传感器及其成像原理课件

1、遥感技术与应用遥感技术与应用第三讲 遥感传感器及其成像原理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：电磁波波段的响应能力（探测灵敏度、波谱分辨率） 图像的空间分辨率及其几何特性获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度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。 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

2、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（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（field of view,FOV）是指遥感器的张角即瞬时视域，又称为遥感器的角分辨率。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

3、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。传感器分类 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 非图像类型的传感器 摄影相机胶片记录的灵敏度和分辨率都很高 响应波段窄，0.41.1

4、m 图像几何关系稳定、严密（中心投影）。 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对物面扫描的成像仪 红外扫描仪 MSS多光谱扫描仪 TM专题制图仪 ETM+增强型专题制图仪 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，由刈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

5、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。 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，形成原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所致。 红外扫描仪的分辨率 扫描线的衔接 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，因此图像上的色调也与这两个因素成相应关系。 扫描镜摆动2.89西光学纤维n次扫描 474m654123n+1次扫描 474m654123185km185km6线474m扫描视场11.56卫星轨迹

6、有效扫描北南东扫描仪MSS的扫描过程MSS的成像过程2316回摆有效扫描MSS产品 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（28.6s扫描390次分一幅）。 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) 特殊处理产品。 ETM+ (Enhanced Thematic Mapper)光谱响应#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.

7、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 SPOT卫星HRV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HRV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(x)轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体

8、观测 HRG 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 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的仪器 基本上属于多光谱扫描仪，其构造与CCD线阵列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。 雷达成像仪 特点 主动式遥感 雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特性） 穿透特性 分类 真实孔径雷达 合成孔径雷达 相干雷达 激光雷达 雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂函数。 系统参数： 雷达波的波长 发射功率 照射面积和方向 极化等 地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等 SEASAT 卫星

9、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 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。航天飞机成像雷达 SIR-B 由 SIR-A 改进

10、 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 SIR-C, 1994.4 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, VH SIR-C, 1994.9 飞行 第一次进行了SAR重复飞行 目的是进行重复轨道的SAR干涉测量 检验 SCANSAR 的宽刈幅从1994. 9.30

11、 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 ERS-21995.4.21发射25 m 分辨率C 波段，波长5.6 m极化方式：VV侧视角：23亚利桑那

12、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 RADARSAT分辨率10-100m工作波段：C极化方式： HH侧视角：20-50 工作时间：1995-现在纽约世贸中心被进攻前RADARSAT-1图像（1999.6.8）纽约世贸中心被进攻后RADARSAT-1图像（2001.9.13）高分辨率国外

13、机载SAR图像1高分辨率国外机载SAR图像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，TerraSAR-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

14、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标R噪 声信号 处理机发射的电磁波接收的电磁波接收机的回波信息(Echo Information)接收机接收的雷达回波含有多种信息：目标与雷达的方位、距离，雷达与目标的相对速度，目标的反射特性。侧视雷达成像 真实孔径雷达(RAR) 合成孔径雷达(SAR) 真实孔径侧视雷达Real Aperture Side-looking Radar方位向：平台行进方向距离向：平台侧向距离方向CRT接收机天线方位方向波束宽度脉冲

15、宽度时间反射强度成像过程(Imaging Processes)收集顺序：近距离先收集，远距离后收集回波强弱（色调）： （1）金属硬目标强 （2）反射面方向向天线强 （3）平滑镜面反射回波弱 （4）反射面性质草地弱 （5）阴影无反射天线收集侧面天线发射窄脉冲地物反射成像处理形成影像放大检波地面分辨率 (Ground Resolution) 距离分辨率 在距离方向上能分辨的最小目标的尺寸 方位分辨率 雷达飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离 距离分辨率斜距R距离分辨率斜距分辨率为脉冲宽度，为光速，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

16、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(Azimuth Resolution) 定义：相邻的两脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。azimuth or along-track resolution式中为雷达的波束宽度，L为雷达天线的孔径，R为雷达天线到地面目标的距离 天线LLR要提高方位分辨率，需采用较短波长的电磁波，或加大天线孔径，或缩短观测距离。如要求方位向分辨率为25m，采用波长为5.7cm的微波，卫星高度为600km，侧视角40度，则天线尺寸应为1790m ，这显然难以实现。合成孔径雷达特点： 距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率 方位向通过合成

17、孔径原理来改善分辨率 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(Imaging Principle)NdL将所有不同时刻接收的同一目标信号消除因时间和距离不同所引起的相位差，修正到同时接收的情况，就得到如同真实孔径侧视雷达一样的效果。 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

18、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 斜距投影 侧视雷达图像在垂直飞行方向（y）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。图像点的斜距算至地面距离为： 几何特点 垂直于飞行方向的比例尺由小变大 变形压缩与拉长 高差产生的投影差 雷达立体图像的构像特点从不同摄站对同一地区获取的雷达图像也能构成立体影像。由于是侧视，所以同一侧或异侧都能获取和构成立体像对。对同侧获取的雷达图像立体对，由于高差引起的投影差与中心投影片方向相反; 如果按摄影位置放置像片进行立体观测，看到的将是反立体图像; 将左右立体图像换位放置，看到的是正立体。 地面目标在雷达图像上的色调取决于目标的回波功率。回波功率强，影像色调浅；回波功率弱，影像色调深。影响回波功率的因素雷达的发射功率天线功率增益雷达波长目标的微波散射特性极化方式侧视雷达图像的