傳感器及其成像原理課件

第三章

遙感傳感器及其成像原理1可編輯課件PPT遙感傳感器（Sensor）

遙感傳感器是獲取遙感數(shù)據的設備，是遙感技術最核心的部分，直接用于測量地物的電磁波特性?！b感中“感”字的體現(xiàn)者2可編輯課件PPT傳感器一般結構收集器探測器處理器輸出器3可編輯課件PPT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(0.01微米~1毫米)微波(1毫米~1米)4可編輯課件PPT（4）按基本結構原理分：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5可編輯課件PPT掃描成像類型傳感器

逐點、逐行地以時序方式獲取二維圖像。一般利用光學波段，也可稱為光學傳感器。光學傳感器特性6可編輯課件PPT光學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(FieldofView)：視場，是傳感器能夠受光的范圍，決定成像的寬度；IFOV(InstantaneousFieldofView)：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7可編輯課件PPT紅外掃描儀1．掃描成像過程２．紅外掃描儀特性３．掃描線的銜接４．熱紅外像片的色調特征8可編輯課件PPT1、掃描成像過程旋轉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）經探測器輸出視頻信號，再經電子放大器放大和調制；（探測器、處理器）在陰極射線管上顯示出一條相應于地面掃描視場內的景物的圖像線，這條圖像線經曝光后在底片上記錄下來（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的二維條帶圖像。9可編輯課件PPT2、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；傳感器系統(tǒng)內噪聲等效溫度限制在0.1~0.5K之間;系統(tǒng)的溫度分辨率一般為等效噪聲溫度的2~6倍。探測器的響應率傳感器系統(tǒng)內的噪聲10可編輯課件PPT垂直向下觀測時一般情況下，在設計儀器時已確定，所以的變化僅與H有關。11可編輯課件PPT傾斜觀測時12可編輯課件PPT因為，且它們隨掃描角變化而變化，所以紅外圖像上必然產生畸變。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。13可編輯課件PPT其中：為飛機的地速；為探測器地面分辨率；為旋轉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。14可編輯課件PPT4、熱紅外像片的色調特征熱紅外像片上的色調變化與相應地物的輻射強度變化成函數(shù)關系；與地物輻射強度有關的因素：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生較高的色調差別。15可編輯課件PPT多光譜掃描儀MSS（MultispectralScanner）TM（ThematicMapper）ETM（EnhancedThematicMapper）16可編輯課件PPTMSSMSS結構成像過程地面接收及產品17可編輯課件PPT1、MSS結構掃描反射鏡橢圓形、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?？色@取垂直飛行方向兩邊共185公里范圍內景物的輻射能量，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。能將輻射能變成電信號輸出。18可編輯課件PPT成像板19可編輯課件PPT2、成像過程掃描一次每個波段獲取6條掃描線圖像，對應地面范圍為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，掃描位置有向西移位現(xiàn)象。成像板上的光學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轉換），饋入天線向地面發(fā)送。20可編輯課件PPT21可編輯課件PPT3、地面接收及產品遙感數(shù)據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、模擬檢測系統(tǒng)、定時系統(tǒng)、信標塔等。22可編輯課件PPTMSS產品粗加工產品

經過輻射校準、幾何校正、分幅注記精加工產品

在粗加工的基礎上，用地面控制點進行了糾正特殊處理產品

根據用戶的要求做了一些特殊處理23可編輯課件PPT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；更高的輻射準確度和輻射分辨率。TM24可編輯課件PPTTM空間分辨率探測器100個探測器，分7個波段TM1~5、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25可編輯課件PPTTM波段選擇通道波長范圍（微米）特征TM10.45~0.52(藍)對針葉林識別能力強TM20.52~0.60(綠)與TM1合成，能顯示水體的藍綠比值，用來估測可溶性有機物和浮游生物TM30.63~0.69(紅)識別土壤邊界和地質界線的最有利的光譜區(qū)TM40.76~0.90(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TM51.55~1.75(紅外)可用來進行收成中干旱的監(jiān)測和植物生物量的確定；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TM610.4~12.6(熱紅外)用于植物分類，農作物估產，用于熱制圖和熱慣量制圖實驗TM72.08~2.35(紅外)用于地質制圖，特別是熱液變巖環(huán)制圖，還可用于識別農作物長勢26可編輯課件PPT輻射準確度和較高輻射分辨率是定量遙感的基礎。掃描儀內設有一個白熾燈，用來作可見光和近紅外波段的標準源；TM6用黑體源作為校正源。每個像元的亮度值用8bit編碼。27可編輯課件PPTETM+對TM的改進:增加了一個分辨率為15米的PAN波段（0.5~0.9微米);使TM6的分辨率提高到60米;改進后的太陽定標器使衛(wèi)星的輻射定標精度大大提高。28可編輯課件PPTHRV

（HighResolutionVisibleRangeInstrument）HRV的結構HRV的成像原理HRV立體觀測29可編輯課件PPTCCD——ChargeCoupledDevice，電荷藕合器件，可做可見光和近紅外波段的探測元件。30可編輯課件PPTHRV成像原理

SPOT衛(wèi)星上的兩種HRV：

多光譜型HRV全色HRV三個波段：波段10.5~0.59微米波段20.61~0.68微米波段30.79~0.89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20米x60公里,像元亮度用6bit進行差值編碼。波段范圍0.51~0.73微米CCD31可編輯課件PPT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。32可編輯課件PPTSPOT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。33可編輯課件PPTHRV立體觀測平面反射鏡可向左右兩側旋轉，最大角度達27度，從而實現(xiàn)傾斜觀測；軌道間立體觀測；通過軌道間重復觀測，可建立立體模型；可獲取多時相圖像。34可編輯課件PPT成像光譜儀

—高光譜遙感譜像合一空間成像技術地物光譜技術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系統(tǒng)，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35可編輯課件PPT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。36可編輯課件PPT線陣探測器+光機掃描利用點探測器收集光譜信息，經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。通過點掃描鏡在垂直于軌道方向的面內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。37可編輯課件PPT38可編輯課件PPT雷達成像類型傳感器利用波長1cm~1m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)39可編輯課件PPT雷達結構與工作原理發(fā)射機產生脈沖信號，由轉換開關控制，經天線向觀測地區(qū)發(fā)射；地物反射脈沖信號，也由轉換開關控制進入接收機，接收的信號在顯示器上顯示，或記錄在磁帶上。40可編輯課件PPT

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；以及目標參數(shù)如地物的復介電常數(shù)，地面粗糙等等。到目標的距離、方位與目標的相對速度目標的反射特性

雷達接收回波距離：回波強度：41可編輯課件PPT主要內容真實孔徑雷達合成孔徑雷達側視雷達圖像的幾何特征相干雷達42可編輯課件PPT真實孔徑側視雷達發(fā)射機向側向面內發(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近，先后依序記錄；信號的強度除與系統(tǒng)參數(shù)外，還與輻照帶內各種地物的特性、形狀、坡向等有關；回波信號經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:43可編輯課件PPT44可編輯課件PPT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，能分辨兩個目標的最小距離。

45可編輯課件PPT46可編輯課件PPT對分辨率的討論：距離分辨率距離分辨率與距離并無關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來改善方位分辨率47可編輯課件PPT合成孔徑雷達

（SyntheticApertureRadar）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形似；每個信號由于目標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，需經處理后，才能恢復地面的實際圖像。48可編輯課件PPT49可編輯課件PPT50可編輯課件PPT51可編輯課件PPT52可編輯課件PPT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后例：若天線孔徑為8m，波長為4cm，目標與飛機間的距離為400km53可編輯課件PPT側視雷達圖像的幾何特征斜距投影54可編輯課件PPT

幾何特征

1、比例尺:垂直飛行方向(y)的比例尺由小變大。55可編輯課件PPT2、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56可編輯課件PPT3、高差產生的投影差與中心投影差位移的方向相反，位移量也不同。57可編輯課件PPT4、雷達立體圖像的構像特點兩種立體成像方式：同側獲取立體像對異側獲取立體像對58可編輯課件PPT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將由雷達影像復數(shù)據推導出的雷達信號的相位信息作為信息源，利用這些相位信息提取地表的三維信息。通過安裝在運動平臺上的雷達天線不斷地發(fā)射脈沖信號，接收它們在地面的回波信號，經信號的成像處理形成二維SAR影像