傳感器以及其成像原理

1、關(guān)于傳感器及其成像原理第1頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四2遙感傳感器（Sensor） 遙感傳感器是獲取遙感數(shù)據(jù)的設(shè)備，是遙感技術(shù)最核心的部分，直接用于測量地物的電磁波特性。傳感器一般結(jié)構(gòu)第2頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四3傳感器類型（1）按有無發(fā)射電磁波的能力分主動被動（2）按是否成像分成像非成像（3）按利用的電磁波段分光學(xué) (0.01微米1毫米)微波 (1毫米1米)（4）按基本結(jié)構(gòu)原理分：攝影類型的傳感器掃描成像類型的傳感器雷達成像類型的傳感器非成像類型的傳感器第3頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四4掃描成像類型傳感器

2、 逐點、逐行地以時序方式獲 取二維圖像。一般利用光學(xué)波段，也可稱為光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器特性光譜特性：傳感器能夠測量的電磁波波長范圍、各波段中心波長、波段寬度。（光譜分辨率）輻射度量特性：指傳感器輻射度量的靈敏度，能夠度量的輻射動態(tài)范圍。（輻射分辨率）幾何特性： FOV (Field of View)：視場，是傳感器能夠受光的范圍，決定成像的寬度； IFOV (Instantaneous Field of View)：瞬時視場，是形成每個像元的視場，決定地面分辨率。兩種掃描形式： 物面掃描：對地面直接掃描成像，例紅外掃描儀、多光譜掃描儀、自旋和步進式成像儀、多頻段頻譜儀等。像面掃描：瞬間在像面

3、上先形成線圖像或二維圖像，然后對影像進行掃描成像，例如線陣列CCD推掃式成像儀、電視攝象機等。成像光譜儀第4頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四5紅外掃描儀1掃描成像過程紅外掃描儀特性掃描線的銜接熱紅外像片的色調(diào)特征第5頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四61、掃描成像過程 旋轉(zhuǎn)棱鏡橫越航線方向掃視第一個掃描鏡面掃視一次， 掃描視場內(nèi)的地面輻射能，由刈幅的一邊到另一邊依次進入傳感器； （收集器） 經(jīng)探測器輸出視頻信號，再經(jīng)電子放大器放大和調(diào)制；（探測器、處理器） 在陰極射線管上顯示出一條相應(yīng)于地面掃描視場內(nèi)的景物的圖像線，這條圖像線經(jīng)曝光后在底片上記錄下

4、來（輸出器）。第二個掃描鏡面掃視一次，第三個掃描鏡面掃視一次， 飛機向前運動，膠片同步轉(zhuǎn)動，記錄的下一條圖像正好與前一條銜接。依次下去，就得到一條與地面范圍相對應(yīng)的二維條帶圖像。第6頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四72、紅外掃描儀特性空間分辨率溫度分辨率 溫度分辨率與 有關(guān)；傳感器系統(tǒng)內(nèi)噪聲等效溫度限制在0.10.5K之間;系統(tǒng)的溫度分辨率一般為等效噪聲溫度的26倍。探測器的響應(yīng)率傳感器系統(tǒng)內(nèi)的噪聲第7頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四8垂直向下觀測時 一般情況下， 在設(shè)計儀器時已確定，所以 的變化僅與 H有關(guān)。第8頁，共58頁，2022年，5月2

5、0日，19點7分，星期四9傾斜觀測時第9頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四10 因為 ， 且它們隨掃描角變化而變化，所以紅外圖像上必然產(chǎn)生畸變。全景畸變 全景畸變是紅外掃描儀這種成像方式所固有的現(xiàn)象，在使用紅外掃描圖像時一定要注意。第10頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四11其中： 為飛機的地速； 為探測器地面分辨率； 為旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描一次的時間。3、掃描線的銜接要讓每兩次掃描銜接，必須滿足：將出現(xiàn)掃描漏洞；將出現(xiàn)掃描重疊。進一步地， 因此，只要速度和航高之比為一常數(shù)，就能使掃描線正確銜接。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四

6、124、熱紅外像片的色調(diào)特征熱紅外像片上的色調(diào)變化與相應(yīng)地物的輻射強度變化成函數(shù)關(guān)系；與地物輻射強度有關(guān)的因素： 地物的發(fā)射率 地物的溫度地物輻射強度的變化對溫度更為敏感；溫度的變化在圖像上能產(chǎn)生較高的色調(diào)差別。第12頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四13多光譜掃描儀MSS（Multispectral Scanner）TM（Thematic Mapper）ETM（Enhanced Thematic Mapper）第13頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四14MSSMSS結(jié)構(gòu)成像過程地面接收及產(chǎn)品第14頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星

7、期四151、MSS結(jié)構(gòu)掃描反射鏡 橢圓形、表面鍍銀，擺動幅度為2.89度，頻率為13.62赫茲，周期為73.42毫秒，總視場角為11.56度。 可獲取垂直飛行方向兩邊共185公里范圍內(nèi)景物的輻射能量，配合飛行器的運動獲得地表的二維圖像。反射鏡組 包括主、次反射鏡組，將掃描鏡反射進入的地面景物聚焦在成像板上。 成像板 排列24+2個玻璃纖維單元。分四列，每列對應(yīng)一個波段。每個纖維單元瞬時視場為86微弧。探測器 個數(shù)與玻璃纖維單元個數(shù)相同，類型與波段有關(guān)。能將輻射能變成電信號輸出。第15頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四16成像板第16頁，共58頁，2022年，5月20日，1

8、9點7分，星期四172、成像過程掃描一次每個波段獲取6條掃描線圖像，對應(yīng)地面范圍為474米x185公里。在掃描一次的時間里衛(wèi)星往前正好運動474米，掃描線正好銜接。但因地球自轉(zhuǎn)，掃描位置有向西移位現(xiàn)象。成像板上的光學(xué)纖維將接收的輻射能傳遞到探測器，對探測器的輸出進行采樣、編碼（A/D轉(zhuǎn)換），饋入天線向地面發(fā)送。第17頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四18第18頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四193、地面接收及產(chǎn)品遙感數(shù)據(jù)地面接收由遙感地面接收站完成；接收站主要接收遙感圖像信息衛(wèi)星姿態(tài)、星歷參數(shù) 地面接收站包括 天線及伺服系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、 計算機、

9、模擬檢測系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、信標(biāo)塔等。第19頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四20MSS產(chǎn)品粗加工產(chǎn)品 經(jīng)過輻射校準(zhǔn)、幾何校正、分幅注記精加工產(chǎn)品 在粗加工的基礎(chǔ)上，用地面控制點進行了糾正特殊處理產(chǎn)品 根據(jù)用戶的要求做了一些特殊處理第20頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四21 對MSS的主要改進：掃描行垂直于飛行軌道；往返雙向都對地面掃描；（掃描改正器）更高的空間分辨率；更好的頻譜選擇；更好的幾何保真度；更高的輻射準(zhǔn)確度和輻射分辨率。TM第21頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四22TM空間分辨率探測器100個探測器，分7個波段TM1

10、5、7：每個探測器的瞬時視場為30米x30米TM6：每個探測器的瞬時視場為120米X120米一次掃描成像為地面的480米x185公里第22頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四23TM波段選擇通道波長范圍（微米） 特征TM10.450.52(藍(lán))對針葉林識別能力強TM20.520.60(綠)與TM1合成，能顯示水體的藍(lán)綠比值，用來估測可溶性有機物和浮游生物TM30.630.69(紅)識別土壤邊界和地質(zhì)界線的最有利的光譜區(qū)TM40.760.90(紅外)識別植物的有利波段，TM2/TM4對綠色生物量和植物含水量敏感TM51.551.75(紅外)可用來 進行收成中干旱的監(jiān)測和植物生

11、物量的確定；也可用來區(qū)分不同類型的巖石，區(qū)分云、地面冰和雪；確定濕土和土壤的濕度TM610.412.6(熱紅外)用于植物分類，農(nóng)作物估產(chǎn)，用于熱制圖和熱慣量制圖實驗TM72.082.35(紅外)用于地質(zhì)制圖，特別是熱液變巖環(huán)制圖，還可用于識別農(nóng)作物長勢第23頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四24輻射準(zhǔn)確度和較高輻射分辨率是定量遙感的基礎(chǔ)。掃描儀內(nèi)設(shè)有一個白熾燈，用來作可見光和近紅外波段的標(biāo)準(zhǔn)源；TM6用黑體源作為校正源。每個像元的亮度值用8bit編碼。第24頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四25ETM+對TM的改進:增加了一個分辨率為15米的PAN波

12、段（0.50.9微米);使TM6的分辨率提高到60米;改進后的太陽定標(biāo)器使衛(wèi)星的輻射定標(biāo)精度大大提高。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四26HRV （High Resolution Visible Range Instrument）HRV的結(jié)構(gòu)HRV的成像原理HRV立體觀測第26頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四27 CCDCharge Coupled Device，電荷藕合器件，可做可見光和近紅外波段的探測元件。第27頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四28 SPOT衛(wèi)星上的兩種HRV： 多光譜型HRV全色HRV三個波段：

13、波段1 0.50.59微米波段2 0.610.68微米波段3 0.790.89微米每個元件地面分辨率為20米x20米,3000個CCD形成的圖像線為地面20米x60公里,每個像元亮度用8bit編碼。每個元件地面分辨率為10米x10米,6000個CCD形成的圖像線為地面10米x60公里, 像元亮度用6bit進行差值編碼。波段范圍 0.510.73微米CCDHRV成像原理第28頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四29線陣列探測器在瞬間能同時得到垂直航線的一條圖像線，不需要用擺動的掃描鏡，以“推掃”方式獲取沿軌道的連續(xù)圖像條帶。第29頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7

14、分，星期四30SPOT上并排安裝兩臺HRV，每臺視場寬都為60KM，兩者間有3KM重疊，總視場寬為117KM；相鄰軌道間約有9KM重疊。第30頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四31HRV立體觀測平面反射鏡可向左右兩側(cè)旋轉(zhuǎn)，最大角度達27度，從而實現(xiàn)傾斜觀測；軌道間立體觀測；通過軌道間重復(fù)觀測，可建立立體模型；可獲取多時相圖像。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四32成像光譜儀高光譜遙感譜像合一 空間成像技術(shù)地物光譜技術(shù) 成像光譜儀對同一地區(qū)同時獲取幾十個到幾百個波段的地物反射光譜圖像更高技術(shù)要求：集光系統(tǒng)分光系統(tǒng)探測器元件 盡量使用反射式光學(xué)系統(tǒng)

15、，采用能消去球面像差、像散差和畸變像差的非球面補償鏡頭由狹縫、平行光管、棱鏡和繞射光柵組成由成千上百個探測元件組成線陣第32頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四33兩種類型面陣探測器+推掃式掃描用線陣列探測器進行掃描，利用色散元件將收集到的光譜信息分散成若干個波段后，分別成像于面陣列的不同行。利用色散元件和面陣探測器完成光譜掃描；利用線陣探測器及沿軌道方向的運動完成空間掃描?？臻g分辨率高。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四34線陣探測器+光機掃描 利用點探測器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別成像于線陣列探測器的不同元件上。通過點掃描

16、鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動以及沿軌道方向的運行完成空間掃描；利用線探測器完成光譜掃描。第34頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四35第35頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四36雷達成像類型傳感器利用波長1cm1m的微波波段進行遙感主動式、成像、微波傳感器不受天氣的制約，可進行全天候觀測距離測量系統(tǒng)第36頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四37雷達結(jié)構(gòu)與工作原理 發(fā)射機產(chǎn)生脈沖信號，由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，經(jīng)天線向觀測地區(qū)發(fā)射；地物反射脈沖信號，也由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制進入接收機，接收的信號在顯示器上顯示，或記錄在磁帶上。第37頁，共58頁，202

17、2年，5月20日，19點7分，星期四38 其中包含系統(tǒng)參數(shù)如雷達波的波長、發(fā)射功率、照射面積和方向、極化等；以及目標(biāo)參數(shù)如地物的復(fù)介電常數(shù)，地面粗糙等等。到目標(biāo)的距離、方位與目標(biāo)的相對速度目標(biāo)的反射特性 雷達接收回波距離：回波強度：第38頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四39主要內(nèi)容真實孔徑雷達合成孔徑雷達側(cè)視雷達圖像的幾何特征相干雷達第39頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四40真實孔徑側(cè)視雷達發(fā)射機向側(cè)向面內(nèi)發(fā)射一束脈沖，被地物反射后，由天線接收；由于地面各點到雷達的距離不同，接收機收到許多信號，以它們到雷達距離的遠(yuǎn)近，先后依序記錄；信號的強度除與

18、系統(tǒng)參數(shù)外，還與輻照帶內(nèi)各種地物的特性、形狀、坡向等有關(guān)；回波信號經(jīng)電子處理器處理后形成的圖象線被記錄；隨著飛機的飛行，對一條條輔照帶連續(xù)掃描，得到由回波信號強弱表示的條帶圖像，實現(xiàn)對地面的二維掃描。一、成像過程:第40頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四41二、分辨率距離分辨率 在脈沖發(fā)射的方向上，能分辨兩個目標(biāo)的最小距離。方位分辨率 指相鄰的兩束脈沖之間，能分辨兩個目標(biāo)的最小距離。 第41頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四42對分辨率的討論：距離分辨率距離分辨率與距離并無關(guān)系可采用減小脈沖寬度的方法改善距離向分辨率減小脈沖寬度是有一定限度的方位分辨

19、率要提高方位分辨率，理論上可采用波長較短的電磁波，加大天線孔徑和縮短觀測距離的方法但三種方法，使用時均受到一定限制可采用合成孔徑技術(shù)來改善方位分辨率第42頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四43合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar）一、工作原理：用一個小天線作為單個輻射單元，將此單元沿一直線不斷移動；在移動中選擇若干個位置，在每個位置上發(fā)射一個信號，接收相應(yīng)發(fā)射位置的回波信號貯存記錄下來，存儲時必須同時保存接收信號的幅度和相位；如果把真實孔徑天線劃分成許多小單元，則每個小單元接收回波信號的過程與合成孔徑天線在不同位置上接收回波的過程相似；每個信號由

20、于目標(biāo)到飛機之間球面波的距離不同，相位和幅度也不同，不過其變化有規(guī)律可循；由接收信號形成的圖像是相干圖像，需經(jīng)處理后，才能恢復(fù)地面的實際圖像。第43頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四44第44頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四45第45頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四46第46頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四47第47頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四48二、合成孔徑雷達的方位向分辨率則用合成孔徑雷達的實際天線孔徑來成像用合成孔徑技術(shù)后例：若天線孔徑為8m，波長為4cm，目標(biāo)與飛機

21、間的距離為400km第48頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四49側(cè)視雷達圖像的幾何特征斜距投影第49頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四50 幾何特征1、比例尺:垂直飛行方向(y)的比例尺由小變大。2、Forshortening Layover Shadowing山體前傾，朝向傳感器的山坡影像被壓縮，背向傳感器的山坡被拉長。會出現(xiàn)不同地物的重影現(xiàn)象陰影區(qū)地物無回波信號第50頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四513、高差產(chǎn)生的投影差與中心投影差位移的方向相反，位移量也不同。4、雷達立體圖像的構(gòu)像特點兩種立體成像方式：同側(cè)獲取立體像對異側(cè)獲取立體像對第51頁，共58頁，2022年，5月20日，19點7分，星期四52相干雷達合成孔徑雷達二維成像SAR 合成孔徑雷達干涉測量InSAR將由雷達影像復(fù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的雷達信號的相位信息作為信息源，利用這些