传感器及其成像原理

1、遥感技术与应用遥感技术与应用遥感传感器遥感传感器：收集、探测、处理和记录物体电磁波辐射信息的工具。它的性能决定了遥感的能力：q电磁波波段的响应能力（探测灵敏度、波谱分辨率） q图像的空间分辨率及其几何特性q获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度q成像的方式无论哪种遥感传感器，都是由收集器、探测器、处理器、输出器等四部分组成的。 收集器：收集来自地物(目标)的辐射能量。 如透镜组、反射镜组、天线等 探测器：将收集到的辐射能转化为化学能或电能。 如胶片、二极管等 处理器：将化学能或电能等信号进行处理。 如显影、定影、信号放大、变换、校正、编码等 输出器：将获取的数据输出出来。 如扫描晒像仪、阴极射线

2、管、电视显像管、磁带记录仪、彩色喷墨记录仪等 遥感器的性能遥感器的性能表现在很多方面，其中最具有实用意义的指标是遥感器的分辨率。分辨率是遥感技术及其应用中的一个重要概念，也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标。它包括空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率和辐射分辨率。1、空间分辨率空间分辨率是指遥感图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。也称地面分辨率。通常用像元大小、影像分辨率或视场角来表示。像元（像元（pixel）是指将地面信息离散化而形成的格网单元。像元越小空间分辨率越大。视场角（视场角（field of view,FOV）是指遥感器的张角即瞬时视

3、域，又称为遥感器的角分辨率。影像分辨率（影像分辨率（photographic resolution）是用单位距离内能分辨的线宽或间隔相等的平行细线的条数来表示，单位为线/毫米或线对/毫米。2、光谱分辨率遥感器接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。一般来说，遥感器的波段数越多，波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。足够的光谱分辨率可以区分出那些具有诊断性光谱特征的地表物质。对于特定的目标，选择的遥感器并非波段越多，光谱分辨率越高，效果越好，而要根据目标的光谱特征和必须的地面分辨率来综合考虑。3、时间分辨率是指对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。 时间分辨率包

4、括两种情况：一种是遥感器本身设计的时间分辨率，受卫星运行规律影像，不能改变；另一种是根据应用要求，人为设计的时间分辨率，它一定等于或小于卫星遥感器本身的时间分辨率。4、辐射分辨率辐射分辨率：辐射分辨率：表征遥感器所能探测到的最小辐射功率的指标，归结到影像上是指影像记录灰度值的最归结到影像上是指影像记录灰度值的最小差值。小差值。摄影成像时，摄影胶片的灵敏度很高，一般认为摄影成像的灰度是连续的，因此辐射分辨率对像片而言是没有意义的。在可见光到近红外波段，扫描方式遥感器的辐射分辨率取决于它所记录的目标辐射（主要是反射）功率的最小值。对热红外波段的遥感器来讲，其辐射分辨率也称温度分辨率。传感器分类传感

5、器分类 摄影类型的传感器摄影类型的传感器 扫描成像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雷达成像类型的传感器 非图像类型的传感器非图像类型的传感器 摄影型传感器摄影型传感器它是较为常用的遥感成像设备器，一般由物镜、快门、光圈、暗盒(胶片)、机械传动装置等组成。1 单镜头框幅式摄影机 Single-lens Frame Camera2 缝隙式摄影机 Slit Camera3 全景式摄影机 Panoramic Camera4 多光谱摄影机 Multispectral Camera 摄影相机胶片记录的灵敏度和分辨率都很高 响应波段窄，0.41.1m 图像几何关系稳定、严密（中心投影）

6、。 不利于地物信息的实时传输和数字处理，难 以进行较长时间的连续工作 摄影型传感器的特点扫描成像类传感器扫描成像类传感器 对物面扫描的成像仪对物面扫描的成像仪 对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫描仪、对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪成像光谱仪 ） 对像面扫描的成像仪对像面扫描的成像仪 瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描成像（线阵列成像（线阵列CCD推扫式成像仪推扫式成像仪 ） 成像光谱仪成像光谱仪 以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器的仪器 对物

7、面扫描的成像仪对物面扫描的成像仪 红外扫描仪红外扫描仪 MSS多光谱扫描仪多光谱扫描仪 TM专题制图仪专题制图仪 ETM+增强型专题制图仪增强型专题制图仪 红外扫描仪红外扫描仪 扫描成像过程扫描成像过程 当旋转棱镜旋转时，当旋转棱镜旋转时，第一个镜面对地面横越航线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，由刈方向扫视一次，在扫描视场内的地面辐射能，由刈幅的一边到另一边依次进人传感器，幅的一边到另一边依次进人传感器， 经探测器输出视频信号，经探测器输出视频信号， 经电子放大器放大和调制，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在阴极射线管上显示出

8、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。记录下来。 接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运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。应的二维条带图像。 全景畸变全景畸变 由于地面分辨率随扫描角发生变化，使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，形成原因是像原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所

9、距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所致致。 红外扫描仪的分辨率红外扫描仪的分辨率 扫描线的衔接扫描线的衔接 热红外像片的色调特征热红外像片的色调特征热红外像片上的色调变化与相应的地物的辐射强度热红外像片上的色调变化与相应的地物的辐射强度变化成函数关系。地物发射电磁波的功率和地物的变化成函数关系。地物发射电磁波的功率和地物的发射率成正比，与地物温度的四次方成正比，因此发射率成正比，与地物温度的四次方成正比，因此图像上的色调也与这两个因素成相应关系。图像上的色调也与这两个因素成相应关系。 MSS多光谱扫描仪多光谱扫描仪 陆地卫星上的陆地卫星上的 MSS（Multispectral Sc

10、anner） 由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、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。成像板、光学纤维、滤光器和探测器等组成。 扫描镜扫描镜摆动摆动2.892.89西西光学纤维光学纤维n n次扫描次扫描 474m474m6 65 54 41 12 23 3n+1n+1次扫描次扫描 474m474m6 65 54 41 12 23 31 185km85km185km185km6 6线线474m474m扫描视场扫描视场11.5611.56卫星轨迹卫星轨迹有效扫描有效扫描北北南南东东扫描仪扫描仪MSSMSS的扫描过程的扫描过程MSS的成像过程的成像

11、过程2 23 31 16 6回摆回摆有效扫描有效扫描MSS产品产品 粗加工产品，它是经过了辐射校准（系统噪声改粗加工产品，它是经过了辐射校准（系统噪声改正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记（28.6s扫描扫描390次分一幅）次分一幅）。 精加工产品，它是在粗加工的基础上，用地面控制精加工产品，它是在粗加工的基础上，用地面控制点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差) 特殊处理产品。特殊处理产品。 专题制图仪专题制图仪瞬时视场对应在地面为3030m2 探测波段增加到7个 TM(Thematic Mapper)ETM+

12、 (Enhanced Thematic Mapper)光光谱谱响响应应#1: B 0.45 - 0.515 / 30m#2: G0.525 - 0.605 / 30m#3: R 0.63 - 0.690 / 30m#4: IR0.75 - 0.90 / 30m#5: SWIR11.55 - 1.75 / 30m#6: TIR10.40 - 12.5 / 60m#7: SWIR22.09 - 2.35 / 30m#8: PAN0.52 - 0.90 / 15mTM各波段特征各波段特征 对像面扫描的成像仪对像面扫描的成像仪 HRV线阵列推扫式扫描仪线阵列推扫式扫描仪立体观测立体观测SPOT卫星卫星

13、HRV扫描仪扫描仪High Resolution Visible 不需要扫描镜的摆动，像缝隙式摄影机那样，以“推扫”方式获取连续条带影像。SPOT卫星卫星HRV扫描仪扫描仪多光谱HRV全色HRV光谱范围：0.510.73 6000个探测元件 D=10m10m 对应地面60km两台平排3km重迭 117km宽6 bit编码多光谱HRV全色HRV波段1 0.500.59 波段2 0.610.68 波段3 0.790.89 3000个探测元件D=20m20m对应地面60km 8 bit编码立体观测方式立体观测方式 HRV 平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴(

14、x)轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体观测轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体观测 HRG 通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体 HRS 由前视后视相机组成，形成同轨立体由前视后视相机组成，形成同轨立体 成像光谱仪成像光谱仪 以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器信息的仪器 基本上属于多光谱扫描仪，其构造与基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列线阵列推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于推扫式扫描仪和多光谱扫描仪相同，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。通道数多，各通道的波段宽度很窄。 雷达成

15、像仪雷达成像仪 特点特点 主动式遥感主动式遥感 雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特性）性） 穿透特性穿透特性 分类分类 真实孔径雷达真实孔径雷达 合成孔径雷达合成孔径雷达 相干雷达相干雷达 激光雷达激光雷达 雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂函数。标参数的复杂函数。 系统参数：系统参数： 雷达波的波长雷达波的波长 发射功率发射功率 照射面积和方向照射面积和方向 极化等极化等 地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等糙度等 v SEASAT SEASAT 卫星

16、卫星 发射时间: 1978.6.28 第一个星载 SAR 系统 运行 105 天 用于地球海洋遥感探测 以 110 Mbits/S获取数据洛杉机地区 SEASAT 图像, 1978 v 航天飞机成像雷达航天飞机成像雷达 SIR-A 由 SEASAT 剩余部件建成 搭载在哥伦比亚航天飞机上，1981.11 主要应用于地质探测 验证了 L 波段对干旱沙地具有几米的穿透能力。 在二天内获取超过1千万平方公里的地表SAR图像。苏丹西北部撒哈拉沙漠SIR-A 1981年11月影像，彩色部分为Landsat影像。由于干燥沙漠介电常数较小，SAR能穿透地表，发现沙漠地表下面有古河床。v航天飞机成像雷达航天飞

17、机成像雷达 SIR-B 由 SIR-A 改进 搭载在挑战号航天飞机， 1984.10 检验 L 波段在以下方面的探测能力：- 土壤湿度- 地质结构和岩石特征- 海洋波浪谱 安装了变侧视角的可移动天线v SIR-C, 1994.4 飞行飞行 全新的SAR系统，工作在 L、 C和 X 波段 从1994.4.9 工作 11 天- 获得了65小时数据- 探测了6,600万平方公里- 数据量为：47 TB 重点对19个不同类型地区进行成像 第一次获取了同波段不同极化的图像- HH, VV, HV, VHv SIR-C, 1994.9 飞行飞行 第一次进行了SAR重复飞行 目的是进行重复轨道的SAR干涉测

18、量 检验 SCANSAR 的宽刈幅从1994. 9.30 工作 11 天- 获得了80小时数据，23小时INSAR数据- 探测了8，300万平方公里- 数据量为：60 TB 为了获取INSAR数据，本次飞行严格重复4月的飞行轨道。用SIR-C 3种极化方式图像合成的俄罗斯西伯利亚一火山图像 发射时间：1991.7.17 轨道倾角：98.5 轨道高度：785 km 侧 视 角：23 刈 幅 宽：100 km 波 长：5.7 cm 工作波段：C 极化方式：VV 分 辨 率：30 mERS - 11993年圣.路易斯安那州洪水期间 ERS-1 图像v ERS-2l1995.4.21发射l25 m 分

19、辨率lC 波段，波长5.6 ml极化方式：VVl侧视角：23亚利桑那州盆地 ERS-2 图像1997.6.11997.1.121997.3.23上图较清楚地反映了三条河流洪水泛滥的情况 发射时间：1992.2.11 轨道倾角：98.5 轨道高度：568 km 侧 视 角：35 刈 幅 宽：75 km 波 长：23 cm 工作波段：L 极化方式：HH 分 辨 率：18 m 国 家：日本JERS - 1冰川上的火山口v RADARSATl分辨率10-100ml工作波段：Cl极化方式： HHl侧视角：20-50 l工作时间：1995-现在纽约世贸中心被进攻前RADARSAT-1图像（1999.6.8

20、）纽约世贸中心被进攻后RADARSAT-1图像（2001.9.13）高分辨率国外高分辨率国外机载机载SARSAR图像图像1 1高分辨率国外机载高分辨率国外机载SARSAR图像图像2 2DC3和直升机TerraSAR-X卫星雷达卫星TerraSAR-X于2007年6月15日在俄罗斯拜克努尔发射场成功发射。TerraSAR-X（TSX）是由德国政府机构德国航空空间中心（DLR）和欧洲航空防务及航天公司（EADS）下属的Astrium公司及Infoterra公司根据PPP模式(Public Private Partnership:公私合营)共同开发、运用的X波段SAR卫星。作为民用卫星，TerraS

21、AR-X将提供最高1m分辨率的雷达观测数据。 侧视雷达的一般结构侧视雷达的一般结构侧视雷达一般由脉冲发射机、接收机、发射接收转换开关、天线和显示记录器组成。脉冲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。地物反射或者散射的电磁波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。天线发射器转换开关接收机显示器目目标标R噪噪 声声信号信号 处理机处理机发射的电磁波发射的电磁波接收的电磁波接收的电磁波接收机的回波信息接收机的回波信息(Echo Information)接收机接收的雷达回波含有多种信息：目标与接收机接收的雷达回波含有多种信息：目标与雷达的方位、距离，雷达

22、与目标的相对速度，雷达的方位、距离，雷达与目标的相对速度，目标的反射特性。目标的反射特性。侧视雷达成像侧视雷达成像n 真实孔径雷达真实孔径雷达(RAR)n 合成孔径雷达合成孔径雷达(SAR) 真实孔径侧视雷达真实孔径侧视雷达Real Aperture Side-looking Radar方位向：平台行进方向方位向：平台行进方向距离向：平台侧向距离向：平台侧向距离方向距离方向CRTCRT接收机接收机天线天线方位方向方位方向波束宽度波束宽度脉冲宽度脉冲宽度时间时间反射强度反射强度成像过程成像过程(Imaging Processes)收集顺序：近距离先收集，远距离后收集收集顺序：近距离先收集，远距离

23、后收集回波强弱（色调）：回波强弱（色调）： （1）金属）金属硬目标强硬目标强 （2）反射面方向）反射面方向向天线强向天线强 （3）平滑镜面反射）平滑镜面反射回波弱回波弱 （4）反射面性质）反射面性质草地弱草地弱 （5）阴影）阴影无反射无反射天线收集天线收集侧面天线侧面天线发射窄脉冲发射窄脉冲地物反射地物反射成像处理成像处理形成影像形成影像放放大大检检波波地面分辨率地面分辨率 (Ground Resolution) 距离分辨率距离分辨率 在距离方向上能分辨的最小目标的尺寸在距离方向上能分辨的最小目标的尺寸 方位分辨率方位分辨率 雷达飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离雷达飞行方向上，能分辨两个目

24、标的最小距离 距离分辨率距离分辨率sin2CR斜距斜距R距离分辨率斜距分辨率2CRd为脉冲宽度，为光为脉冲宽度，为光速，速，为雷达波侧视角为雷达波侧视角 R与距离无关，要提高R ，需要减小，但是减小会使雷达的发射功率下降，从而使回波信号的信噪比（S/N）下降，造成图像质量下降。为此，采用脉冲压缩技术来提高R。方位分辨率方位分辨率(Azimuth Resolution) 定义：相邻的两脉冲之间，能分辨两个目标的定义：相邻的两脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。最小距离。azimuth or along-track resolutionLRRL式中式中为雷达的为雷达的波束宽度，波束宽度，L为为雷达

25、天线的雷达天线的孔径，孔径，R为为雷达天线到地面目标的距离雷达天线到地面目标的距离 天线LLR要提高方位分辨率，需采要提高方位分辨率，需采用较短波长的电磁波，或用较短波长的电磁波，或加大天线孔径，或缩短观加大天线孔径，或缩短观测距离。测距离。如要求方位向分如要求方位向分辨率为辨率为25m25m，采用波长为，采用波长为5.7cm5.7cm的微波，卫星高度的微波，卫星高度为为600km600km，侧视角，侧视角4040度，度，则天线尺寸应为则天线尺寸应为1790m1790m ，这显然难以实现。这显然难以实现。合成孔径雷达合成孔径雷达特点特点：u 距离向采用距离向采用脉冲压缩技术脉冲压缩技术来提高分

26、辨率来提高分辨率u 方位向通过方位向通过合成孔径原理合成孔径原理来改善分辨率来改善分辨率 Synthetic Aperture Radar 用一系列的小天线排成一个阵列，每个小天线之间的距离为d，总长度为Nd。对于每个天线，脉冲发射是同时进行的，接收时也是同时接收信号。这就如同真实孔径雷达一样。成像原理成像原理(Imaging Principle)NdL将所有不同时刻接收的同一将所有不同时刻接收的同一目标信号目标信号消除因时间和距离消除因时间和距离不同所引起的相位差不同所引起的相位差，修正，修正到同时接收的情况，就得到到同时接收的情况，就得到如同真实孔径侧视雷达一样如同真实孔径侧视雷达一样的效

27、果。的效果。 不同时刻和位置接收的同一目标的频率不同（多普勒平移效应），随着时间增加，接收信号的频率降低，频率偏移对时间而言是线性的，反射脉冲可以认为是经过线性调制处理的。将不同位置接收的同一目标信号，通过与频率偏移具有逆特性的匹配滤波器滤波调制，就得到目标的唯一像点。通过调制处理后，方位向上的分辨率得以提高，这种处理也叫做方位向压缩。侧视雷达图像的几何特征侧视雷达图像的几何特征 斜距投影斜距投影 侧视雷达图像在垂直飞行方向（侧视雷达图像在垂直飞行方向（y）的像点位置）的像点位置是以飞机的目标的斜距来确定，称之为斜距投影。是以飞机的目标的斜距来确定，称之为斜距投影。图像点的斜距算至地面距离为：图像点的斜距算至地面距离为： 几何特点几何