第3章 遥感传感器及其成像原理31.docx

1、第3章 遥感传感器及其成像原理31第3章 遥感传感器及其成像原理3.1 扫描成像类传感器遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，就其基本结构原理来看，目前遥感中使用的传感器大体上可分为如下一些类型： （1）摄影类型的传感器； （2）扫描成像类型的传感器； （3）雷达成像类型的传感器； （4）非图像类型的传感器。无论哪种类型遥感传感器，它们都由如图3-1所示的基本部分组成：图3-1遥感传感器的一般结构1、收集器：收集地物辐射来的能量。具体的元件如透镜组、反射镜组、天线等。2、探测器：将收集的辐射能转变成化学能或电能。具体的无器件如感光胶片、光电管、

2、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。3、处理器：对收集的信号进行处理。如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型有摄影处理装置和电子处理装置。4、输出器：输出获取的数据。输出器类型有扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管、磁带记录仪、XY彩色喷笔记录仪等等。3.1扫描成像类传感器扫描成像类型的传感器是逐点逐行地以时序方式获取二维图像，有两种主要的形式，一是对物面扫描的成像仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等；二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列

3、CCD推扫式成像仪，电视摄像机等。3.1.1 对物面扫描的成像仪一、红外扫描仪（一）红外扫描仪一种典型的机载红外扫描仪的结构如图3-2所示。它由本节前言中所叙述的几个部件组成。具体结构元件有一个旋转扫描镜，一个反射镜系统，一个探测器，一个制冷设备，一个电子处理装置和一个输出装置。旋转扫描镜的作用是实现对地面横越航线方向的扫描，并将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组。反射镜组的作用是将地面辐射来的电磁波聚焦在探测器上。探测器则是将辐射能转变成电能。探测器通常做成一个很小面积的点元，有的小到几个微米。随输入辐射能的变化，探测器输出的电流强度（视频信号）发生相应的变化。致冷器为了隔离周围的红外辐射直接

4、照射探测器，一般机载传感器可使用液氧或液氮致冷。电子处理装置主要是对探测器输出的视频信号放大和进行光电变换，它由低噪声前置放大器和电光变换线路等组成。输出端是一个阴级射线管和胶片传动装置。视频信号经电光变换线路调制阴极射线管的阴极，这时阴级射线管屏幕上扫描线的亮度变化相应于地面扫描现场内的辐射量变化。胶片曝光后得到扫描线的影像（二）扫描成像过程及图像特征1、扫描成像过程如图3-2所示，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入传感器，经探测器输出视频信号，再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

5、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。图3-2机载红外扫描仪结构原理图2、红外扫描仪的分辨力红外扫描仪的瞬时视场，与探测器尺寸d（直径或宽度）和扫描仪的焦距的关系为： =d/f（3-1）红外扫描仪垂直指向地面的地面空间分辨力a，则由瞬时视场和航高决定，即：a=H(3-2)将（3-1）式代入（3-2）式则为：（3-3）在设计仪器时已确定，所以对于一个使用着的传感器，其地面分辨力的变化只与航高有关。航高值大，a值自然就大，则地面分辨力差。（

6、3-3）式是指垂直指向地面观测时的空间分辨力，当观测视线倾斜时，即在某一个不等于0的扫描角下观测时，其地面分辨力将发生变化。现设垂直指向观测时，扫描角=0，航高为H0，地面分辨力为a0。当扫描角为时，仪器至观测点中心的距离为H，其地面分辨力平行于航线方向的为a，垂直于航线方向的为。如图3-3所示。（3-4）（3-5）图3-3扫描仪的地面分辨力对于垂直航线方向，由于传感器观测视线与地面不垂直，斜倾一个角，因此（3-6）由于地面分辨力随扫描角发生变化，而使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，其形成的原因与全景摄影机类似。图3-4是取一段红外扫描仪图像与同一地区航空像片比较，可明显看出

7、全景畸变的影响。红外扫描仪还存在一个温度分辨力的问题，温度分辨力与探测器的响应率R和传感器系统内的噪声N有直接关系。为了获得较好的温度鉴别力，红外系统的噪声等效温度限制在0.10.5K之间。而系统的温度分辨力一般为等效噪声温度的26倍。3、扫描线的衔接当扫描镜的某一个反射镜面扫完一次后，第二个反射镜面接着重复扫描，飞机的飞行使得两次扫描衔接。如何让每相邻两条带很好地衔接，可由以下的关系式来确定。假定旋转棱镜扫描一次的时间为t，一个探测器地面分辨力为a，若要使两条扫描带的重叠度为零，但又不能有空隙，则必须（3-7）式中，W为飞机的地速。当Wta时，将出现扫描漏洞，当Wta时，则有部分重叠。将a=

8、H代入（3-7）式得：Wt=H(3-8)经移项后得：（3-9）其中瞬时视场和扫描周期都为常数，所以只要速度W与航高H之比为一常数，就能使扫描线正确衔接，不出现条纹图像。4、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。第一章中已讲到，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。图3-5是拍摄一个机场的停机坪的热红外像片，像片中飞机已发动的发动机温度较高，色调很浅，显得亮。尾喷温度更高，色调显得更亮。未发动的飞机发动机，温度较低，显得很暗。水泥跑道发射率较高，出现灰色调。飞机的金属蒙皮，发射率很低

9、，显得很黑。从像片上可看出，热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更高，因为它与温度的四次方成正比，温度的变化能产生较高的色调差别。图3-4 红外扫描像片与普通航片的比较图3-5 红外像片二、MSS多光谱扫描仪陆地卫星上的MSS（Multispectral Scanner）多光谱扫描仪的结构和实体如图3-6和图3-7所示。它由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器和探测器等组成。图3-6 MSS多光谱扫描仪结构（一）扫描仪的结构1、扫描反射镜扫描反射镜是一个表面镀银的椭圆形的铍反射镜，长轴为33cm，短轴为23cm。当仪器垂直观察地面时，来自地面的光线与进入聚光镜的光

10、线成90。扫描镜摆动的幅度为2.89，摆动频率为13.62Hz，周期为73.42ms，它的总观测视场角为11.56。扫描镜的作用是获取垂直飞行方向两边共185km范围内的来自景物的辐射能量，配合飞行器的往前运行获得地表的二维图像。2、反射镜组反射镜组由主反射镜和次反射镜组成，焦距为82.3cm，第一反射镜的孔径为22.9cm，第二反射镜的孔径为8.9cm，相对孔径为3.6。反射镜组的作用是将扫描镜反射进入的地面景物聚集在成像面上。图3-7 MSS多光谱扫描仪3、成像板成像板上排列有24+2个玻璃纤维元，如图3-8所示。按波段排列成四列，每列有六个纤维单元，每个纤维单元为扫描仪的瞬时视场的构像范

11、围，由于瞬时视场为86rad，而卫星高度为915km，因此它观察到地面上的面积为79m79m。四列的波段编号和光谱范围如表3-1。光谱响应曲线如图3-9所示。Landsat-4/5的轨道高度下降为705km，其瞬时视场为83m83m。在遥感中称为空间分辨力。Landsat-2和3上增加一个热红外通道，编号MSS-8，波长范围为10.412.6m，分辨力为240m240m，仅用两个纤维元构成。纤维元后面有关学纤维将成像面上接收的能量传递到探测器上去。MSS波段编号和范围表31 Landsat-13Landsat-4/5波长范围/mMSS-4MSS-5MSS-6MSS-7MSS-1MSS-2MSS

12、-3MSS-40.50.60.60.70.70.80.81.14、探测器探测器的作用是将辐射能转变成电信号输出。它的数量与成像板上的光学纤维元的个数相同，所使用的类型与响应波长有关，MSS4，5，6采用18个光电倍增管，MSS7使用六个硅光电二极管，Landsat-2,3上的MSS8采用2个汞镉碲热敏感探测器。其致冷方式采用辐射致冷器致冷。经探测器检波后输出的模拟信号进入模数变换器进行数字化，再由发射机内调制器调制后向地面发送或记录在宽带磁带记录仪上。（二）成像过程扫描仪每个探测器的瞬时视场为86rad，卫星高为915km，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为79m79m，每个波段由六个相同大小

13、的探测元与飞行方向平行排列，图3-8成像板图3-9 MSS探测器光谱响应曲线这样在瞬间看到的地面大小为474m79m。又由于扫描总视场为11.56,地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描线图像，其地面范围为474m185km。又因扫描周期为73.42ms，卫星速度（地速）为6.5km/s，在扫描一次的时间里卫星往前正好移动474m，因此扫描线恰好衔接，如图3-10所示实际上在扫描的同时地球自西往东自转，下一次扫描所观测到的地面景象相对上一次扫描应往西移位，其移位量Y=VEt，VE为地面的自转线速度，它是纬度的函数；t为扫描一次的时间。具体计算方法见几何处理一章。成像板上的光学纤

14、维元接收的辐射能，。经光学纤维传递至探测器，探测器对信号波后有24路输出，采用脉码多路调制方式每9.958s对每个信道作一次抽样，由于扫描镜频率为13.62Hz，周期为73.42ms，而自西往东对地面的有效扫描时间为33ms（即在33ms内扫描地面的宽度为185km），按以上宽度计算，每9.958s内扫描镜视轴仅在地面上移动了56m，因此采样后的MSS像元空间分辨率为56m79m（Landsat-4/5为68m83m）。采样后对每个像元（每个信道的一次采样）采用6bit进行编码，（像元亮度值在063间），24路输出共需144bit都在9.958s内生成，反算成每个字节（6bit）所需的时间为0

15、.3983s（其中包括同步信号约占0.3983s），每个bit为0.0664s，因此，bit速率约为15Mbit/s，每个bit为0.0664s,因此，bit速率约为15Mbit/s(15MHz)。采样后的数据用脉码调制方式以2229.5MHz或2265.5MHz的频率馈入天线向地面发送。图3-10陆地卫星-4 MSS扫描的几何关系三、TM专题制图仪Landsat-4/5上的TM（Thematic Mapper）是一个高级的多波段扫描型的地球资源敏感仪器，与多波段扫描仪MSS性能相比，它具有更高的空间分辨力，更好的频谱选择性，更好的几何保真度，更高的辐射准确度和分辨力。仪器的结构如图3-11所

16、示。它的太阳遮光板安装在指向地球的一个水平位置上，其上面装有扫描镜，扫描镜周围是驱动机构，即控制电子设备及扫描监视器硬件。主镜装在望远镜轴线的下方，在光学挡板和二次镜的后面。在主镜的后面是扫描行改正器，内部校正器，以及可见光谱检测器聚焦平面和它的安装硬件与对准机构，在仪器的尾端安装有辐射冷却室（内装有冷焦平面装配件），中继镜片和红外检测器阵列。在望远镜上方的一个楔形箱体内，装有作为插件形式的电子设备、多路转换器、电源、信号放大器以及各波道的滤波器。TM中增加一个扫描改正器，使扫描行垂直于飞行轨道（MSS扫描不垂直于飞行轨道），另外使往返双向都对地面扫描（MSS仅仅从西向东扫描时收集图像数据，从

17、东向西时，关闭望远镜与地面之间的光路）。图3-11 TM截面视图TM的探测器共有100个，分七个波段，采用带通滤光片分光，滤光片紧贴于探测器阵列的前面。探测器每组16个，呈错开排列，如图3-12所示。TM14用硅探测器（即CCD探测阵列），TM5和TM7各用16个锑化铟红外探测器，其排列同TM14一样。TM6用4个汞镉碲热红外探测器，也成两行排列，致冷温度为95K。TM15及TM7每个探测器的瞬时视场在地面上为3030，TM6为120120。摄影瞬间16个探测器（TM6为4个）观测地面的长度为480m，扫描线的长度仍为185km，一次扫描成像为地面的480m185km。半个扫描周期，即单向扫描

18、所用的时间为71.46ms，卫星正好飞过地面480m，下半个扫描周期获取的16条图像线正好与上半个扫描周期的图像线衔接。由于TM5，6，7的波长较长，因此焦深加长，采用分光折光镜，使其在红外焦平面上构像，见图3-13。为作辐射校正，扫描仪内设有一个白炽灯作可见光和近红外波段的标准源，TM6的校正源，是一个按地面指令控制温度的黑体源。扫描仪中的电子处理器件，对全部波段的探测器输出信号作前置放大、编码和传输，每个像元的亮度值用2 bit编码。卫星向地面传送数据是通过中继通讯卫星作实时发送，星上不再带磁带记录仪，数据传输率为84108bit/s。TM七个波段的波长范围、辐射灵敏度和图像特征示于表3-

19、2。图3-12TM探测器阵列图3.1.2 对像面扫描的成像仪一、HRV线阵列推扫式扫描仪1、HRV的结构和成像原理法国SPOT卫星上装载的HRV（High Resolution Visible range instrument）是一种线阵列推扫式扫描仪。其简单的结构如图3-14所示。仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD线阵列元件上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出。由于使用线阵列的CCD元件作探测器，在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，像缝隙摄影机那样，以“推扫”方式获取沿轨道的连续图像条带。CCD(Charge Couple

20、d Device)称电荷耦合器件，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号。由于CCD的光谱灵敏度的限制，只能在可见光和近红外（1.2m以内）区能直接响应地物辐射来的电磁波。对于热红外区没有反应。但如果与多元列阵热红外探测器结合使用，则可使多路输出信号变成一路时序信号，因为它对电能的强度有响应。SPOT卫星上的HRV分成两种形式，一种是多光谱型的HRV,共分三个谱段，分别为：波段10.50.59m波段20.610.68m波段30.790.89ms每个波段的线阵列探测器组，由3000个CCD元件组成。每个元件形成的像元，相对

21、地面上为20m20m。因此一行CCD探测器形成的图像线，相对地面上为20m60km。每个像元用8bit对亮度进行编码。图3-13检测器元件的相互位置另一种是全色的HRV，它有6000个CCD元件组成一行。地面上总的视场宽度仍为60km，因此每个像元地面的大小为10m10m。编码采用相邻像元亮度差进行，以压缩数据量，由于相邻像元亮度差值很小，因此只需要6bit的二进制数进行编码。波段范围0.510.73m。为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排安装二台HPV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者之间有3km重叠，因此总的视场宽度为117km。如图3-15所示。相邻轨道间的间隔约为10

22、8km（赤道处），垂直地面观测时，相邻轨道间的影像约有9km重叠。这样共观测369圈，全球在北纬81.3和南纬81.3之间的地表面全部覆盖一遍。TM各波段的图像特征表3-2 通道波长范围m辐射灵敏度NE P%特征TM10.450.52(蓝)0.8这个波段的短波端相应于清洁水的峰值，长波端在叶绿素吸收区，这个蓝波段对针叶林的识别比Landsat-1,2,3的能力更强TM20.520.60(绿)0.5这个波段在两个叶绿素吸收带之间，因此相应于健康植物的绿色。波段1和2合成，相似于水溶性航空彩色胶片SO-224，它显示水体的蓝绿比值，能估测可溶性有机物和浮游生物TM30.630.690（红）0.5这

23、个波段为红色区，在叶绿素吸收区内。在可见光中这个波段是识别土壤边界和地质界线的最有利的光谱区，在这个区段，表面特征经常展现出高的反差，大气朦雾的影响比其它可见光谱段低。这样影像的分辨能力较好TM40.760.90（红外）0.5这个波段相应于植物的反射峰值，它对于植物的鉴别和评价十分有用。TM2与TM4的比值对绿色生物量和植物含水量敏感TM51.551.75(红外)1.0在这个波段中叶面反射强烈地依赖于叶湿度。一般地说，这个波段在对收成中干旱的监测和植物生物量的确定是有用的，另外，1.551.75m区段水的吸收率很高，所以区分不同类型的岩石，区分云、地面冰和雪就十分有利。湿土和土壤的温度从这个波

24、段上也很容易看出TM610.412.6（热红外）(NETK)0.5这个波段对于植物分类和估算收成很有用。在这个波段来自表面发射的辐射量，按照发射本领和温度（表面的）来测定，这个波段可用于热制图和热惯量制图实验TM72.082.35（红外）(NETK)2.0这个波段主要的价值是用于地质制图，特别是热液变岩环的制图，它同样可用于识别植物的长势图3-14 HRV扫描仪的结构原理图2、HPV的立体观测HRV的平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴(x)轴旋转，如图3-15所示。从而在不同的轨道间实现立体观测。平面镜向左右两侧偏离垂直方向最大可达27从天底点向轨道任意一侧可观测到450km附近的景物。这

25、样在邻近的许多轨道间都可以获取立体影像。在赤道附近，分别在七条轨道间可进行立体观测。由于轨道的偏移系数为5，所以相邻轨道差5天，也就是说，如果第一天垂直地面观测，则第一次立体观测要待到第6天实现。纬度45处轨道间距变小，因此重复观测的机会增多，这时可在11条轨道间进行立体观测。图 3-15 SPOT 卫星的HRV 扫描仪扫描过程立体图像的基线高度比在0.51.0之间。不同轨道间，对同一地区进行重复观测，除了建立立体模型，进行立体量测外，主要用来获取多时相图像，分析图像信息的时间特性，监视地表的动态变化。3.1.3 成像光谱仪（Imaging Spectrometer）目前国际上正在迅速发展的一

26、种新型传感器称为成像光谱仪，它是以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。通过将传统的空间成像技术与地物光谱技术有机地结合在一起，可以实现对同一地区同时获取几十个到几百个波段的地物反射光谱图像。成像光谱仪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。成像光谱仪按其结构的不同，可分为两种类型。一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪（图3-16），它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后，分别成像于面阵列的不同行。这种仪器利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列探测器

27、及沿轨道方向的运动完成空间扫描，它具有空间分辨率高（不低于1030m等特点，主要用于航天遥感。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪（图3-17），它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别成像于线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运行完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。图3-16带面阵的成像光谱仪图3-17带线阵的成像光谱仪目前机载成像光谱仪已具备288个通道。各通道波段宽度较窄，波谱分辨力要求在10nm以下，甚至是接近于连续的光谱分辨力。其空间分辨力也较高，在10m以内。在这种情况下，它与一般的像面扫描仪（如SPO

28、T上的HRV）或物面扫描仪（如Landsat上的MSS和TM）相比，要有更高的技术要求。一是集光系统要求尽量使用反射式光学系统，并且要求具有消去球面像差、像散差及畸变像差的非球面补偿镜头的光学系统。二是分光系统，使用目前的分色滤光片和干涉滤光片已行不通。必须使用由狭缝、平行光管、棱镜以及绕射光栅组成的分光方式，绕射光栅能对由光导纤维导入的各波谱带的入射光进行高精度的分光，能用于从紫外至红外范围，绕射光栅可用全息技术精确制作。三是探测器敏感元件，要求由成千上万个探测元件组成的线阵，并且能够感受可见光和红外谱区的电磁波。图3-18 是机载成像光谱仪结构图图中，前置光学系统是由M1和M2构成的Schwarzschild型望远镜。光谱仪由反射镜M3、M4和衍射光栅组成。