探測原理第八章

探測原理第八章第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章

多光譜探測8.1多光譜成像的探測機(jī)制8.2多光譜成像儀8.3多光譜圖像信息的處理第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章

多光譜探測多光譜探測技術(shù)源于遙感技術(shù)，系非接觸式感知目標(biāo)的探測方式，即在一定距離之外探測、識(shí)別和測量需要研究的目標(biāo)，獲得其相關(guān)的有用信息。當(dāng)太陽和諸如激光器等人造輻射源輻照目標(biāo)物體時(shí)，物體就能反射、輻射和吸收電磁波，不同的物體或同一物體在不同環(huán)境下對(duì)電磁波的反射、輻射和吸收具有不同的規(guī)律性，稱為物體的波譜特性。正是利用物體具有唯一的波譜這一特性，通過將標(biāo)準(zhǔn)曲線與實(shí)際探測中獲得的判讀曲線進(jìn)行比較，從而確定目標(biāo)物體的物理和化學(xué)特性，并探測和識(shí)別目標(biāo)。第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第八章

多光譜探測多光譜探測技術(shù)能在同一時(shí)間獲得同一地面(包括不同的物體)的不同波段的波譜特性信息。這些信息可以是以地面光譜強(qiáng)度表現(xiàn)出來的影像信息，也可由數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成的地物亮度(或反射率)曲線，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測與識(shí)別。多光譜探測技術(shù)是在多波段遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。多波段遙感技術(shù)利用多通道傳感器進(jìn)行不同波段的同步攝像或掃描，取得同一地面景象的不同波段的影像或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而獲取有用信息。其中多光譜攝影只是多波段遙感方法之一，由于多光譜攝影是以膠片為元件，用攝影方式獲得所需的信息，所以它所利用的波長受到膠片的感光范圍和鏡頭的透光能力的限制。第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月多光譜遙感技術(shù)最初應(yīng)用于航空攝影，因具有較高的分辨力而在空間遙感技術(shù)上得到廣泛的應(yīng)用。1962年，莫斯科測繪學(xué)院制成了9個(gè)鏡頭的攝影機(jī)，可以攝取9種不同波段的圖像，這就是初期的多光譜傳感器。1969年，美國宇航局最初設(shè)計(jì)的SO65多臺(tái)式攝影機(jī)首次從宇宙空間獲得了地面的多光譜圖像。為了解決多光譜攝影圖像的配準(zhǔn)問題，1973年，出現(xiàn)了光束分離型的多光譜攝影機(jī)，它可以同時(shí)取得同一地區(qū)的4個(gè)光譜帶的影像。由于在高空飛機(jī)攝影中常遇到低溫、低濕、靜電放射以及近于真空的空間，造成感光軟片加速干燥和破裂，在衛(wèi)星攝影中又受到宇宙線輻射的影響，也使軟片退化和受到損壞，采用電視攝像或電子掃描技術(shù)可實(shí)時(shí)將空間影像傳到地面，成功地解決了上述問題。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1

多光譜成像的探測機(jī)制多光譜、超光譜成像探測技術(shù)是新一代光電探測技術(shù)，該技術(shù)利用具有一定光譜分辨率的多光譜、超光譜圖像進(jìn)行目標(biāo)探測，這種光譜圖像數(shù)據(jù)具有“圖譜合一”的特性，相比傳統(tǒng)的單一寬波段光電探測技術(shù)，能夠提供更加豐富的目標(biāo)場景信息。多光譜成像技術(shù)就是把入射的全波段或?qū)挷ǘ蔚墓庑盘?hào)分成若干個(gè)窄波段的光束，然后把它們分別成像在相應(yīng)的探測器上，從而獲得不同光譜波段的圖像。第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1

多光譜成像的探測機(jī)制多光譜、超光譜成像技術(shù)不同于傳統(tǒng)的單一寬波段成像技術(shù)，它將成像技術(shù)和光譜測量技術(shù)結(jié)合在一起，獲取的信息不僅包括二維空間信息，還包含隨波長分布的光譜輻射信息，形成所謂的“數(shù)據(jù)立方體”。豐富的目標(biāo)光譜信息結(jié)合目標(biāo)空間影像極大地提高了目標(biāo)探測的準(zhǔn)確性、擴(kuò)展了傳統(tǒng)探測技術(shù)的功能，是光電探測技術(shù)的一個(gè)質(zhì)的飛躍。該技術(shù)最大的特點(diǎn)就是能夠?qū)⒐ぷ鞴庾V區(qū)精細(xì)劃分為多個(gè)譜段，并同時(shí)在各譜段對(duì)目標(biāo)場景成像探測。第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1

多光譜成像的探測機(jī)制“指紋光譜特征”：絕大多數(shù)物質(zhì)都有其獨(dú)特的輻射、反射或吸收光譜特征，根據(jù)陣列探測器上探測到的目標(biāo)物光譜分布特征，可以準(zhǔn)確地分辨像素所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)成分。成像光譜圖像可以被看成是成像光譜儀在四個(gè)層次(空間、輻射能量、時(shí)間和光譜)上進(jìn)行采樣所得到的數(shù)據(jù)。在傳感器瞬時(shí)視場角不變的條件下，空間采樣間隔的大小與飛行高度有關(guān)；輻射能量的采樣大小決定傳感器在不同波段內(nèi)用多少字節(jié)來進(jìn)行量化(即圖像的灰度等級(jí))；時(shí)間采樣大小則是由飛行器連續(xù)飛過同一地點(diǎn)的時(shí)間間隔確定；而光譜采樣則是由傳感器的光譜分辨率確定，通常超光譜傳感器能夠以小于10nm的光譜間隔采樣。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月多光譜、超光譜成像探測技術(shù)的關(guān)系上世紀(jì)60年代，多光譜成像技術(shù)應(yīng)用于地球資源衛(wèi)星和軍事衛(wèi)星，其能夠探測的光譜波段不超過10個(gè)。隨著軍事偵察、監(jiān)視需求的拓展，需要獲取更多的光譜段上的信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的分析、判斷和作戰(zhàn)決策；同時(shí)各種分光技術(shù)以及工作于各波段的大規(guī)模焦平面陣列及多路讀出電路等核心技術(shù)的進(jìn)展，推動(dòng)了超光譜技術(shù)的迅速發(fā)展。規(guī)定:

①多光譜探測技術(shù)采用的工作波段一般為10-20個(gè)，光譜分辨率在Δλ/λ=0.1左右。

②超光譜探測技術(shù)采用的工作波段更多，約有100-200個(gè)，光譜分辨率在Δλ/λ=0.01左右。③超高光譜探測技術(shù)采用的工作波段達(dá)到約1000個(gè)，光譜分辨率Δλ/λ≤0.001。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月多光譜、超光譜成像探測技術(shù)的關(guān)系對(duì)于特定的工作環(huán)境和對(duì)象，采用多光譜探測技術(shù)會(huì)更經(jīng)濟(jì)、更簡便，有更高的信噪比，數(shù)據(jù)處理更簡單，是技術(shù)上的首選。多光譜探測設(shè)備超光譜探測設(shè)備為特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，工作波段的數(shù)目和寬度都是經(jīng)過事先優(yōu)化選擇的，適用于一個(gè)場合的設(shè)備通常不適用其他場合。有更高的光譜分辨率，可在大量波段上工作，可用于多種工作場合，有更強(qiáng)的適應(yīng)性，可作為多光譜探測設(shè)備最佳波段選擇的研究工具。問題：誰優(yōu)？

兩種技術(shù)有不同的適用場合。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2多光譜成像儀多光譜成像儀是一種獲取光譜特征和圖像信息的基本設(shè)備，是光電遙感技術(shù)中的核心，其多數(shù)屬被動(dòng)工作的遙感探測設(shè)備。多光譜成像儀按其工作方式的不同可分為光學(xué)成像和掃描成像兩大類。光學(xué)成像設(shè)備有分幅式多光譜相機(jī)、全景相機(jī)、狹縫式相機(jī)等。掃描成像設(shè)備有光機(jī)式掃描儀、成像光譜儀、成像偏振儀等。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月多光譜成像儀基本組成：光學(xué)會(huì)聚單元：它由透鏡、反射鏡或掃描鏡等零部件組成。它采集輻射或反射電磁波。分光單元：它把混合光分解為若干較窄波段。探測與信號(hào)預(yù)處理單元：它實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由敏感元分別將分光后聚焦的場景各點(diǎn)相應(yīng)波段的電磁波強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)大小的電信號(hào)。信息記錄或傳輸單元：它將經(jīng)初步處理后的圖像信息用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)記錄下來。多光譜成像儀的組成第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.1成像分光技術(shù)成像分光技術(shù)：光譜細(xì)分技術(shù)8.2.1.1濾光片

濾光片是一種能從連續(xù)光譜中濾出所需波段的單層或多層介質(zhì)膜片。

分類：濾光片有截止型和帶通型兩大類。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.1.1濾光片

窄帶濾光片光譜分辨本領(lǐng)用

的比值表示，是透射率為峰值波長透射50％處的波段寬度。

濾光片應(yīng)滿足以下基本要求：①濾光片的透射光譜曲線符合設(shè)計(jì)要求，并在探測器的光敏波段內(nèi)。②需要的光，能量損失盡量少；不需要的光，最好全部被反射或吸收。③熱穩(wěn)定性、防潮性、機(jī)械強(qiáng)度等物理化學(xué)性能良好。第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月分立式濾光片：適用于一個(gè)窄段投射到單個(gè)探測器的情況?！熬€性漸變?yōu)V光片”是一種多層窄帶通干涉濾光片。線性漸變?yōu)V光片的中心波長隨鍍層的位置而變，因此使得透射波長隨濾光片襯底上的位置不同而發(fā)生變化。這種濾光片可用來設(shè)計(jì)和研制紅外成像光譜儀。8.2.1.2光柵分光

光柵是在一個(gè)平面上刻上一組平行的周期性的線條或溝槽的光學(xué)元件。當(dāng)一束復(fù)式光入射到光柵平面會(huì)實(shí)現(xiàn)分光的作用。光柵分光的優(yōu)點(diǎn)是分光波長分布線性度很好、光譜分辨能力高，是目前高光譜分辨力成像光譜儀使用最普遍的分光元件，采用光柵分光還可簡化分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.1.3邁克爾遜雙光束干涉分光邁克爾遜雙光束干涉分光是精細(xì)分光中最重要的技術(shù)。圖8.2是其基本工作原理。光源的平行光，到分光片后被分成兩束。分別到達(dá)平面反射鏡及可動(dòng)反射鏡，由于光程差相遇產(chǎn)生干涉，鏡面微動(dòng)改變其光程，探測器接收干涉條紋。若不斷移動(dòng)反射鏡，光程差會(huì)連續(xù)改變，記錄干涉條紋光強(qiáng)變化得到干涉圖。對(duì)其做傅里葉余弦變換運(yùn)算，將其轉(zhuǎn)換成任何波數(shù)的光譜圖樣。優(yōu)點(diǎn)：固有的光譜分辨本領(lǐng)高，且與波長無關(guān)，這是光柵分光所不及的。第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2常用的多光譜成像儀8.2.2.1光學(xué)相機(jī)光學(xué)相機(jī)是人們最熟悉、應(yīng)用最早和歷史最長久的一種遙感設(shè)備，工作波段在近紫外、可見光到近紅外(0.32-1.3)之間。遙感用光學(xué)相機(jī)有以下幾類：1)分幅式多光譜相機(jī)

它是在普通相機(jī)的基礎(chǔ)上通過用不同波段的濾光片和感光膠片的組合形成的一種新的分幅式相機(jī)，它有以下幾種組合類型：

①多相機(jī)型實(shí)際上由幾部相機(jī)組合而成。每個(gè)相機(jī)都配有自己工作波段的濾光片和感光膠片。工作時(shí)所有鏡頭皆對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，由一個(gè)操控裝置控制同步地進(jìn)行拍攝。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月②多鏡頭型用一臺(tái)相機(jī)配備兩個(gè)以上的鏡頭，每個(gè)鏡頭都配有自己工作波段的濾光片，底片盒保持不變，在幅面較大的同一膠片上同時(shí)記錄多個(gè)小畫幅，每個(gè)小畫幅分別對(duì)應(yīng)不同光波段的圖像。③單鏡頭光束分離型由光學(xué)鏡頭會(huì)聚的復(fù)式光束通過快門進(jìn)入到分光或棱鏡色散裝置，通常分解成紅、綠、藍(lán)、紅外等若干個(gè)波段的光束，分別在不同膠片上曝光成像。單鏡頭光束分離型光學(xué)相機(jī)如圖8．3所示第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月利用多光譜相機(jī)攝取的一組圖片，既可逐個(gè)分析研究景物圖像不同光譜特色，也可將不同光譜的照片相互組合成偽彩色或真彩色照片進(jìn)行分析對(duì)比研究，能獲得更多的信息。分幅式相機(jī)最大特點(diǎn)是拍攝的照片幾何關(guān)系較嚴(yán)格，常用做目標(biāo)較準(zhǔn)確的定位，另外空間分辨力高，圖像清晰、質(zhì)量好，但實(shí)時(shí)性差，必須等回收后膠片沖洗出來才能看到。第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2)全景相機(jī)

在物鏡的焦面上平行于飛行方向設(shè)置一條狹縫，地面景物在相機(jī)內(nèi)滾筒上的弧形膠片上聚焦成像，物鏡在垂直于航線方向掃描，就得到一幅掃描成像的地面圖像。

由于全景相機(jī)的像距保持不變，而物距隨掃描角的增大而增大，因此和航線正下方的中心部位相比，就會(huì)出現(xiàn)兩邊比例尺會(huì)逐漸縮小的現(xiàn)象，整個(gè)影像產(chǎn)生全景畸變。3)狹縫式相機(jī)

相機(jī)的光軸指向不變，物鏡在垂直于飛行方向設(shè)置一條狹縫。相機(jī)瞬間所獲取的影像，是與航線方向垂直且與縫隙等寬的一條線影像。當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí)，相機(jī)焦平面上的縫隙線影像連續(xù)變化，相機(jī)內(nèi)的膠片以與地面在縫隙中的影像移動(dòng)速度相同的速度不斷卷動(dòng)和曝光，從而得到連續(xù)的航帶攝影照片。

第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.2紅外掃描儀

紅外掃描儀早期是一種單波段工作的光機(jī)掃描型的成像遙感設(shè)備。紅外掃描儀由光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)、光學(xué)機(jī)械掃描器、紅外探測器、信號(hào)處理器、信息記錄設(shè)備等幾部分組成。紅外掃描儀采用對(duì)物平面掃描的方式成像，通常利用行掃描儀內(nèi)部設(shè)置的光學(xué)機(jī)械掃描器，在垂直于平臺(tái)飛行方向?qū)Φ匚镒鞑婚g斷的橫向掃描，另一維掃描是依靠運(yùn)載平臺(tái)，如衛(wèi)星或飛機(jī)的向前運(yùn)動(dòng)來完成，如圖8.4所示。第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

機(jī)載掃描儀的掃描器是一種可作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的光學(xué)反射鏡，常用形狀有45°斜置平面鏡、楔形鏡、三棱鏡、四方棱鏡(圖8.5)等。要按照平臺(tái)飛行高度和一個(gè)像元瞬時(shí)視場對(duì)應(yīng)的地面分辨單元的大小控制掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使得在完成一行掃描的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)載平臺(tái)正好向前移動(dòng)了一個(gè)像元的地面分辨單元的距離或稍有重疊。每相鄰兩行被掃地域應(yīng)很好鄰接，不應(yīng)有漏掃。和這一性能相關(guān)的技術(shù)參數(shù)叫做速高比()。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)儀器設(shè)定的速高比和實(shí)際飛行速高比一致時(shí)，則滿足上面行間正好銜接的要求。如高度不變，也即像元對(duì)應(yīng)的地面分辨尺寸不變，增大飛行速度，則行間有漏掃，丟失信息。這時(shí)應(yīng)提高掃描鏡轉(zhuǎn)速，使兩者速高比相符合。速度不變、高度降低時(shí)，速高比增大也需提高掃描鏡轉(zhuǎn)速。設(shè)備有一個(gè)最大速高比設(shè)計(jì)值，此時(shí)掃描電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。任何時(shí)候不能在大于最大速高比的條件下執(zhí)行任務(wù)，否則獲取的信息不完整。第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

與分幅式相機(jī)的圖片不同，紅外掃描儀輸出一幅地面寬度一定而長度無限的圖像。顯示器上看到的是一幅不斷向下移動(dòng)的畫面，如需要，可截其一段作為一幀圖像停下來詳察。

掃描儀收集的紅外圖像信息可用磁帶機(jī)、硬盤等設(shè)備直接記錄，回收后再進(jìn)一步處理。但如果執(zhí)行偵察任務(wù)，通常利用信息傳輸設(shè)備將信息實(shí)時(shí)傳至地面站。第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

8.2.2.3多光譜掃描儀

多光譜掃描儀是20世紀(jì)70年代以后依據(jù)地球資源衛(wèi)星的使用要求，在紅外掃描儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它在掃描儀基礎(chǔ)上增加了分光系統(tǒng)，從而細(xì)分了工作波段，在工作原理上和紅外掃描儀幾乎相同。它的工作波段擴(kuò)展到紫外、可見光及整個(gè)紅外波段，工作波段數(shù)從幾個(gè)發(fā)展到二十幾個(gè)，可以說是遙感技術(shù)中應(yīng)用最成功和最廣泛應(yīng)用的遙感儀之一。多光譜掃描儀按工作方式可分為：光機(jī)掃描式和推帚式（固體自掃式）。

第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1)光機(jī)式多光譜掃描儀

與紅外掃描儀相比，多光譜掃描儀增加了一套分光裝置。主要工作過程是：光學(xué)機(jī)械掃描器對(duì)地面逐行逐點(diǎn)掃描，收集的電磁輻射先進(jìn)入通常由色散棱鏡及濾光片等零件組成的分光裝置，將混合的電磁輻射按要求分解為若干個(gè)工作波段，然后聚焦分別進(jìn)入相應(yīng)的探測器。探測器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，分別輸出相應(yīng)波段的地面輻射圖像數(shù)據(jù)。這樣，執(zhí)行一次探測任務(wù)就可獲得同一地面、同一特定時(shí)刻的多個(gè)波段的圖像數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積、質(zhì)量大，但獲取的信息量豐富，處理的數(shù)據(jù)量多。第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2)推帚式多光譜掃描儀

與光機(jī)掃描儀不同，推帚式掃描采用長線列探測器作為敏感元件，用電子自掃描式成像。長線列探測器在垂直于飛行方向上橫向排列，對(duì)應(yīng)于地面上的一行掃描帶。每個(gè)探測器敏感元分別對(duì)應(yīng)該掃描條帶的一個(gè)地面分辨元，對(duì)接收的光信號(hào)做光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛行平臺(tái)向前飛行完成一維縱向掃描時(shí)，線列探測器就向掃帚掃地一樣實(shí)現(xiàn)帶狀掃描，推帚式掃描也是由此而來。圖8.6是推帚式成像原理。第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.4成像光譜儀研究表明：反映物質(zhì)吸收和發(fā)射光譜細(xì)微差別的寬度一般為5nm-10nm，越精細(xì)的物質(zhì)分類需要越高的光譜分辨力。現(xiàn)狀：光譜分得還不夠細(xì)，光譜分辨力僅為幾十納米到幾百納米，很多情況下不能滿足要求。如果能實(shí)現(xiàn)幾乎連續(xù)的窄波段成像，那么就有可能實(shí)現(xiàn)地面礦物的直接識(shí)別，由此提出了光譜和圖像結(jié)合為一體的成像光譜技術(shù)。成像光譜儀就是由此而發(fā)展起來的一種新型遙感器。20世紀(jì)70年代末，美國加州噴氣推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開始研究光譜成像技術(shù)，1983年制成世界上第一臺(tái)成像光譜儀AIS-1。除美國外，較具代表性的系統(tǒng)有澳大利亞的Hympa，加拿大的CASI。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

成像光譜儀是在紅外掃描儀和多光譜掃描儀等傳統(tǒng)的成像技術(shù)及光譜分光技術(shù)、長線列和大面陣光電探測器基礎(chǔ)上發(fā)展的。它最顯著的特征是光譜分辨力大大提高。成像光譜儀把目標(biāo)幾何形狀的圖像和光譜特征綜合為一體。幾十個(gè)或幾百個(gè)平面圖像構(gòu)成一個(gè)按光譜順序排列的立體圖。可以從任何一波長位置看到這個(gè)窄波段的光譜圖像，也可從圖像的任何一像元取出它的幾十個(gè)或幾百個(gè)光譜的數(shù)據(jù)，形成該像元的光譜特性曲線(圖8.7)。8.2.2.4成像光譜儀第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

成像光譜儀是在紅外掃描儀和多光譜掃描儀等傳統(tǒng)的成像技術(shù)及光譜分光技術(shù)、長線列和大面陣光電探測器基礎(chǔ)上發(fā)展的。它最顯著的特征是光譜分辨力大大提高。成像光譜儀把目標(biāo)幾何形狀的圖像和光譜特征綜合為一體。幾十個(gè)或幾百個(gè)平面圖像構(gòu)成一個(gè)按光譜順序排列的立體圖?？梢詮娜魏我徊ㄩL位置看到這個(gè)窄波段的光譜圖像，也可從圖像的任何一像元取出它的幾十個(gè)或幾百個(gè)光譜的數(shù)據(jù)，形成該像元的光譜特性曲線(圖8.7)。8.2.2.4成像光譜儀第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2)推帚式多光譜掃描儀與光機(jī)掃描相比，推帚式掃描代表了更為先進(jìn)的遙感器掃描方式。它省去機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，采用探測器內(nèi)部的電子掃描，具有系統(tǒng)可靠性高、噪聲低、畸變小、體積小、質(zhì)量小、功耗小、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。推帚式掃描儀的總視場和瞬時(shí)視場受限于線列探測器的長度。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

成像光譜儀按其工作方式可分為采用線列探測器的刷掃式和采用面陣器件的推帚式兩類。1)刷掃式成像光譜儀

它包括光機(jī)掃描和光譜分光兩個(gè)主要功能器件，圖8.8為刷掃式成像光譜儀工作原理。線列探測器順平臺(tái)飛行方向縱向排列。由線列探測器和光機(jī)掃描器的橫向掃描形成地物平面空間的一維，平臺(tái)飛行運(yùn)動(dòng)形成另一維。成像光譜儀得到的圖像與光譜數(shù)據(jù)反映的地物特征信息極為豐富，它已成為研究地球表面物體的特征、識(shí)別其種類、分析其成分的最有力的手段。8.2.2.4成像光譜儀第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月刷掃式成像光譜儀的特點(diǎn)是：有較大的總視場，可達(dá)90°；所有探測器元任何時(shí)候都同時(shí)凝視地面的同一像元，因而不同光譜的圖像配準(zhǔn)很好。但是，光機(jī)式的地物掃描使得對(duì)地面一個(gè)像元的攝像時(shí)間短，不利于探測靈敏度的提高。1)刷掃式成像光譜儀第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2)推帚式成像光譜儀通常采用光柵或邁克爾遜干涉分光，而且采用大面陣光電探測器，如可見到近紅外波段CCD、紅外波段

焦平面陣列探測器件或混合器件等。這種光譜儀去掉了光機(jī)掃描，按凝視推帚方式掃描成像。圖8.9為推帚式成像光譜儀成像原理。典型實(shí)例是加拿大CASI-2成像光譜儀，其典型性能為：工作波段0.4-0.85，波段數(shù)288，視場37.8°，瞬時(shí)視場1.2mrad，光柵分光，(612×288)元Si-CCD陣列，光譜分辨力2.2nm。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月面陣探測器件由探測器自掃式完成與平臺(tái)飛行方向垂直的橫向掃描，平臺(tái)的向前飛行完成縱向掃描，從而形成二維平面圖像。光譜維則由分光器將一個(gè)掃描行的輻射色散分光后分別投射到焦平面陣列另一個(gè)方向不同的探測器元上，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)掃描行的光譜成像?？臻g一維的探測器個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)掃描行的像素?cái)?shù)，光譜一維的探測器個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)圖像的波段數(shù)。這種方式的成像光譜儀需采用大型面陣光電探測器，探測器元數(shù)越多，儀器的空間分辨力和光譜分辨力越高。由于光電探測器的固定構(gòu)型，使圖形的幾何保真度高，不同波長的光譜段更容易配準(zhǔn)。此外，它還有探測器探測時(shí)間長、信噪比高、光譜分辨力高(可達(dá)1nm-2nm)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2)推帚式成像光譜儀第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.5光譜遙感儀多光譜成像儀是觀察和測量一系列不同窄光譜段在地面二維平面中的反射和輻射強(qiáng)度分布，從而獲得地面物體的相關(guān)信息。與此不同，光譜遙感儀主要是獲取不同物質(zhì)的光譜特性信息。任一種物質(zhì)都發(fā)射或反射和自身結(jié)構(gòu)特性相關(guān)的光譜。如果能將一種物質(zhì)的發(fā)射和反射的光譜作為波長的函數(shù)測量和記錄下來，同已知物質(zhì)的光譜作比較，就可以鑒別出該物質(zhì)的存在并判斷其種類，這就是光譜學(xué)在遙感方面應(yīng)用的工作原理。

第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.5光譜遙感儀光譜遙感儀主要組成部分有會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)和分光器、光電探測器、數(shù)據(jù)記錄器等。其基本工作過程是：目標(biāo)發(fā)射或反射的輻射由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)聚焦進(jìn)入分光器，分光器從時(shí)間或空間上將入射光按波長分開，各波長的輻射分別進(jìn)相應(yīng)的光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以此作為初始的光譜數(shù)據(jù)，光譜數(shù)據(jù)被記錄后再做進(jìn)一步處理。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

8.2.2.5光譜遙感儀按光譜分辨能力的大小分，光譜遙感儀有如下兩類：(1)粗分光譜遙感儀。它分解出的波段相對(duì)較寬，且不連續(xù)，用于測量工作波段內(nèi)的地物反射率的遙感儀。該類儀器常用濾光片分光，按需要設(shè)置濾光片的工作波長和帶寬。這類儀器又分單通道和多通道兩種。其典型技術(shù)參數(shù)是：四個(gè)工作波段分別為0.5-0.6、0.6-0.70、0.7-0.80和0.8-1.1，視場15°。我國在“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星上安裝紅外分光輻射計(jì)屬此類，可探測大氣溫度的垂直分布。第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)細(xì)分光譜遙感儀。它在所需波段范圍內(nèi)可測量地物連續(xù)光譜反射率特性，可描繪地物光譜的細(xì)節(jié)。該類儀器常用光柵或邁克爾遜干涉儀分光，以得到精細(xì)的光譜分辨力。光柵式光譜遙感儀的典型技術(shù)參數(shù)是：波段范圍0.45

-2.45，光譜分辨力在0.45-1，波段內(nèi)為1nm，在1-2.45，波段內(nèi)為3.5nm；反射率精度1％-2％；視場5°-12°可變。第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.6偏振成像探測

任何物體由于物理特性和表面狀態(tài)不同(材料成分、粗糙度、含水量、密度等)，在發(fā)射、透射和反射輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的偏振，而且都有自己獨(dú)特的偏振特性。偏振探測的波長可以從紫外延伸到長波紅外。偏振探測可以用單個(gè)波段或多個(gè)波段，可用非成像或成像方式。偏振探測在軍事上有很大的應(yīng)用前景。第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2.6偏振成像探測

用于遙感的偏振探測是一項(xiàng)正在大力發(fā)展的新興技術(shù)。多光譜光電成像探測僅包含測量不同光譜段在二維平面上的強(qiáng)度分布的信息，而偏振探測還包含了物體發(fā)射或反射光的偏振度、偏振方向、偏振橢圓度等，大大豐富了物體的信息量。20世紀(jì)80年代后期，法國開始研制測量地面反射光偏振特性的衛(wèi)星用遙感偏振探測儀器(POI．DER)．共8個(gè)通道，其中3個(gè)通道為偏振探測，用來研究地球陸地表面、海洋及云層和大氣變化的過程。90年代美國也開始研制遙感用偏振探測儀，已研制出許多產(chǎn)品。還有俄、德、日、荷蘭、印度等國都在大力開展研究。中國科學(xué)院相關(guān)單位也于90年代初開展偏振探測研究，并進(jìn)行了大量空中或地面試驗(yàn)。第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

電磁波的偏振狀態(tài)常用表征其強(qiáng)度和不同方位偏振分量組合的4個(gè)被稱為斯托克斯矢量的量來表示，對(duì)物體測量了4個(gè)矢量就可計(jì)算出偏振度、線偏振度、圓偏振度和偏振橢圓的主軸取向等參數(shù)，由此可對(duì)比、區(qū)分物體間的偏振特性差異。對(duì)成像偏振探測，因景物中不同部分的物質(zhì)成分可能不同，偏振特性不同，形成的圖像容易顯出差別，有利于目標(biāo)識(shí)別。

偏振測量設(shè)備一般包括光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)、偏振分析器、光電探測器、信號(hào)處理器等。對(duì)于多光譜成像偏振測量設(shè)備還需有分光器、可見光CCD或紅外焦平面陣列探測器。8.2.2.6

偏振成像探測第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.3多光譜成像用的光電探測器

多光譜成像遙感技術(shù)的發(fā)展是以光電探測器技術(shù)的成熟為前提的。早期多光譜成像儀多使用可見光和近紅外波段，在這兩個(gè)波段內(nèi)光電探測器有硅光電二極管陣列和硅CCD器件。隨著技術(shù)的進(jìn)步，多光譜成像技術(shù)逐漸向紅外波段發(fā)展，首先，在短波紅外波段（1.0

-2.4)，常用的有

焦平面陣列；在中波紅外波段（3-5），最常用的有InSb焦平面陣列和

焦平面陣列；在長波紅外波段（8

-12），最常用的是

焦平面陣列。

目前各種多光譜成像儀使用最多的光電探測器是可見光CCD器件和紅外焦面陣列。從發(fā)展趨勢看，主流仍將是CCD和多色

焦平面陣列。新型圖像傳感器如有源像素傳感器(APS)及高性能的實(shí)用性焦平面陣列都取得了巨大的進(jìn)展。第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.4多光譜成像儀基本性能參數(shù)輻射分辨力輻射分辨力是指傳感器在接收入射輻射時(shí)能分辨的最小輻射度差。輻射分辨力取決于探測器的靈敏度、系統(tǒng)的信噪比和光學(xué)系統(tǒng)的效率等。輻射分辨力越高，圖像的對(duì)比度越高，對(duì)目標(biāo)的實(shí)際分辨能力就越好。時(shí)間分辨力時(shí)間分辨力是指列同一目標(biāo)相鄰兩次觀察的時(shí)間間隔，通常指衛(wèi)星遙感的情況。時(shí)間間隔短便于獲得地面景物的動(dòng)態(tài)信息。視場視場是指傳感器能形成有用圖像的光束在入瞳處的最大張角。對(duì)一個(gè)傳感器來說，一般希望有較大的視場。第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜分辨力

光譜分辨力是指傳感器探測單元在接收地面目標(biāo)輻射光譜時(shí)能分辨的最小波長間隔。波長間隔越小光譜分辨力越高。設(shè)備的光譜分辨力依賴于系統(tǒng)分光器和探測元件。光譜成像技術(shù)按照波段數(shù)和光譜分辨力大致可分為三類：多光譜成像，其波段數(shù)為10個(gè)-50個(gè)，光譜分辨力為0.1；超光譜成像，其波段數(shù)為50個(gè)-1000個(gè)，光譜分辨力為0.01；極光譜成像，其波段數(shù)為10個(gè)-100個(gè)，光譜分辨力為0.001。第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月空間分辨力

空間分辨力是指在遙感圖像上能記錄并能區(qū)分出來的相鄰兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)間的最小距離，表征對(duì)地面目標(biāo)細(xì)節(jié)的分辨能力。相機(jī)的空間分辨力取決于鏡頭和膠片，鏡頭分辨力受限于衍射限，膠片的分辨力和乳膠的特性有關(guān)。

也可用在地面上的一個(gè)最小信息單元即像素的大小來描述空間分辨力，像數(shù)尺寸越小，空間分辨力越高。對(duì)成像偵察系統(tǒng)，空間分辨力是至關(guān)要緊的，它與偵察能力直接相關(guān)，原則上越高越好。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

上述各項(xiàng)指標(biāo)都能同時(shí)提高是我們所追求的目標(biāo)。實(shí)際上，在一定技術(shù)條件下，經(jīng)常受到許多因素的制約。一方面是元器件受自身理論極限及加工制造技術(shù)的限制，另一方面是上述幾個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)本身也是相互關(guān)聯(lián)、制約的。單純提高上述任何一個(gè)參數(shù)的性能都會(huì)引起其他性能的下降，因此，要對(duì)儀器的整體性能進(jìn)行綜合考慮。8.2.4多光譜成像儀基本性能參數(shù)第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3

多光譜圖像信息的處理

多光譜成像儀可從空中獲取大量的地面場景和目標(biāo)物的原始數(shù)據(jù)，這些原始的圖像信息需經(jīng)由地面信息處理中心作進(jìn)一步加工處理。一種是根據(jù)所獲圖片，直接用人眼判斷和找出圖像中感興趣的目標(biāo)物信息，就是目視判讀，是目前使用最廣泛的方法；另一種是自動(dòng)化程度高的計(jì)算機(jī)判