《光电子成像技术》-12

12.1引言1962年在美国密执安的一届国际会议上，把“遥感”(remotesensing)定义为:利用航空、航天技术，宏观地研究地球、综合评价地球环境、进行资源调查与开发及管理的一种特定技术。目前，关于遥感的一个大众化的定义是(从不同高度的平台上，使用各类遥感器收集物体的电磁波信息，并将这些信息传送到地面，进行加工处理，从而达到对物体进行识别和检测的全过程。从其技术层面上讲,“遥感”实际上是一种远距离非接触的目标探测成像技术。下一页返回12.1引言遥感技术，作为一个相当大的系统工程，应包括以下4个必不可少的要素，即遥感对象、遥感器、信息传播媒介和遥感平台。它们的作用分别表现在：遥感对象：被感测的对象，如地球上的各类目标的形态和物理特性；外层空间的星际、星体的运动状态时空变化等；上一页下一页返回12.1引言遥感器：也称传感器，能感测事物并能将感测到的结果传递给使用者的仪器，如摄影机、宽光谱扫描成像仪、光谱成像仪和微波雷达成像仪等。这是本书“遥感光电子成像技术”一节要介绍的重点内容；1信息传播媒介(传播上述遥感信息的媒介，如电磁波、声波、重力场、磁力场、电力场及地震波等，本节只涉及电磁波(X光、紫外光、可见光、红外线和微波等)；遥感平台：装载遥感器并使之能有效工作的运载工具，如飞机、人造地球卫星、航天飞机及宇宙飞船等。上一页下一页返回12.1引言遥感器作为各类卫星的“耳目”，是卫星遥感技术设备的核心。卫星有多种，包括侦察卫星、气象卫星、资源卫星和通信卫星等。不同用途的卫星遥感系统是一个更大的系统工程，包括“空基系统”(遥感器平台，负责目标的辐射'反射光谱特性时空分布的探测成像、并传送回地面)、“地基系统”(地面接收站，负责遥感数据接收、处理和加工)和研究技术支持系统(负责遥感图像的人工解译和计算机解译)，它们针对不同的应用需要，构建为不同的遥感技术系统。上一页下一页返回12.1引言从所涉及的理论技术基础上讲，遥感器几乎集现代的各类高新技术于一体，涵盖宇宙空间技术、光电子技术、微电子技术、计算机技术、自动化控制技术、图像工程感知、储存、压缩及网络化传输技术等。在本书介绍的各类光电子成像技术中，唯独遥感探测成像技术最全面地具备了全时空、全天候、多功能、高收益等四大技术特点。上一页下一页返回12.1引言1全时空特点遥感探测成像的距离远，范围大，视野宽，因而，遥感图像具有宏观性和直观性，例如，一张比例尺为1：35000的23cmX23cm的航空相片，可反映出60km2的地面景物实况；多颗卫星组成的环绕地球的卫星遥感与全球定位系统(GPS)通信网相结合，可以24小时实时提供整个地球表面的特定景物的形态和物理属性。上一页下一页返回12.1引言2全天候特点目前，卫星上可配置有能对γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外光和微波等电磁波敏感的探测成像器材，它们能分别利用不同波段的大气窗口(红外)、γ(X)射线的高穿透能力及微波不受烟雾衰减影响等特性，进行全天候探测成像。上一页下一页返回12.1引言3多功能特点与常规的其他成像方式相比，现代的遥感器还具有光谱成像分析功能，即在原有已获取的目标积分辐射/反射时空分布的基础上，通过共光路的高分辨率光栅光谱仪，提供各区域的辐射/反射光谱分布，从而可提供所属的物种资源勘察信息；此外，在目前星罗棋布于天空中的卫星、飞船中，70%以上是各类军用卫星，包括侦察卫星和航天武器平台，它们可以一并完成对敌目标的观察、瞄准、测距、跟踪、制导、告警等功能，这是人载、车载、舰载等地面武器成像系统平台所无法比拟的。上一页下一页返回12.1引言4高效益特点目前遥感(RS)技术已广泛应用于城市规划、天气预报、农业估产、资源清查、地质探矿、环境保护等民用领域。随着遥感图像的空间、时间、光谱分辨率的进一步提高，以及与地理系统(GIS)和全球定位系统(GPS)的结合，它的应用范围会更加广泛，自然会给人们带来巨大的社会和经济效益。例如，美国20世纪70年代的、号卫星及其地面设备，每年耗资2000-3000万美元，而收益却为14亿美元，其中，仅减少洪水损失、预报农作物病虫害、勘探石油和天然气所获得的效益共计为10多亿美元。上一页下一页返回12.1引言本章将回顾遥感技术的发展历程及动态，介绍可见光遥感、红外遥感、激光及微波三维遥感、多光谱及高光谱遥感系统中的光电子成像技术之系统组成、工作原理、特性参数和性能评价等相关内容。上一页下一页返回12.1引言本章要点:遥感成像技术发展大事记及发展趋势遥感成像技术分类、工作原理及特征参数摄影型遥感成像技术。CCD及ICCD遥感成像技术红外遥感成像技术多光谱和高光谱遥感成像技术激光遥感和微波遥感三维成像技术上一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势12.2.1遥感技术发展历史回顾按照前面引述的定义，凡能在远距离上，通过各类遥感器收集物体的电磁波信息、并将这些信息传送到地面、进行加工处理，从而达到对物体进行识别和检测全过程的相关技术，统称为“遥感技术”。按此思路，有必要把“遥感技术”分为遥感成像初级阶段、航空遥感成像阶段和航天遥感成像阶段，并追述若干国内外科技精英们对此做出的杰出贡献。下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1遥感成像初级阶段1839年，达吉赫、尼普斯，发明摄影技术，获得第一张相片；1840年，法国天文台台长阿尔戈，拍摄到第一张地形勘测相片；1858年，法国摄影师图纳乔，用气球上的相机获得巴黎郊区某小村的鸟瞰相片；1860年，布莱克，用气球相机获得美国波士顿市鸟瞰相片；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1903年，莱特兄弟俩发明飞机，为航空摄影展现了更有利的条件；1906年，劳伦斯在600m高空，拍摄了美国旧金山大地震及其引发的火灾余波；1913年，对利比亚本格森油田获取的航拍油田地质图，标志着航空摄影技术的开始；1913年,航空摄影普遍用于第一次世界大战，作为军事侦察的重要手段。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势2航空遥感成像阶段1924年，迈纳斯发明了彩色胶片，并于1937年成功进行了彩色航空摄影；1937年，航空彩色摄影用于军事侦察，显示了比黑白胶片更丰富更逼真的敌情信息；1940年，发明红外摄影技术，并用于军事目标侦察；同时，微波雷达用于侦察；1946-1950年美国小型摄像机搭载V2火箭，完成高空成像；同期，发明了多光谱摄影；据统计，第二次世界大战期间，80%的地面和空中情报来源于摄影和雷达侦察；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1957年，美国密执安大学研制成功并实际应用了侧视雷达成像遥感器。20世纪30年代起，航空摄影除用于军事侦察外，还广泛用于地学领域，以增强人们地理环境的认识和测绘地形图及各类专用地图。3航天遥感成像阶段1957年，原苏联第一颗人造卫星上天，随后美国阿波罗号宇宙飞行器发回第一张地球照片，标志着人类开始进入太空时代，促使人类以全新的视角考量自己赖以生存的地球；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1960年后，美苏发射多颗卫星：ERTS-1美国地球资源卫星Landsat-1(1972)；其后相继发射的Landsat-2，Landsat-3，携带多光谱扫描仪，4个波段，分辨率80m，各国从卫星上获得了很有价值的45万幅遥感图像；1980年后，美国发射第2代试验型地球资源卫星Landsat-4，多光谱专题制图仪TM有7个波段，分辨率30m，第6波段为120m；1984年，美国又发射Landsat-5卫星，现仍在运行；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1986年后，法国相继发射了系列卫星。SPOT-1~SPOT-5,其中，前3颗装有两台高分辨率可见光(HRV)相机，全色波段分辨率10m及3波段分辨率20m；SPOT-4装有中红外扫描仪，还装载了植被仪，增强了对植物的识别能力；1990年后，国外相继发射的卫星有:欧空局的ERS卫星，日本的JERS卫星，印度的IRS卫星，俄罗斯的RESURS系列卫星，加拿大的RADARSAT-1雷达卫星，标志着卫星微波遥感技术的重大进展，为建立一个能生存的国际遥感数据市场做出了重要贡献；我国1998年长江抗洪抢险中，采用了该卫星提供的水情分析图像；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1999年，美国Landsat-7卫星，增加了1个遥感器，分辨率15m，红外分辨率60m；1999年，中国、巴西联合研制、发射成功的资源一号(ZY-1)卫星，测试地面的空间分辨率为、19.5m、78m和156m和256m共4种；2000年，美国光谱成像公司发射成功高分辨率商用小卫星IKONOS，数码相机可采集1m分辨率的黑白照片和4m分辨率的红-绿-蓝-近红外多光谱影像；2000年，美国奋进号航天飞机利用雷达测绘了迄今最为精确的地球三维地图；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势2001年，美国数字地球公司的QuickBird卫星，全色影像分辨率0.61m，多光谱影像分辨率2.44m；值得指出的是，20世纪80年代遥感技术的最大成就是高光谱遥感技术的兴起；1983年，获取第一幅航空成像光谱仪AIS-1的高光谱分辨率图像；1987年，利用AVIRIS航空可见/红外光谱仪，获取了0.4-2.5μm宽波段影像数据；上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1987年，美国国家宇航局中等分辨率成像光谱仪MODIS，提供地球任何地方白天反射图像和昼夜36个波段的发射光谱图像；成像波段0.4-2.5μm，分辨率为250m、500m或1km；规划中的高等分辨率成像光谱仪HIRIS，将达到空间分辨率30m，0.4-2.5μm范围内10nm宽的192个连续光谱波段图像。这一时期遥感成像技术的共同特点是(光机扫描、CCD扫描成像技术、星载合成孔径雷达(SAR)技术成熟；成像幅面大，覆盖广，基本全球成像；影像获取速度快；易于重复观测；用于资源勘察、军事侦察、地形测图等领域；成像光谱波段宽、空间和光谱分辨率高。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势12.2.2遥感成像技术发展趋势遥感技术正进入一个能快速准确提供多种对地观测海量数据及应用研究的新阶段，它在近一二十年内得到了飞速发展，目前又将达到一个新的高潮。主要发展表现在以下五个方面。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势1遥感影像的空间分辨率；时间分辨率愈来愈高目前，国际上已拥有十几种不同用途的地球观测卫星系统，随着遥感器技术的发展，获取影像的空间分辨率已由原来的80m提高到0.61m，并拥有全色0.61-15m、多光谱12.44-20m的多种空间分辨率。民用遥感影像的空间分辨率达到米级，光谱分辨率达到纳米级，波段数已增加到数十个甚至数百个。军用侦察卫星的空间分辨率已达到厘米级(如美国的KH-11间分辨率为0.11,)。卫星的回归周期达到几天甚至十几个小时，对同一地区观测的时间间隔最短可达到1-2天。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势2可获取遥感立体影像获取目标位置信息是遥感应用的重要方面，而遥感立体影像技术是准确获取位置信息的重要条件，因而获取遥感立体影像是目前和将来遥感成像的发展趋势。例如，美国的商业卫星IKONOS可获取1m空间分辨率的图像，通过任意方向旋转，可获得同轨和异轨的高分辨率立体影像；美国Eos卫星上的MODISN遥感器具有35个波段；美国NOAA的一颗卫星每天可对地面同一地区进行两次观测。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势3微波遥感迅速发展20世纪后半叶，不断研制出新型遥感器，主要倾向于合成孔径雷达和成像光谱仪的广泛应用。微波遥感技术是近十几年发展起来的具有美好应用前景的主动式探测技术。微波具有穿透性强、不受天气影响的特性，可昼夜兼容全天时、全天候工作。20世纪70年代，美国在越南战争中使用微波遥感器，发现了隐蔽于茂密森林下胡志明小道上的越军调动和军备运输动态，并实施轰炸，取得了有效战果；此外，微波遥感采用多极化、多波段及多工作模式，形成多级分辨率影像序列，以提供从粗到细的对地观测数据源。成像雷达和激光雷达等技术的发展愈来愈引起人们的关注。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势例如，美国实施的航天飞机雷达地形测绘任务采用雷达干涉测量技术，在一架航天飞机上安装了两个雷达天线，对同一地区一次获取两幅图像，然后通过影像精匹配、相位差解算、高程计算等步骤得到被观测地区的高程数据。4高光谱遥感迅速发展高光谱遥感(有名成像光谱仪)的出现和发展是遥感技术的一场革命。它使本来在宽波段遥感中不可探测的物质，在高光谱遥感中能够被探测。美国、俄罗斯、欧盟、日本等国一系列中分辨率和高分辨率成像光谱仪的陆续升空，带来了一个高光谱群星灿烂的新局面，对它的深入研究正处在突破的前夕。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势总之，不断提高遥感器的性能指标，研制新型遥感器，开拓新的工作波段，从而获取更高质量和精度的遥感数据是今后遥感发展的一个必然趋势。5遥感的综合应用不断深化目前，遥感技术正经历着一场质的变化，综合应用的深度和广度不断扩展，表现为从单一信息源分析，向包含非遥感数据的多源信息的复合分析方向发展；从定性判读向信息系统应用模型及专家系统支持下的定量分析发展；从静态研究向多时相的动态研究发展。地理信息系统为遥感提供了各种有用的辅助信息和分析手段，提高了遥感信息的识别精度。上一页下一页返回12.2遥感成像技术发展动态和趋势另外，通过遥感的定量分析，从区域专题研究向全球综合研究发展，实现从室内的近景摄影测量，到大范围的陆地、海洋信息的采集乃至全球范围内的环境变化监测。多时相遥感的动态监测，可获取各国当前城市化过程、耕地面积减少和生态环境变化的基本资料。与此同时，国际上相继推出了一批高水平的遥感图像处理商业软件包，用以实现遥感的上述综合应用。其主要功能包括影像几何纠正与辐射校正、影像处理与分析、遥感制图、地理信息分析、可视化空间建模等。上一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数12.3.1遥感光电子成像技术分类遥感器有多种分类方法，从工作方式上可分为主动遥感和被动遥感；从显示方式上可分为探测遥感和成像遥感；从辐射信息源上可分短波遥感、可见光遥感、红外遥感和微波遥感，本倾向于后两者(见表12-1，并把它们统称为遥感光电子成像技术，分别予以介绍。下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数12.3.2遥感成像系统一般工作原理遥感成像系统的工作原理如图12-1所示。根据具体遥感任务的需要，可以在卫星(或飞机、飞船)遥感平台上，配置如表12-1所列的宽(多)光谱遥感探测成像系统。遥感的对象是地面或外层空间景物的空间位置、形貌或物化特征的时-空强度分布，正如我们在绪论中描述的那样，它们可被表述为

上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数式中(x,y,z),t,λ,ρ,ξ,p和M，分别代表瞬时视场遥感面元的空间位置、时间、电磁波波长(颜色)、反射率、辐射率、偏振(激化)态和物质成分。遥感的信息源是景物面元之间的上述形貌或物化特征的对比度。很显然，一个高水平的遥感成像系统的任务是尽可能逼真地再现由式(12-1)所蕴涵的物方分布。这种物方到像方的变换过程谓之遥感过程，它包括遥感信息的获取、传输、处理及其判读分析和应用的全过程。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数在上述遥感过程中，电磁波能源可以来自三个方面(太阳辐射、目标自身热辐射和遥感器的电磁波(微波或激光)反射；与前两者相关的是被动式遥感成像系统；与后者相关的是主动遥感成像系统；如果输出不是图像形式而只提供数字序列，则为遥感探测。完成遥感探测或成像的核心器件是各类探测成像器件，其中包括光化学效应的黑白或彩色胶片、光电效应的可见光成像器件(CCD或像增强ICCD)、红外热成像器件、高能辐射(γ线、紫外线)成像器件和微波成像器件等。关于这些器件的工作原理详见本书第三章和第四章。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数由以上成像器件输出的图像反映了景物反射率或发射率的4维时空分布，在获取这些图像的过程中，会受到一些因素(如太阳位置、大气状态、季节、地表状态、遥感器性能和位置)的影响，使得遥感数据的采集和成像产生辐射误差和几何误差，必须经过遥感数据处理中心和遥感影像处理软件处理，才能为特定用户提供相应有用信息，并进行分析和判读。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数12.3.3遥感成像系统特性参数遥感成像系统的主要性能参数有(视场、瞬时视场、空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和能量分辨率等。1视场FOV

上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数式中:d——成像器件光敏面有效直径或长度(mm)；f——遥感光学物镜焦距(mm)。如果遥感平台相对于地表面高度为H(km)，则H•FOV被定义为遥感器的瞬时视场(km)。对于推扫遥感用线阵探测器而言，用单元尺寸代替上式中的d，即为遥感器的角分辨率。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数2空间分辨率遥感影像上能被详细区分的最小单元的尺寸大小，若折算到遥感器物镜像面上，用lp/mm表示；若折算到地面上，则把影像最小可分辨单元所对应的地面尺寸定义为遥感器的空间分辨率。例如，若成像器件的分辨率为50lp/mm，物镜焦距为50mm，则该遥感器的角分辨率为1/25000rad；若卫星离地高度为50km；则遥感器相应的地面空间分辨率为50km/25000即20m。目前，最高水平是美国数字地球公司的快鸟(QuickBird)卫星，全色影像分辨率；0.61m。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数3时间分辨率对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，称为遥感器的时间分辨率。它能提供地物动态变化的相关信息，以对其进行监测和预报，也可为某些专题要素的精确分类提供附加信息。一般情况下，时间分辨率主要决定于卫星轨道的类型和遥感器的视场范围及其测视能力，但遥感器本身不是决定因素。通常，遥感器的时间分辨率分成3类:上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数(a)超短/短周期时间分辨率，以小时为单位，可观察一天内的变化；(b)中周期时间分辨率，以天为单位，可观察一年内的变化；(c)长周期时间分辨率，以年为单位，可观察较长时间内的变化。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数4光谱分辨率遥感器记录所能分辨电磁波谱中的最小波长范围即为其光谱分辨率。范围越宽，光谱分辨率越低。一般来讲，实际上的遥感器光谱分辨能力还应考虑其记录的波段数量和整体波长范围。例如，对于多光谱仪，波段数为5个(5个通道)，可分辨的波段宽度约为100-2000nm；而成像光谱仪(高光谱仪)的波段数达几十个、甚至几百个波段，可分辨的波段宽度则为5-10nm。很显然，波段数越多，波段宽度越窄，地面物体的物化结构与成分越容易区分和识别，针对性越强。成像光谱仪其所以是当前最先进的遥感成像系统，原因就在于它能够提供大量的关于地表植被和岩石的化学成分分析的重要信息。上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数5辐射分辨率辐射分辨率表征了遥感器能探测到的最小辐射(反射)功率值，归结到影像上是指影像记录灰度值的最小差值。影像最终在显示器上的灰度等级分为2n个，目前可达到的灰度等级为64级、128级和256级。不同遥感器的辐射分辨率的限制因素不同:(a)摄影胶片灵敏度很高，其显像灰度是连续的，对胶片，辐射分辨率没有意义；

(b)对扫描型可见/近红外传感器，辐射分辨率决定于它们所能记录的目标辐射(反射)功率最小值；上一页下一页返回12.3遥感成像技术分类、工作原理及特性参数

(c)对热红外传感器，辐射分辨率指能分辨地表辐射(温度)最小差异的能力，它与探测器的响应率(灵敏度)和遥感器内部噪声大小有关，其值一般取为噪声等效温度的2-6倍。值得指出的是，与本书介绍的其他成像系统评价理论一样，由于系统信噪比正比于其可分辨特征像元面积的平方根，故对遥感器的空间分辨率和辐射(灰度)分辨率的要求是相互矛盾的，顾其一头，必然牺牲另一头，因此，只有提高探测器的探测灵敏度才能同时兼顾提高遥感器的空间分辨率和辐射分辨率。上一页返回12.4摄影型遥感成像技术12.4.1功能及特点(1)光学摄影照相机是较为常用的遥感成像系统，主要由物镜、快门、光圈、放置胶片的暗盒和机械传动装置等组成，与普通的照相机工作原理相同，摄取的是曝光瞬间景物反射对比度的空间分布图像；靠胶片的光化学转换机制成像；曝光后的底片只是景物的潜影，必须经过暗室显影、定影及反拍后，方能能给出拍摄的景象。下一页返回12.4摄影型遥感成像技术

(1)光学摄影照相机主要用于航空、航天摄影。其最大特点体现在，它是目前遥感器中空间分辨率最高的成像系统，能提供观赏、侦察、测图最清晰的、视觉逼真度最高的黑白或彩色照片。(3)光学摄影照相机的最大不足是不能实时提供遥感照片，需要定期取回，事后处理和显示，因而不适应于大容量储存、检索和传输。上一页下一页返回12.4摄影型遥感成像技术12.4.2典型结构及工作模式遥感用光学摄影照相机有4种典型结构和工作模式:单镜头框幅式摄影机、缝隙式摄影机、全景式摄影机和多光谱摄影机。(1)单镜头框幅式摄影机。与普通的高档照相机雷同，只是镜头质量更高，焦距更长，结构更加精密，以适应遥感远距离、高清晰度、无畸变成像的需要，用于地图测绘的相机则要求更严。上一页下一页返回12.4摄影型遥感成像技术

(1)缝隙式摄影机。又名航带式或推扫式摄影机。如图12-2所示，相机暗盒的下侧有一条与飞机(卫星)飞行方向垂直的狭缝，由此接收快门控制下的物镜焦平面输入图像的连续曝光；暗盒中的胶片沿与飞机(卫星)飞行相同的方向缓慢移动，相像面移动速度等于被摄景物条带向后移动的速度。这样，在一定曝光时间内，就能得到连续的地面条带景物的航带摄影像片。为此，胶片的移动速度Wp应等于景物像面移动速度Wi，且满足:

上一页下一页返回12.4摄影型遥感成像技术式中:f——相机物镜焦距(m)；H——遥感平台高度(m)；Wi——卫星(飞机)的地速(m/s)。上一页下一页返回12.4摄影型遥感成像技术

(3)全景式摄影机。又名摇头式或扫描式相机，其工作原理如图12-3所示。这种相机中的狭缝配置方向与载体的航向相同，且绕航向摆动，放于其后的胶片接受曝光，这样，就能一次曝光获得一幅地面景物的全景照片。这种遥感相机的最大特点是焦距长(最大600mm)，分辨率高，视场宽(180°)，可在23cmX128cm大幅面胶片上成像。这种模式相机的缺点是(由于在成像过程中焦距保持不变，而物镜的扫描角随扫描角的增大而增大，导致影像两边比例尺缩小现象。上一页下一页返回12.4摄影型遥感成像技术(4)多光谱摄影机。单镜头多光谱摄影机的光路图及工作原理如图12-4所示。地面景物经物镜成像后，通过分光装置，将光束分离成不同的光谱成分，分别投射到不同的胶片上进行曝光，形成被摄地面景物不同波段的影像。这种摄影机常用的分光部件原理是利用半透、半反的平面镜，将收集的光束分解成所要求的几个光束，最后通过不同的滤光片，达到分光的目的。由于光束在分离过程中总有一部分能量损耗，而且不同波段损耗量不等，这样使所获得的多光谱相片的影像质量会受到不同程度的影响。上一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术12.5.1功能及特点电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)是一类新型的固体阵列内扫描式光敏成像器件；像增强6CCD(6C=[`6B(`BH-Y-`>CCD)是在CCD输入端耦合有像增强器的微光摄像器件，以进一步扩展CCD的光谱响应范围，降低其等效输入读出噪声，扩大动作范围。与它们相关的遥感成像器件具有以下技术特点:

(1)宽光谱响应范围:硅基-CCD，可见光-近红外0.5-1.2μm)，用于白天摄取地面高清晰度黑白'彩色遥感图像；下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术二代-三代微I6CCD，可见光-近红外(0.5-0.95μm)，可用于昼夜兼容获取地面遥感图像；蓝绿光敏感光阴极ICCD，0.45-0.55μm(水、雾介质透光窗口)，用于机载及舰载激光/微光选通成像系统，以探雷、探潜及遥感；同时，它也是星载自适应光学望远镜矫正大气波前畸变不可缺少的核心器件，对此波段敏感的高量子效率光阴极有GaAsP光阴极和蓝延伸，GaAs光阴极；GaN紫外日盲光阴极ICCD，0.2-0.4μm，用于星载导弹预警日盲紫外遥感成像系统；CsI/MCP光阴极倍增器一体化ICCD，用于远紫外γ线深空探测遥感成像。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术

(2)高的空间分辨率，可彩色成像，影像畸变小。目前，面阵CCD的像素数可达到5500X7050(像元10.0μmX7.8μm)；线阵达12000像元，在长焦距物镜下可获得很高的地面空间分辨率(0.61m)，例如，从离地700km的卫星上，可以辨认天安门前游人散步的景象及排队等候参观毛主席纪念堂的人群。(3)环境适应性强，易实现数字化输出。环境适应性强，能在较宽的温度范围、任意高度下可靠工作；易转换为数字化输出，便于网络化视频图像处理、储存和通信。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术本节将分别简略介绍推扫式CCD可见光遥感成像系统、蓝绿激光'微光ICCD遥感探雷系统、GaN紫外日盲光阴极ICCD导弹预警遥感系统和深空探测-线遥感位敏成像系统的有关情况。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术12.5.2扫描式CCD可见光遥感成像系统遥感用的CCD器件有线列阵和面列阵两种形式，由于制造工艺上的原因，目前面阵CCD阵列还难以做得很大，最大面阵的像元尺寸虽然可达5120X5120，但其几何尺寸有限，还不能完全达到航空或航天遥感对宽幅面的要求。因此，线阵CCD扫描仪是目前获取遥感影像的主要遥感探测器之一。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术前面提到过狭缝式遥感摄影机(图12-2)，其光路构思是目前较流行的扫描式CCD遥感成像系统的设计依据，只是用长长的线阵CCD一并代替了其中的狭缝和传感器(胶片)。常见的扫描式CCD遥感成像系统如图12-5所示。线阵CCD的排列方向与载体的航行方向垂直，这样在快门打开的时间内，它就会像数码摄像机一样，得到连续的地面条带景物的摄影图像。目前最长的单片线阵CCD探测器的像元数可达12000像元。这种推扫式CCD扫描仪已用于美国、法国、日本等国的卫星遥感器上，例如美国QuickBird卫星，其空间分辨率达；521m。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术这类扫描仪的地面空间分辨率Δs(m)，横向瞬间视场Δω(m)可按如下公式推算:

式中:H和f——载体飞行高度和遥感成像物镜的焦距；Δd和L——CCD像元尺寸和阵列长度，以上参量均以长度单位m计量。例如，当H=700km，f=600mm，Δd=7.5μm，L=25.4mm(1英寸)，代入以上公式算得，其地面空间分辨率为8.75m，瞬时视场为29.6km。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术这种遥感成像系统只能在地面处于白昼下工作，因为所用的非制冷CCD的正常工作最低照度一般在10lx左右，根据第八章介绍的lx-光子数照度换算关系(对于2856K标准光源，1lx=1.3X1016光子•s-1•μm-2)，且令CCD传感器的平均量子效率为40%，可估算出上述10lx的最低工作照度等效于CCD每个像元的固有读出噪声约为300e•s-1•μm-2。相比于像增强器(最低工作照度0.0001lx)而言，读出噪声要高出很多个数量级。资料报道(见第十四章)，目前用电子轰击式EBCCD做成的图像光子计数器，像元的读出噪声可低至0.07e•s-1•μm-2。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术如前所述，这就是机载蓝绿激光/微光ICCD遥感探雷系统、星载紫外日盲光阴极ICCD导弹告警系统、自适应光学望远镜ICCD光子计数波前畸变矫正系统等，均采用不同光谱响应微光像增强器作为CCD的高增益、低噪声前级放大器的根本原因之一。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术12.5.3星载/机载紫外日盲光阴极ICCD导弹告警系统该系统安装到预警卫星上，可与红外探测器一起构成双色导弹预警系统，实现昼夜兼容导弹预警。美国从1968年开始发射预警卫星，采用红外探测器和电视摄像机。20世纪七八十年代以来，发展了新型导弹紫外告警技术。可以在远程导弹点火90s以内探测到导弹的火焰，并能在5min以内将警报送入到战略防御指挥中心。在海湾战争中，它曾探测到伊拉克的“飞毛腿”导弹，为美军的“爱国者”导弹提供了90-120s的提前拦截摧毁时间。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术图12-6是美国三军通用的AN/AAR-57型紫外ICCD导弹告警系统图，它由紫外日盲光阴极、MCP荧光屏、光纤耦合器和CCD组成，紫外像增强器可以探测导弹固体火箭发动机羽烟的热辐射和化学荧光辐射所产生的紫外辐射，以确定导弹的来袭方向，并实时发出警报，使被保护的平台及时采取对抗措施。紫外告警利用的是导弹羽烟(温度2000-3000K)中强烈的“日盲区”紫外辐射，由于这一波段避开了太阳造成的复杂背景的影响，从而大大降低了信息处理的复杂性，减少了装备的虚警率。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术目前可以用于紫外日盲波段(0.2-0.4μm)工作的像增强器光阴极及其量子效率η分别是:Cs2I或Rb2I光阴极(η10%)；GaN光阴极(η20%-60%)。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术12.5.4机载蓝绿激光/微光ICCD选通成像探雷探潜系统激光器与微光探测成像器件(光电倍增管或像增强器)相结合，可以实现三维(x,y,z)成像功能，其中，z为景物面元(x,y)处的相对高度差。这种系统不仅可以装在绕月卫星上用来作为遥感测高计，测绘月球表面的三维月面图；还可作为水下探测成像系统。图12-7和图12-8分别是机载蓝绿激光/微光ICCD选通成像探雷探潜系统及其工作原理示意图。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术该系统采用在水中传输衰减最小的蓝绿激光(Nd:YAG倍频激光器或Ar+离子激光器，其波长分别为0.53μm和0.5145μm)。装在飞机上的是双频激光器(激光波长为1.06μm及其倍频激光0.53μm)，对水下目标(水雷或潜艇)进行快速探测和定位，不仅能探测到其精确位置，还能利用接收来自水面反射的1.06μm的激光回波与来自水下目标的0.53μm回波的时间差，精确测出目标离海面的精确深度。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术该激光雷达的探测器可以是蓝绿光敏感的光电倍增管或微光ICCD，如图12-8所示，它们与激光器一起，处于门控脉冲选通电路控制下，只接收携带目标信息的反射回波，这样可大大降低水介质对激光束的前向及逆向散射所造成的强背景干扰，提高系统的视距。作者单位1967年完成的“液氮制冷GaAs激光器/红外变像管选通夜视技术实验研究”项目，在能见度不到10m的夜晚，选通和不选通的视距分别为251m和83m。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术国外20世纪80年代研制成功、90年代装备使用的机载遥感探雷系统代表了这一领域的最高水平，它们分别是:加拿大、瑞典,“鹰眼”反潜系统和美国“魔灯”激光水雷探测系统，可探水深30m；前苏联，“紫英石”激光探雷系统系统，装于“熊4型”战机上，可探水深45m；用于水下激光/ICCD选通成像系统，视距可达150-200m，分辨率可分辨小罐头筒。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术以上机载探雷和水下成像系统其所以选择蓝绿激光器和蓝绿光敏感的ICCD，是因为水(大雾)介质对其他波长的电磁辐射几乎全部吸收，而只剩下蓝绿光波段尚存有限的透过率的缘故。这一现象不难从图12-9(a)和(b)的实验数据看出：图12-9(a)所示，随着水下深度的增加，光谱中的紫外光、大部分可见光以及红外光被强烈吸收和散射，到最后，只剩下蓝绿光波段尚有一定的光学透过率，这就是水下必须选择蓝绿光选通成像的技术原因：上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术如图12-9(b)，近海(港口)水(τ=0.1)与远洋海水(τ=0.6)的光学透过率有明显的差别，而且，若白天海面照度为1000lx，则随着水下深度的增加，水中照度将迅速衰减到10-8lx(近海水下11m；远海水下68m)。由此可见，提高激光定向功率和探测器蓝绿光量子效率对延伸这类水下成像系统视距的至关重要性。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术12.5.5深空γ线遥感探测成像系统人类对地球外层空间的探索，离不开能够对短于10-124nm的宇宙射线、γ线及远紫外线敏感的探测成像系统。其中，最为先进的是一种已经用于深空等离子体分布探测的电荷耦合多阳极位敏光子计数视频器件(简称CCMM管)，它是一种成像式位敏探测器，如图12-10所示。对于如此短波长的高能光子，可以用几块MCP(微通道板)直接作为光电子转换器(量子效率10-60%)和电子倍增器(>=106)，制作成图像单光子计数器。图中从左至右依次是目标(γ线或X线)辐射源、双块MCP楔条形阵列阳极、管外耦合的面阵电荷放大器及信号采集卡和图像处理软件等单元。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术其工作原理与一般像增强器不同的地方是，用楔条形阵列阳极代替像管荧光屏；与EBCCD和真空多阳极MAMA管不同是，管外的面阵电荷放大器代替了管内的CCD或多阳极阵列。靠对输出电荷二维空间分布的解算和可视化显示，提供被探测目标的空间动态位置信息。美国航空航天局(NASA)已将其成功用来拍摄地球外层空间等离子体图像。上一页下一页返回12.5CCD及ICCD遥感成像技术这种器件相比于其他位敏器件(电阻阳极、游标阳极、延迟线阳极及交叉线阳极)，其主要技术特点是有对极短波长(γ线、X线)的辐射灵敏度、高空间分辨率(150μm)、极低噪声(<=0.4计数mc-2s-1)和快响应速度(<=ms级)，而且管外耦合、结构简单，性价比高，是航天星空γ线、X线探测成像及制导武器的先进的核心器件。这种器件用以解算输入电子云的空间(X,Y)位置(见图12-10)，依据以下公式式中Qw,Qs和Qz分别是从楔条阵列阳极中的W、S、Z三种电极收集的电荷。上一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术12.6.1能及特点(1)众所周知，利用各类半导体红外光敏和热敏探测器做成的红外成像系统，相比于可见光成像系统而言，具有大气透过率高、鉴别伪装能力强、视距远等特点，因此，它们已构成为各类遥感成像设备的主要核心器件。下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(2)由于遥感需求的牵引和高新技术的推动，促成的现代遥感成像技术的革命性进展是实现了“谱像合一”功能，即容传统遥感成像与成像光谱分析于一体，在同一次遥感平台飞行扫描过程中，既可以获得地面景物对电磁辐射的辐射率/反射率之多维时空分布图像，又能借助于同机共光轴的光谱仪，对地面各面元的物理结构及化学成分作出分析和判断，从而大大扩展了遥感的应用领域，为地表测绘、城市规划、环境保护、地质勘探、农林业以及军事应用，提供全天候、全天时、全空域的珍贵图像信息，创造着巨大的社会和经济效益。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(3)上述遥感成像系统是一个综合性很强的光电成像系统(光谱上覆盖了X线、紫外线、可见光、红外光和微波等波段；技术上容光学、机械、电器、计算机和自动控制于一体。与地面使用的各类光电成像系统相比，遥感成像系统具有如下显著的技术特征：上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(a)物镜焦距较长(500-600mm)，因此多采用大的扫描角度来保证大的地面视场，而且均利用遥感平台自身航行方向的扫描和与其垂直的线列阵探测器方向扫描一起，共同完成对地面景物的二维扫描，获取其大幅面高清晰度景物图像；由于玻璃及其他光学介质的红外透过率十分有限，故遥感成像光学系统几乎全部采用反射式物镜系统和反射式光栅分色系统。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(b)多传感器、多功能共视场，包括短波辐射(X线、紫外线)、可见光、近红外和红外等多波段敏感的探测成像器件和系统；遥感灰度成像和遥感光谱成像同系统共光路等。(c)对探测器的技术要求更高，例如，遥感上用的CCD，为获得高的空间分辨率，通常要求像素数越多越好(目前线阵达12000元)，像素尺寸应小(目前最小可达2.8μmX2.8μm)，为解决像素面积缩小带来的性噪比下降问题，普遍采用时间延迟积TDI-CCD(TimeDelayandIntegration,TDIICCD)，它类似于。Sprit红外探测器，可将探测器的信噪比提高√M倍(M延迟积分次数)。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(d)遥感器输出图像信息需进行图像信号放大、处理、转换、压缩、记录，并通过微波通信手段传送给地面接收站，以供进一步影像辐射校正、影像增强、几何定位等处理，最终提供用户使用。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术12.6.2传统红外遥感成像技术图12-11为以单元及线列阵探测器(包括红外探测器和可见光CCD)为核心器件的三种遥感扫描成像原理示意图，它们的工作模式分别是:(1)线性扫描方式(图12-11a):采用单元探测器，沿飞行器飞行垂直方向进行扫描，得到景物全部图像；上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(2)掸扫扫描方式(图12-12b)；与图(a)方式类似，但用线阵多元探测器代替上述单元探测器；在后面介绍的)像谱合一”的光谱成像仪中将会看到，在此线阵探测器的前端放置的光谱色散元件将会把景物的像按波长展开，如图12-13(a)；上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(3)推扫扫描方式(图12-11c):这是目前用得最多的遥感光学扫描方式，详见前面介绍过的CCD可见光遥感成像系统(图12-5)；那里，估算系统空间分辨率及瞬时视场的公式(12-4)和式(12-5)仍然有效；后面将会看到，用于推扫扫描系统的核心器件可以是线阵多元探测器，也可以是面阵多元探测器，以提高系统的光谱分辨率和辐射灵敏度。同时，这种面阵探测器推扫系统(简称“面阵推扫”)，正好可利用了面阵中的行元素作为空间灰度扫描探测器，而把其列元素作为色散光谱能量分布的探测器，这是目前普遍采用的光谱成像仪的工作方式。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术用于上述系统中的红外探测器，依据的是光电转换((PC-光导型和PV-光伏型)原理，也可以是热电型(PEM)原理(见第三章)。为了获得尽可能高的探测灵敏度或探测率(D*)，需要对探测器制冷。不同的遥感平台，需采用不同的制冷方式(液化气体制冷器用于机载红外成像仪；固体制冷器用于空间工作站的探测器制冷；卫星上则常用辐射式制冷器(一端为外表已黑化的铜球和与探测器密切接触的铜棒组成，靠不断向外层空间辐射传热而制冷)。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术12.6.3遥感成像光谱技术1分光器在上述遥感扫描成像系统中适当配置一个共光轴的光谱色散元件——分光器，即可构成能实现“谱像合一”功能的遥感成像光谱仪。这种分光器的作用是把输入电磁波信息分解为所需要的光谱成分。常用的分光器有分光棱镜、衍射光栅和干涉滤光片。它们已广泛应用于一般物理化学实验室的单色仪和分光光度计等光谱分析仪器中。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术三角棱镜分光器[图12-12(a)]:它的分光原理是，一束平行的复色光经过棱镜发生折射后，会不同程度地偏离原来的方向，偏转角的大小与棱镜介质的折射率、顶角大小有关；而光学折射率是输入光波长的函数，例如，单色仪中常用的石英棱镜在2000-200nm波段内的光谱光学折射率，会由1.51158逐步增加到1.64943。可见，波长愈长，折射(偏转)角愈小。这样经棱镜后，原来的平行的复色光将会从上到下(长波-短波λ1>λ2>…λn)分解为单色光谱带。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术衍射光栅分光器[图12-11(b)]:分透射衍射光栅和反射衍射光栅，红外遥感器中，多采用后者。衍射光栅的分光效应基于光学中的夫琅和菲多缝衍射干涉原理，一束平行的复色光，经过光栅后，使得在物镜焦平面上形成一条条又亮又窄的干涉条纹，由于这些干涉条纹的位置随波长而变，每种波长的单色光将形成各自彼此错开的一系列干涉条纹(光谱线)。不过，图12-12(b)箭头所指的光谱带变化方向是由短波到长波，这是由于根据光栅方程，dsinθ=mλ，这里θ—衍射角，λ—波长，d—相邻狭缝中心距，m—半波长整数倍数(衍射级)。可见，波长愈长，衍射角愈大。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术干涉滤光片：是一种专门设计镀制的多层干涉光学薄膜，理论上只让某一波长的光在其膜层内经多次反射增强而透过。其光谱分辨率可达0.1mm，常用在便携式光谱分析工作中，在遥感器上，则用在多光谱成像仪中(见图12-4)。2遥感成像光谱仪遥感用典型线阵推扫成像光谱仪和面阵推扫成像光谱仪分别如图12-13(a)和(b)所示。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(1)线阵推扫成像光谱仪。图(a)中，线阵探测器按图12-11(b)的掸扫方式，沿着与飞行方向垂直的方向扫描，获取地面各面元的灰度图像；同时，由于在探测器前配置了色散元件，它能将复色平行光展开为单色光谱带，各单色光的强度由焦平面上的线阵各单元探测器分别探测转换为电信号，以供绘制地面相应面元的反射率或辐射率光谱分布；图中的“方块增强”实际上是一个通光的矩形狭缝，对应于被瞬时扫描成像的地面面元，该方块位于第一物镜的焦平面上，使输入光得到会聚“增强”，同时它又位于后续准直镜的物平面上，可以形成平行光，继而通过色散元件和成像物镜，投射到线阵探测器上，完成分光探测光谱分析功能。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(2)面阵推扫成像光谱仪。与上述线阵推扫方式的不同之处在于(用面阵探测器代替了线阵探测器，而且，令其列(纵向)各光敏元承担“光谱维”任务，经光电转换、显示被遥感瞬间地面面元的反射率或辐射率光谱分布；而让其行(横向)各光敏元担任“空间维”扫描，提供地面各面元的反射率/辐射率二维空间分布之灰度图像。这种面阵推扫方式是当前遥感光谱成像仪的主流机制。另一点不同之处是用“狭缝增强”代替了图12-13(a)中的方块增强，目的仍然是便于第一物镜会聚“增强”和作为平行光路的“物狭缝”。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术美国MODIS成像光谱仪代表了以上两类“谱像合一”仪器性能的当前最高水平。光谱响应范围：0.4-14.4μm，光谱分辨率10-500nm；波段数36或384个。(3)光谱成像仪中的可见光CCD及红外探测器。前面业已指出，用于高清晰度、大视场遥感系统中的阵列式探测器要比地面上使用的成像系统的探测器，在技术要求上要高得多，主要表现在探测器应有尽可能高的灵敏度(D*)，更长的阵列尺寸、更小的像元尺寸。根据光电子成像系统信噪比传递链理论(第七章)可知，上述各项技术条件和要求往往是相互矛盾的，像素尺寸变小，空间分辨率固然可以提高，但信噪比却随像元面积的平方根下降。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术因此，只能在设计、制造和使用过程中，做适当优化处理和选择。例如，前面提到过的用时间延迟积分TDI-CCD代替普通的CCD；用同样原理的Sprit红外探测器代替普通的红外探测器，这样，系统信噪比可以增加√M倍(M为延迟积分次数)。不过需要扫描系统做相应配合，以使正在延迟积分的各像元正好对应于地面上相应的同一面元，这样才能保证不断累积的正好是人们所需要增强的相应地面面元的信号。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术12.6.4遥感三维成像技术实现遥感三维成像有三种技术途径：雷达扫描三维成像技术、同轨推扫立体观测技术和异轨推扫立体观测技术，它们的工作原理分别依据“距离选通测距”和“双眼体视效应”。1雷达扫描三维成像技术作为一种主动式遥感成像系统，激光雷达或微波雷达在其对地面扫描过程中，均采用发射与接收同步的距离选通技术，回波信号(见图12-14)既携带了被“选通目标”的空间(x,y)图像信息，又包含了目标离接收器之间的第三维(z)距离信息，其距离值为上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

式中:c——光速；t——发射与回波之间的时间差(t)。对式(12-7)两端微分，有

上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术很显然，要获得场景图像中的第三维的立体层次感(ΔR)信息，只需解算出不同的回波时间差Δt，并通过可视化处理，显示为地面的f(x,y,z)三维图像。2卫星推扫遥感立体观测技术人类为什么能分清场景中不同目标的远近和大小?原因是他们长了一双神奇的眼睛，可以根据各目标在一对视网膜中的视角大小、是否对称等几何信息，产生场景的远近感和层次感。遥感立体观测系统正是应用了这一“人眼体视”原理。从结构布局上，该技术可分为如图12-15所示的同轨推扫遥感立体观测(a)和异轨推扫遥感立体观测(b)两大类。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术

(1)同轨推扫遥感立体观测原理[图12-25(a)]。在同一卫星处于同一轨道运行时，遥感系统中安置的两架以上的推扫成像系统充当着卫星的“双眼”或“多眼”，它们分别提供地面诸多景物在其光敏面的张角或中心距，并解算出各景物的三维图像信息，进而予以可视化显示。其中，一台的视场垂直地平面，另一台对准航行前视方向或后视方向，遥感扫描仪之间保持一定夹角。随着平台的移动，这几台扫描仪可以获取同一地区的立体图像，但为了便于观测或测图，不同扫描仪获取的影像应具有相同的比例尺；上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术基于地球表面是曲面的关系，前视机和后视机的物镜焦距应取得长一些，以使较远而成像较小的景物有适度的放大，以求与下视机有相同的测图比例尺。例如，美国的立体测图卫星，卫星高度设计值为775km，其下视机和前(或后)视机的物镜焦距分别为705mm和775mm。(1)异轨推扫遥感立体观测原理[图12-25(b)]。异轨立体观测是在不同轨道上获取立体影像。为此，卫星上可以安置两台以上的扫描仪，也可以使用同一台扫描仪。上一页下一页返回12.6红外遥感成像及成像光谱技术当使用一台扫描仪时(例如法国的SPOT卫星)，可以在一定周期(偏移系数D，天)的时间间隔、但不同的轨道上，第一次直视地面、第二次绕航向轴适当旋转一定角度后再看同一地区，通过解算可以获取该地区的立体影像。例如若偏移系数D=5天，则第6天，使扫描仪旋转一定角度(最大±27°)后再次观测，通过解算便能形成该地区的立体图像。这种工作模式非常类似于观察者用一只眼睛、前后两次观察远处人群，第一次直视，并偏转一定角度立即进行第二次观看，两次观察效果经视角比较和大脑解算，即可立刻辨认出这群人的远近和层次。上一页返回12.7微波遥感成像技术12.7.1功能及特点(1)微波是电磁辐射中的一个波段，波长在1-1000m(频率在300MHz-300GHz)，也有人主张把0.1-1mm的亚毫米波列入其中，则微波包括了波长在0.1-1000mm(频率在300MHz-300GHz)的电磁波。(1)所谓“微波遥感”，指的是微波雷达发射一定波长和功率的高频电磁波波束，然后接收该波束被散射返回的景物信号，这些信号的强度反映了景物的几何特征及物化特性，据此达到遥感探测景物的目的。微波遥感又分为非成像遥感(微波散射计和微波雷达高度计等)和成像微波遥感(微波辐射计、微波侧视雷达和合成孔径侧视雷达)。下一页返回12.7微波遥感成像技术

(3)与可见光遥感及红外遥感相比，微波遥感具有穿云透雾的“全天候”(“远视距”)和日夜不限的“全天时”工作能力。这是由于微波的波长较地球大气中的气体分子及大气微粒尺寸大很多，因而它在大气中的传播基本上不存在散射、吸收和湍流的影响(透过率很高、甚至达100%)，加上它穿透一些物质的特性较强(例如，可穿透干沙土几十米，穿透冰层甚至达百米)，以上微波特性对全天候、全天时、远距离捕捉目标和获取被隐伏的目标信息，尤其是对隐藏在某些物体下的军事目标识别、考古及地质矿产调查有重要意义。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术

(4)微波遥感在其他应用方面的突出特点是：可采用多频率(波长)、多种极化方式、多个视角进行工作，从而能获取景物的空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等方面信息可以利用地物对微波的不同散射特性，探测地物的物质组成和结构；同时，微波是海洋探测的重要波段，适用于精确的距离测量、海面波动和风力风向等；上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术微波遥感成像可同时获得景物的距离和位相信息，从而易于组成干涉测量成像系统，利用一定算法，求解地面的DEM(DigitalElevationModel)分布。(5)微波遥感技术的缺点是:分辨率较低；不能记录与颜色相关的信息，人类对微波影像的解译较困难；设备庞大，价格昂贵，微波遥感商业化程度低；影像变形复杂，几何校正技术难度大，不易推广等。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术12.7.2微波在介质中的传输属性1微波波段划分微波波段覆盖波长在0.1-1000mm(频率在300MHz-300GHz)的电磁波。比此波段波长更短的是红外光、可见光、紫外光、X射线和γ射线等；比此波段波长更长的是无线电波。根据需要，还可把微波波段再细分为P波段(30-100cm)、L波段(15-30cm)、S波段(7.5-15cm)、C波段(3.75-7.5cm)、X波段(2.4-3.75cm)、Ku波段(1.67-2.4cm)、K波段(1.1-1.67cm)、Ka波段(0.75-1.1cm)和毫米波段的电磁波。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术2微波辐射的极化特征微波既然是电磁波，它自然像光波一样具有电磁波的反射、吸收、散射、衍射和透射等基本属性，只不过是在程度上或表现形式上有所差别而已。微波的极化(按:光波中叫偏振)属性:电磁波传播是电场和磁场交替变化的过程，且它们的方向相互垂直。电场矢量必定在与传播方向垂直的平面内。当电场矢量不随时间变化时，称为线极化(线偏振)。线极化分“水平极化”(与雷达波束入射面垂直，记为H)和“垂直极化”(与雷达波束入射面平行，记为V)。雷达波发射后，遇到目标平面而反射时，其极化方向往往会发生改变。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术若入射和反射同为水平极化，则记为HH；若入射和反射同为垂直极化，则记为VV；若入射为H而反射为V，则记为HV；若入射为V而反射为H，则记为VH。除了线极化(偏振)以外，电场矢量在与传播方向垂直的平面上运动，也可能画出圆形或椭圆形的轨迹。不过常用的还是上述4种极化图像。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术3物体的微波辐射特性具有一定温度的任何物体都会向外辐射电磁波(第二章)，且遵从普朗克黑体(或灰体)辐射定律，即物体的面辐射度M与物体温度T(K)及辐射频率f(Hz)的间的关系为

假定物体为朗伯体，则以频率f和波长λ(μm)为自变量表示的该物体的辐射亮度分别为上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术

对于hf《kT即黑体温度较高，或波长较长(例如，微波波长)时，以上各式中的分母级数可展开后化简，推导出该黑体的光谱面辐射度和光谱辐射亮度分别为

上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术在微波波长间隔λ2-λ1的间隔内，对式(12-13)积分，可得该黑体在此波段内的积分辐射亮度为

对于非黑体，可借用基尔霍夫定律计算其微波面辐射度，即M’λ=aMλ。这里，a是该物体的吸收系数；Mλ是相同温度下黑体的面辐射度。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术式(12-14)的物理含义及实用价值在于(黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比，地面物体一般温度不高，因此其微波辐射亮度较低，难于遥感探测，故对地遥感观测多采用由飞行器上发射微波并探测景物回波的主动遥感成像模式；但对观测遥远星空的微波遥感射电望远镜来说，却具有实际意义，因为很多星体温度非常高，亮度很强，可用式(12-14)来选择射电望远镜工作的微波波长，估计被观测星体的温度。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术4地物对微波的散射、吸收和透射特性地物对微波的反作用表现为散(反)射、吸收和透射，它们对微波传播都起着损失能量和改变方向的作用：(1)地物对微波的散(反)射特性。与其他电磁波类似，微波遇到地物时也会改变方向、发生反射或散射。其散(反)射的空间角度分布，同样有三大类：“镜面反射”(例如，遇到金属表面和水面等)、其反射角近似等于入射角；“漫反射或朗伯反射”(如遇到均匀粗糙表面物体)，其反射方向均匀分布，且近似遵循朗伯定律；“毛面反射”(如遇到轻微粗糙表面物体)，反射方向分布界于以上两种反射特性之间。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术地物对微波反射的另一明显特征是，入射和反射的极化(偏振)方向的保持(HH或VV)或改变(HV或VH)与具体的地物及其表面状态有关。微波的上述多波长、多激化方式和多视角反射特征，对获取景物的空间关系、形状尺寸、表面粗糙度、对称性和复介电特性等方面的信息有重要实用意义。(2)地物对微波的透射特性。透过(穿透)地物的能力远远高于其他电磁波，是微波的最显著特征之一，例如，穿透干沙几十米、穿透冰层可达百米。这对穿透伪装障碍进行“穿墙术”军事侦察、穿透沙漠进行水源考察和穿透茂密森林进行资源勘探，具有非常重要的意义。根据电磁波理论，微波穿透物质的深度如表12-2所示。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术

式中：

——介质的衰减系数(dB/m)；

——电磁波角频率(与波长成反比)；

——介质的磁导率(H/m)；

——介质的电导率(S/m)。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术由公式及表(12-2)可知:波长愈长(角频率愈低)，穿透深度愈深；土壤中含水量愈高，穿透深度愈浅，说明微波穿透水的能力很差，这也许是水下探测成像很少采用微波辐射源的根本原因。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术5微波在大气中的传输特性微波在大气中传播时同样会受到大气分子及大气微粒的散射和吸收而损失其部分能量；但是，由于微波波长很长，相比于紫外光、可见光、红外光而言，这种散射、吸收损失要小得多，甚至没有损失(透过率100%)。实验证明，大气中存在有若干个“大气窗口”，不过说它们是“大气窗口”，并不意味着它们对大气的透过率为100%；而是有不同程度的透过率损失(见表12-3)。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术我们知道，无论是大气散射系数还是吸收系数，均与电磁波的波长以及大气中的气体分子和大气微粒尺寸有关。一般来讲，波长愈长，散射和吸收损失愈小。而大气微粒包括水滴(云雾、降水)、冰粒和尘埃，它们直径一般不超过100μm；大气降水云层的粒子中包括雨滴、冰粒、雪花和干湿冰雹，其直径均大于100μm，有的可达几毫米(如雨滴)、几厘米(如冰雹)。可见在绝大部分(除下冰雹)天候情况下，它们都远远小于微波波长，尤其是对于波长为8.0-1000mm的微波，就不存在任何散射和吸收损失，大气透过率为100%(见表12-3)。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术另一方面，根据目标对比度随大气透过率衰减的公式(第二章)：式中：

目标固有对比度和经过R距离(km计)大气传输后的

视在对比度(%)；

大气消光系数(1/km)；除了以上述的大气分子和大气微粒散射吸收所引起的对比度透过率损失外，各类遥感探测成像系统的作用距离还受到大气湍流扰动的影响。人们根据式(12-16)的物理含义和表12-3的实验数据，不难得到如下启示：上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术遥感成像系统的设计应首先考虑地球大气传输特性对系统作用距离的严重影响。天文望远镜一般选在高山上正是基于此原因，甚至像美国哈勃天文望远镜那样，以卫星为载体，这样，由于大气层以上的太空不存在空气，使得深空星体的全光谱辐射既不会有任何介质散射、湍流和吸收影响而走样，又能使遥感器的高分辨率成像质量得到充分保证。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术地基射电天文望远镜也是基于8.0-1000mm微波大气透过率为100%，并采用超大口径合成孔径及干涉成像等技术手段，实现了对遥远深空银河系星体的观测，其极限角分辨率已达到哈勃望远镜的1/5。基于以上原因，对地观测卫星配备微波遥感探测成像器材已构成为当代卫星遥感技术的主流趋势和是否达到先进水平的最主要技术标志之一。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术12.7.3微波真实孔径雷达成像1系统组成及工作原理遥感侧视雷达一般由微波脉冲发射机、接收机、发射接收转换开关、天线和显示记录器组成。侧视雷达有两种工作模式(真实孔径雷达和合成孔径雷达，它们的主要技术特性参数是距离向(侧视)分辨率和方位向(前视)分辨率。图12-16是真实孔径侧视雷达工作原理示意图。微波天线装在飞机或卫星的侧面，平台的飞行方向称为方位方向，与其垂直的方向谓之距离方向。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术雷达工作时，天线向距离方向发射一束宽度很窄的脉冲波电磁束，然后接收从目标地物反射回来的后向散射波，进而从接收的信号中获取地表的图像信息。由于地面各点到平台的距离不同，因而天线接收的地物逆向散射信号的时间也不同，依它们到达时间的先后顺序记录下它们在不同的影像位置上，即距离近者先记录，距离远者后记录，这样就实现了距离方向的扫描。在相应的影像位置上还记录有地物回波功率及回波信号的相位。同时，通过遥感平台的前进，实现航行方位方向上的扫描。然后，把地物在距离方向及方位方向的距离信息进行可视化处理，即可在荧光屏上显示出被观测区域的微波遥感图像。上一页下一页返回12.7微波遥感成像技术2距离向分辨率真