够定量描述系统对正弦信号输入的幅值响应，广泛应用于遥感器成像过程研究。首先，高光谱遥感成像的基本概念，实际的遥感成像链系统一般比较复杂，但可以认为是由几个独立的成像子系统组成的复合成像链系统。(满足乘法法则的条件)，5。调制传递函数，15。由多个独立成像子系统组成的复合成像链系统满足乘法定律条件。1.高光谱遥感成像的基本概念。调制传递函数16。6.信噪比是传感器采集的信噪比，是传感器极其重要的性能参数。首先，高光谱遥感成像的基本概念，信噪比直接影响图像分类和图像目标识别。信噪比、空间分辨率和光谱分辨率是相互制约的。提高空间分辨率或光谱分辨率会降低信噪比，必须综合选择。探测器的启动时间，即探测器瞬时视场角扫过地面分辨率单位的时间，称为停留时间。首先，基础探测器凝视的长度如何影响成像质量？启动时间越长，进入探测器的能量越多，光谱响应越强，图像的信噪比越高。18，第2章，第3节，高光谱遥感成像原理，1。高光谱成像的基本概念，2。高光谱遥感成像关键技术，3。成像光谱仪的空间成像模式，4。成像光谱仪的光谱成像模式，19。高光谱成像的关键技术包括图像的获取、传输和处理。成像光谱仪是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号检测、计算机技术、信息处理等技术于一体的综合性技术。高光谱遥感成像关键技术1。探测器焦平面技术2。各种新的光谱仪技术和精密光学3。高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩4。成像光谱仪20的光谱和辐射校准技术。1.探测器焦平面技术。成像光谱仪的发展首先取决于焦平面技术的发展。焦平面是指穿过焦点并垂直于主光轴的平面。目前，硅焦平面检测技术在世界上已经非常成熟。大面积阵列和长线阵列硅电感耦合器件(电荷耦合器件)已经商业化。从CCD的角度来看，可见光和近红外光谱的间隔可以细分为1-2纳米。21，2。各种新的光谱仪技术和精密光学技术，2。高光谱遥感成像关键技术，光栅器件色散器件滤波技术，精密机械功率技术，狭缝，光纤空间扫描，光谱技术，22，3。高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术。二是高光谱遥感成像的关键技术，海量数据引起的采集速率问题(星载情况)，海量数据的记录和存储问题(采集值-输出值)，实时数据压缩和处理技术(FT)，23，4。成像光谱仪的光谱和辐射定标技术，二、高光谱遥感成像的关键技术，目的：建立对应值和辐射值之间的关系，定标是定量分析和反演的基础。整机实验室光谱校准实验室辐射定标器光谱定标器在辐射定标器上校准辐射量，光谱校准，辐射定标，24，第2章，第3节，高光谱遥感成像原理，1，高光谱成像基本概念，2，高光谱遥感成像关键技术，3，成像光谱仪空间成像模式，4，成像光谱仪光谱成像模式，25，3，成像光谱仪空间成像模式，空间成像模式和光谱成像模式。 空间成像模式是指从图像二维空间形成的角度对成像光谱仪工作模式的检查。 光谱成像是指从光谱维度数据形成的角度来考察成像光谱仪的工作模式。26，1。摇摆扫描成像光谱仪，3。成像光谱仪的空间成像模式。微光成像光谱仪通过光机的左右摆动和飞行平台的向前运动完成二维空间成像，其线探测器完成每个瞬时视场像素的光谱尺寸采集。27，原理，3，成像光谱仪的空间成像模式，45斜面扫描镜电机(电机)360旋转，水平轴平行于遥感平台的前进方向，扫描镜的扫描运动方向垂直于遥感平台的运动方向，1，摆式扫描成像光谱仪，28，3，成像光谱仪的空间成像模式，由光学分光系统形成并收集在探测器上的色散光源。这样，成像光谱仪获得的图像具有两个特征：光谱分辨率和空间分辨率。1。摆动扫描成像光谱仪，原理29，可以实现大视场(FOV可以达到90度)。3.成像光谱仪的空间成像模式，像素配准好，不同波段随时盯着同一个像素。每个波段只需要校准一个探测器元件，从而提高数据的稳定性。在进入物镜并分裂后3.成像光谱仪的空间成像模式。摇摆扫描成像光谱仪，短缺，31。2.推扫成像光谱仪，利用平面阵列探测器在垂直于运动方向的飞行平台正向运动中完成二维空间扫描；平行于平台的运动方向，通过光栅和棱镜分光完成光谱尺寸扫描。其沿轨迹扫描方向是遥感平台的移动方向。3、成像光谱仪空间成像模式，为什么使用面阵探测器？(HRV)，32，3。成像光谱仪的空间成像模式，完成垂直于运动方向的空间维度扫描。2。推扫成像光谱仪，原理，33，3。成像光谱仪的空间成像模式，完成平行于运动方向的光谱尺寸扫描。原则2。推扫成像光谱仪，34，3。成像光谱仪的空间成像模式。推扫成像光谱仪，原理(指向镜)，35，3。成像光谱仪的空间成像方式、凝视时间的空间分辨率和光谱分辨率仪器体积，像素凝视时间只取决于平台运动的地面速度，因此凝视时间大大提高。与摆式扫描成像光谱仪相比，启动时间可增加近一千倍。由于像素注视时间的增加，空间分辨率和光谱分辨率也得到提高。因为没有光学机器来扫描移动的设备，所以仪器的体积很小。(2)推扫成像光谱仪，优点，36，3)成像光谱仪的空间成像模式和视场角的标定。由于探测器尺寸和光学设计的困难，总视场角不能很大，一般只能达到30度左右。一次需要校准一万个检测器元件，增加了处理负荷和不稳定性因素。2。推扫成像光谱仪，短缺，37，3。成像光谱仪的空间成像模式，摆动扫描和推扫成像光谱仪示例的比较，OMIS(摆动扫描)，PHI(推扫)，38，3。成像光谱仪的空间成像模式，摆动扫描和推扫成像光谱仪实例比较，第39卷，第2章，第3节，高光谱遥感成像原理，一、高光谱成像的基本概念，二。高光谱遥感成像关键技术3。成像光谱仪的空间成像模式。成像光谱仪的光谱成像模式。成像光谱仪的光谱成像模式。进入探测器的能量被分解成不同波长的电磁波。光谱成像要解决什么问题？主要光谱成像模式：色散(简单)干涉(困难)其他类型，41，1。棱镜，光栅色散成像光谱仪，4。成像光谱仪的光谱成像模式，色散成像光谱技术出现较早，技术相对成熟。在入射辐射能量被光学系统准直并被棱镜和光栅狭缝分散后，成像系统根据波长序列在检测器的不同位置成像分散的光能。42，4，成像光谱仪的光谱成像模式，摆动扫描条件下的光谱色散原理，二维图像空间上的一个点，1。棱镜，光栅色散成像光谱仪，43，4，成像光谱仪的光谱成像模式，推扫条件下的光谱色散原理，二维图像空间上的一条线，附图ZKYP52-2，1。棱镜，光栅色散成像光谱仪，44，色散光谱成像模式的特点和原理直接，结构简单(折射率不同)，光谱尺寸信息容易确定(色散图像根据波长在像面上线性分布)。第四，成像光谱仪的光谱成像模式包括1。棱镜，光栅色散成像光谱仪，45，2。干涉成像光谱仪，4。成像光谱仪的光谱成像模式。干涉成像光谱仪不直接分光，而是在各种光程差条件下产生干涉图像，然后根据干涉图像和光谱图像之间的傅里叶变换关系得到光谱图像。你知道什么？不同光程差下获得的干涉图是什么？对应不同波长的光谱图，46，a .时间调制类型，时间调制和空间调制的基本原理-通过干涉和光谱转换获得干涉图像的不同方法，4。成像光谱仪的光谱成像模式，2。干涉成像光谱仪，47，傅里叶变换，4。成像光谱仪的光谱成像模式，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，48，4。成像光谱仪的光谱成像模式，傅立叶变换对，2。干涉成像光谱仪，时间调制型，傅里叶变换，49，迈克尔逊型干涉成像光谱仪结构，四。成像光谱仪的光谱成像模式，附图ZKYP53、两束光从同一个入射光束中分离出来，具有不等幅、同频、非正交振动方向、固定相位差、充要条件，两束光在探测器上相遇时，不可避免地会产生干涉图样。固定镜，移动镜，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，50，从干涉图样产生光谱图的原理，4。成像光谱仪的光谱成像模式。固定镜，移动镜，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，51，其中r和t是反射率和透射率、常数、输入光束强度、相位差和光程差。波数、光程差和相位差之间有什么关系？波数：单位距离电磁波的周期数，相位差：相位周期数之差(无量纲)，光程差：光传播的距离差(距离)，4。成像光谱仪的光谱成像模式，信号强度，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，干涉图样产生光谱图的原理，52，相当于当干涉仪的平面镜2在某一位置x，4时探测器接收到的所有能量。成像光谱仪的光谱成像模式。干涉成像光谱仪，时间调制型，从干涉图产生光谱图的原理，53。分析下面的公式，去除已知的DC信号(常数与X无关)，得到干涉图的一般表达式：4。成像光谱仪的光谱成像模式。干涉成像光谱仪，时间调制型，从干涉图产生光谱图的原理，54。设置下面的公式，根据欧拉公式，它被展开成复杂的形式：4。成像光谱仪的光谱成像模式，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，从干涉图产生光谱图的原理，55。最后，得到光谱图：对于具有不同光程差的干涉图，必须得到对应于不同波长的光谱图。成像光谱仪的光谱成像模式，2。干涉成像光谱仪，a .时间调制型，从干涉图产生光谱图的原理，56。迈克尔逊型干涉成像光谱仪的特点，4。成像光谱仪的光谱成像方式可以获得较大的光程差，从而实现相当高精度的光谱测量。需要一套高精度的动镜驱动系统，对扰动和机械扫描精度敏感，工艺复杂，成本高。因为物体表面像素的干涉图是时间调制的，所以很难测量具有快速变化的空间和光谱的物体表面的光谱，这仅适用于较慢的状态。2。干涉成像光谱仪，时间调制型，57，4。成像光谱仪的光谱成像模式，偏振器、棱镜和检偏器形成的干涉图，光谱图转换原理同时间调制型，2。干涉成像光谱仪，空间调制型，58，双折射干涉成像光谱仪原理，4。成像光谱仪的光谱成像模式，棱镜折射导致的光程差，形成干涉图。(2)干涉成像光谱仪，(b)空间调制型，(59)空间调制型干涉成像光谱仪的特性，(4)成像光谱仪的光谱成像模式。探测器探测到的不是像素辐射中的单一窄带成分，而是整个光谱的傅里叶变换，从而具有提高信噪比的功能。无运动部件，结构紧凑，抗干扰能力和抗震性能好。实时性好，可以获得良好的观测结果，信噪比，仪器结构，实时，2。干涉成像光谱仪，b .空间调制型，60，3。其他类型的成像光谱仪，4。成像光谱仪光谱成像模式，滤光型成像光谱仪二元光学成像光谱仪，61，滤光型成像光谱仪，4。成像光谱仪