第4章遙感傳感器及其原理A

1、1接收預(yù)處理用戶應(yīng)用處理分析結(jié)果輸出2第四章第四章 遙感傳感器及其原理遙感傳感器及其原理3傳感器的一般構(gòu)成：傳感器的一般構(gòu)成：電磁波幅射信息收集器探測(cè)器處理器輸出器 傳感器傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。 傳感器原理傳感器原理:應(yīng)用物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。4遙感傳感器分類遙感傳感器分類被動(dòng)方式被動(dòng)方式 掃描掃描( (圖像方式圖像方式) )非掃描非掃描非圖像方式非圖像方式

2、微波輻射計(jì)微波輻射計(jì)地磁測(cè)量?jī)x地磁測(cè)量?jī)x重力測(cè)量?jī)x重力測(cè)量?jī)x傅立葉光譜儀傅立葉光譜儀其他其他圖像方式圖像方式( (照相機(jī)照相機(jī)) )黑白黑白天然彩色天然彩色紅外紅外彩色紅外彩色紅外其他其他像面掃描像面掃描電視攝像機(jī)電視攝像機(jī)固體掃描儀固體掃描儀(CCD)(CCD)物面掃描物面掃描光機(jī)掃描儀光機(jī)掃描儀固體掃描儀固體掃描儀5主動(dòng)方式主動(dòng)方式 掃描掃描( (圖像方式圖像方式) )非掃描非掃描( (非圖像方式非圖像方式) )微波散射計(jì)微波散射計(jì)微波高度計(jì)微波高度計(jì)激光光譜儀激光光譜儀激光高度計(jì)激光高度計(jì)像面掃描（被動(dòng)型相控陣?yán)走_(dá)）像面掃描（被動(dòng)型相控陣?yán)走_(dá)）物面掃描物面掃描激光水深計(jì)激光水深計(jì)激光測(cè)距

3、儀激光測(cè)距儀微波輻射計(jì)微波輻射計(jì)真實(shí)孔徑雷達(dá)真實(shí)孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)遙感傳感器分類遙感傳感器分類問題：遙感器的掃描方式有哪些？各有何特征？6 按探測(cè)波段的不同，分近紫外攝影、可見光攝影、紅外按探測(cè)波段的不同，分近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影、多光譜攝影等。攝影、多光譜攝影等。 特點(diǎn)特點(diǎn): 歷史悠久、較為完善、使用廣泛、信息量大、分辨歷史悠久、較為完善、使用廣泛、信息量大、分辨率高率高 限制限制: 受感光劑限制，感光范圍受感光劑限制，感光范圍0.291.10微米微米攝影機(jī)類型：1) 分幅式： 23,18 70-100線對(duì)/mm, f, 鏡頭2) 全景式: 縫隙式和鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式3) 多

4、光譜攝影機(jī)：多相機(jī)組合、多鏡頭組合、光束分離型。71）分幅式攝影機(jī)）分幅式攝影機(jī)81）框幅式攝影機(jī)）框幅式攝影機(jī)92）全景（掃描）攝影機(jī)）全景（掃描）攝影機(jī)（1）縫隙式攝影機(jī)）縫隙式攝影機(jī)v=V*f/H, f為焦距為焦距10在物鏡的焦面上平行于飛行方向在物鏡的焦面上平行于飛行方向設(shè)置一條狹縫，并隨物鏡作垂直設(shè)置一條狹縫，并隨物鏡作垂直于航線方向掃描，得到一幅掃描于航線方向掃描，得到一幅掃描成像的圖象。（成像的圖象。（掃描攝影機(jī)掃描攝影機(jī)）物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線物鏡擺動(dòng)的幅面很大，能將航線兩邊的地平線內(nèi)的影象都攝入底兩邊的地平線內(nèi)的影象都攝入底片。片。-（全景攝影機(jī)全景攝影機(jī)）2）全景（掃

5、描）攝影機(jī)）全景（掃描）攝影機(jī)（2）鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)）鏡頭轉(zhuǎn)動(dòng)式攝影機(jī)11焦距長(zhǎng)，可達(dá)焦距長(zhǎng)，可達(dá)600mm幅面大，幅面大，23cm(長(zhǎng)長(zhǎng))*128cm（寬）（寬）掃描視場(chǎng)大，可達(dá)掃描視場(chǎng)大，可達(dá)180度度全景畸變?nèi)盎?(panoramic distortion)：像距不變，物距隨掃描角的增大而像距不變，物距隨掃描角的增大而增大，出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的增大，出現(xiàn)兩邊比例尺逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影象產(chǎn)生全景畸變；掃現(xiàn)象，整個(gè)影象產(chǎn)生全景畸變；掃描時(shí)，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，掃描擺動(dòng)的描時(shí)，飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，掃描擺動(dòng)的非線性因素，使畸變復(fù)雜化。非線性因素，使畸變復(fù)雜化。123）多光譜攝影機(jī)）多光譜攝影機(jī) 對(duì)

6、同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個(gè)波段影象的攝影機(jī)對(duì)同一地區(qū)，在同一瞬間攝取多個(gè)波段影象的攝影機(jī) 可充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，來增多獲可充分利用地物在不同光譜區(qū)有不同的反射特征，來增多獲取目標(biāo)的信息量，以提高識(shí)別地物能力取目標(biāo)的信息量，以提高識(shí)別地物能力三種基本類型多光譜攝影機(jī)：三種基本類型多光譜攝影機(jī)： 多攝影機(jī)型、多攝影機(jī)型、 多鏡頭型、多鏡頭型、 光束分離型光束分離型13Near-infrared (0.7 1.0 m) Red (0.6 0.7 m) Green (0.5 0.6 m) Blue (0.4 0.5 m) 14光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像探測(cè)器的波段響應(yīng)是掃描探測(cè)

7、器的波段響應(yīng)是掃描圖像物理特性的決定因素圖像物理特性的決定因素探測(cè)元件響應(yīng)波長(zhǎng)/工作溫度/K光電倍增管硅光二極管鍺光二極管銻化銦（InSb）碲鎘汞(HgCdTe)硫化鉛（PbS）鍺摻汞(Ge:Hg)0.4-0.750.53-1.091.12-1.732.1-4.753-58-142-68-13.577室溫77室溫77機(jī)載紅外掃描儀結(jié)構(gòu)原理圖機(jī)載紅外掃描儀結(jié)構(gòu)原理圖16光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像A：掃描鏡B：探測(cè)元件C：IFOV瞬時(shí)視場(chǎng)角D：地面分辨率E：總視場(chǎng)角（10-200航天）F：掃描帶寬注意：進(jìn)行掃描成像時(shí)，總視場(chǎng)角不宜過大，否則圖像邊緣的畸變太大。通常在航空遙感中，總視場(chǎng)角取70o12

8、0o。17掃描儀地面分辨率掃描儀地面分辨率18掃描反射鏡是一個(gè)表面鍍銀的橢圓性鈹發(fā)射鏡，它與地面和聚光掃描反射鏡是一個(gè)表面鍍銀的橢圓性鈹發(fā)射鏡，它與地面和聚光鏡的光軸均成鏡的光軸均成45度角，掃描鏡圍繞正常位置擺動(dòng)的幅度大約為正度角，掃描鏡圍繞正常位置擺動(dòng)的幅度大約為正負(fù)負(fù)2.89度，掃描頻率為度，掃描頻率為13.62Hz，對(duì)垂直與衛(wèi)星軌跡方向的地面，對(duì)垂直與衛(wèi)星軌跡方向的地面進(jìn)行掃描（橫向掃描），星下點(diǎn)視廠場(chǎng)角為進(jìn)行掃描（橫向掃描），星下點(diǎn)視廠場(chǎng)角為11.56度，被掃描地度，被掃描地面條帶寬度約為面條帶寬度約為185km，沿衛(wèi)星軌跡方向的掃描（縱向掃描）由，沿衛(wèi)星軌跡方向的掃描（縱向掃描）由

9、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。光光/機(jī)掃描成像機(jī)掃描成像實(shí)例（實(shí)例（MSS）19固體自掃描成像（推帚式掃描儀）固體自掃描成像（推帚式掃描儀）用固定的探測(cè)元件，通過遙感平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行掃描的成像方式。目前常用的探測(cè)元件是電荷耦合器件CCD光機(jī)掃描儀與固體自掃描線狀陣列探測(cè)元件光學(xué)系統(tǒng)飛行方向20高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀） 成像光譜技術(shù)： “譜像合一譜像合一” 技術(shù)-獲連續(xù)光譜曲線。 成像光譜儀是新一代傳感器，成像光譜儀是新一代傳感器，20世紀(jì)世紀(jì)80年代正式開始研制；年代正式開始研制； 目的：目的：在獲取大量目標(biāo)窄波段連續(xù)光在獲取大量目標(biāo)窄波段

10、連續(xù)光譜圖象的同時(shí)，獲得每一個(gè)像元幾乎連譜圖象的同時(shí)，獲得每一個(gè)像元幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)續(xù)的光譜數(shù)據(jù) （成像光譜儀成像光譜儀）。）。 主要應(yīng)用于高光譜航空遙感，在航天主要應(yīng)用于高光譜航空遙感，在航天遙感領(lǐng)域高光譜也開始應(yīng)用。遙感領(lǐng)域高光譜也開始應(yīng)用。 圖像由多達(dá)圖像由多達(dá)數(shù)百個(gè)波段數(shù)百個(gè)波段的非常窄的連續(xù)的光譜波段組成；的非常窄的連續(xù)的光譜波段組成； 光譜波段覆蓋光譜波段覆蓋了可見光、近紅外、中紅外和熱紅外區(qū)域了可見光、近紅外、中紅外和熱紅外區(qū)域全部光譜帶全部光譜帶。 多采用掃描式或推帚式，可以收集多采用掃描式或推帚式，可以收集200200或或200200以上波段的數(shù)據(jù)；圖像中的每以上波段的數(shù)據(jù)

11、；圖像中的每一像元均得到一像元均得到連續(xù)的反射率曲線連續(xù)的反射率曲線。高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）221） 線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀撣掃式（撣掃式（whiskbroom）線陣列成像光譜儀，基本屬于光）線陣列成像光譜儀，基本屬于光-機(jī)掃描裝置。機(jī)掃描裝置。利用利用點(diǎn)探測(cè)器點(diǎn)探測(cè)器收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線收集光譜信息，經(jīng)色散元件后分成不同的波段，分別在線陣列探測(cè)器的不同元件上；通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)陣列探測(cè)器的不同元件上；通過點(diǎn)掃描鏡在垂直于軌道方向的面內(nèi)擺動(dòng)以及沿軌道方向

12、的運(yùn)動(dòng)完成以及沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描空間掃描，而利用線探測(cè)器完成光譜掃描。，而利用線探測(cè)器完成光譜掃描。高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）特點(diǎn)：特點(diǎn)： 空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)在景物方面完成，總視場(chǎng)角大（可達(dá)空間掃描通過掃描鏡擺動(dòng)在景物方面完成，總視場(chǎng)角大（可達(dá)90 ）；）； 像元配準(zhǔn)好，不同波段在任何時(shí)候都同時(shí)凝視同一像元；像元配準(zhǔn)好，不同波段在任何時(shí)候都同時(shí)凝視同一像元； 光譜覆蓋范圍寬（從可見光直到熱紅外波段）；光譜覆蓋范圍寬（從可見光直到熱紅外波段）； 適用于航空遙感，因?yàn)轱w行時(shí)間足夠慢，讀出的時(shí)間僅是聚積輻射能適用于航空遙感，因?yàn)轱w行時(shí)間足夠慢，讀出

13、的時(shí)間僅是聚積輻射能量時(shí)間的一小部分。量時(shí)間的一小部分。 對(duì)像元攝像時(shí)間短，進(jìn)一步提高光譜分辨率和輻射靈敏度較困難。對(duì)像元攝像時(shí)間短，進(jìn)一步提高光譜分辨率和輻射靈敏度較困難。典型實(shí)例：美國的典型實(shí)例：美國的AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) 1） 線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀線陣列探測(cè)器加光機(jī)掃描儀的成像光譜儀24高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）2） 面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀利用利用線陣列探測(cè)器線陣列探測(cè)器進(jìn)行掃描，利用進(jìn)行掃描，利

14、用色散元件色散元件和和面陣探測(cè)器面陣探測(cè)器完成完成光譜掃描光譜掃描，利用利用線陣列探測(cè)器線陣列探測(cè)器及其及其沿軌道方向沿軌道方向的運(yùn)動(dòng)完成的運(yùn)動(dòng)完成空間掃描空間掃描。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 空間掃描由固體掃描完成（可見光空間掃描由固體掃描完成（可見光-近紅外，用近紅外，用CCD；短波紅外用汞；短波紅外用汞-鎘鎘-碲碲/CCD混合器件）；混合器件）； 像元的攝影時(shí)間長(zhǎng)；系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率均可得到提高；像元的攝影時(shí)間長(zhǎng)；系統(tǒng)的靈敏度和空間分辨率均可得到提高； 在可見光波段，分辨率可提高到在可見光波段，分辨率可提高到1-2nm量級(jí)，短波紅外靈敏度低，量級(jí)，短波紅外靈敏度低，熱紅外暫時(shí)不能感應(yīng)；熱紅外暫時(shí)不能感應(yīng)； 總視場(chǎng)角受限制總視場(chǎng)角受限制典型實(shí)例：加拿大的典型實(shí)例：加拿大的CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager)高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）高光譜成像光譜掃描（成像光譜儀）2） 面陣探測(cè)器加推掃式掃描儀的成像光譜儀面陣探測(cè)器