第三章 传感器及成像原理

本章主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 扫描成像类传感器红外/MSS/TM/ETM+/HRV雷达成像类传感器真实孔径/合成孔径/侧视/相干雷达第三章传感器及成像原理1/25传感器是获取遥感数据的关键设备（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。可具体按下面分类§3.1传感器结构及分类—传感器的分类2/253/254/25传感器的四个组成部分：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、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、彩色喷墨仪等等。§3.1传感器结构及分类－传感器的构成5/25扫描成像类型的传感器是逐点逐行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，特点是对地面直接扫描成像，这类仪器有红外扫描仪、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。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CCD推扫式成像仪，电视摄像机。§3.2扫描成像类传感器－概述6/25具体结构：旋转扫描镜反射镜探测器制冷设备电子处理装置输出装置。§3.2扫描成像类传感器－红外扫描仪7/25扫描成像过程：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。§3.2扫描成像类传感器－红外扫描仪8/25§3.2扫描成像类传感器－红外扫描仪红外扫描仪的分辨率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，其形成的原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随θ角发生变化而致。热红外像片的色调特征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。9/2510/2511/25MSS（MultispectralScanner）多光谱扫描仪。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。§3.2扫描成像类传感器－MSS多光谱扫描仪12/25扫描仪的结构扫描反射镜作用：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。反射镜组作用：将扫描镜反射进入的地面景物聚集在成像面上。成像板作用：将成像面上接收的能量传递到探测器上去。探测器作用：将辐射能量转变成电信号输出。§3.2扫描成像类传感器－MSS多光谱扫描仪13/25成像过程扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为915km，因此扫描瞬间每个像元的地面分辨力为79m×79m，每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474m×79m。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474m×185km。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§3.2扫描成像类传感器－MSS多光谱扫描仪14/25分解为三个过程：瞬间/1个扫描周期/一景15/25MSS产品有以下几种类别：粗加工产品：经过了辐射校准（系统噪声改正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记（28.6秒390次扫描分一幅）。加工产品:在粗加工的基础上，用地面控制点进行了纠正（去除了系统误差和偶然误差）。特殊处理产品。§3.2扫描成像类传感器－MSS多光谱扫描仪16/25Landsat-4/5上的TM（ThematicMapper）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。特点：1、TM中增加一个扫描改正器。2个作用2、TM的探测器共有100个，分七个波段。3、探测器每组16个，呈错开排列。§3.2扫描成像类传感器－TM专题制图仪17/25成像过程瞬间（30m*480m）一个周期（480m*185km）一景（185km*185km）§3.2扫描成像类传感器－TM专题制图仪18/2519/25ETM+是一台8谱段的多光谱扫描辐射计。ETM+与TM相比在以下三方面作了改进：1、增加PAN（全色）波段，分辨率15m，因而使数据速率增加；2、采用双增益技术使远红外波段（6）分辨率提高到60m，也增加了数据率；3、改进后的太阳定标器使卫星的辐射定标误差小于5%，及其精度比Landsat-5约提高1倍。辐射校正有了很大改进。§3.2扫描成像类传感器－ETM+增强型专题制图仪20/25Landsat82013年2月11号，NASA成功发射了Landsat8卫星，为走过了四十年辉煌岁月的Landsat计划重新注入新鲜血液。LandSat-8上携带有两个主要载荷：OLI和TIRS。其中OLI（全称：OperationalLandImager，陆地成像仪）由卡罗拉多州的鲍尔航天技术公司研制；TIRS（全称：ThermalInfraredSensor，热红外传感器），由NASA的戈达德太空飞行中心研制。 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 使用寿命为至少5年。产品价格(LANDSAT-72003年7月1日执行)21/25一种对像面扫描的成像仪法国SPOT卫星上装载的HRV（HighResolutionVisiblerangeinstrument）是一种线阵列推扫式扫描仪。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。电荷耦合器件：CCD(ChargeCoupledDevice)，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。§3.2扫描成像类传感器－HRV线阵列推扫式扫描仪22/25成像原理瞬间－》连续图像条带§3.2扫描成像类传感器－HRV线阵列推扫式扫描仪23/25CCD的缺点:光谱灵敏度的有限，只能在可见光和近红外（1.2μm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。SPOT-4卫星上的HRV分成两种形式：1、多光谱型的HRV，共分四个谱段：绿波段0.50－0.59μm；红波段0.61－0.68μm近红外0.79－0.89μm；中红外1.58－1.75μm特点：每个像元的大小相对地面上为20m×20m。每个波段有3000个探测元件。一行图像，相对地面上为20m×60km。每个像元用8bit对亮度进行编码。§3.2扫描成像类传感器－HRV线阵列推扫式扫描仪24/252、全色的HRV，波段范围0.51—0.73μm。特点：一个像元大小为10m×10m；一行图像，相对地面上为10m×60km；6000个CCD元件组成一行；用6bit的二进制数进行编码。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。相邻轨道间的间隔约为108km（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。§3.2扫描成像类传感器－HRV线阵列推扫式扫描仪25/25本节内容微波遥感发展历程雷达一般结构真实孔径雷达（RAR,Realapertureradar）合成孔径雷达（SAR,syntheticapertureradar）干涉雷达（INSAR,interveneSAR）本节重点雷达成像特点INSAR测高原理§3.3雷达成像仪1/20上世纪50年代，美军方侧视机载雷达（SLAR）1978年，美国Seaset海洋卫星1981年，美国航天飞机成像雷达（SIR）1991年，欧洲空间局欧洲遥感卫星（ERS1）1995年，ERS2发射。1995年，加拿大Radarset2000年2月11日，美国干涉雷达地形测图计划（SRTM:ShuttleRadarTopographyMission）2006年，日本ALOS-SAR§3.3雷达成像仪－微波遥感发展历程（1）2/20SRTM作用：美国国家测绘局（NIMA）联合美国国家宇航局（NASA）利用“奋进”号航天飞机历时222小时23分钟，获得了北纬60度到南纬56度之间的全部地球表面高精度三维地形地图，其精度是现有地图的30倍。SRTM仅用9天多的时间完成了人类在20世纪用100年时间才完成的全球70％地区的地形图测绘，这在科学技术史上是一大飞跃。SRTM目的：建造全球性的、高精度的、统一基准的数字地面高程数据库（DEM）。§3.3雷达成像仪－微波遥感发展历程（2）3/20组成：发射器、接收器、转换开关、天线、记录器原理：发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射。地物反射脉冲信号，也由转换开关控制进入接收机。接收的信号在显示器上显示或记录在磁带上。（雷达系统又是测距系统）§3.3雷达成像仪－雷达的基本介绍（1）4/20§3.3雷达成像仪－雷达的基本介绍（2）微波遥感特点1mm~1m的电磁波微波遥感使人们从一个完全不同于光和热的视角去观察世界，使用的是无线电技术。具体特点？微波波段的划分波段名称波长/cmKαKKuXCSLP0.75~1.131.13~1.671.67~2.422.42~3.753.75~7.57.5~1515~3030~1005/20原理：天线装在平台的侧面，发射机向侧向面内发射一束窄脉冲，地物反射的微波脉冲，由天线收集后，被接收机接收。由于地面各点到平台的距离不同，接收机接收到许多信号，以它们到平台距离的远近，先后依序记录。信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。回波信号经电子处理器的处理，在阴极射线管上形成一条相应于辐照带内各种地物反射特性的图像线，记录在胶片上。平台向前飞行时，对一条一条辐照带连续扫描，在阴极射线管处的胶片与平台速度同步转动，就得到沿航线侧面的由回波信号强弱表示的条带图像。§3.3雷达成像仪－真实孔径雷达（1）6/207/20真实孔径雷达原理图8/18§3.3雷达成像仪－真实孔径雷达（2）距离分辨率：在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离，它与脉冲宽度有关，可用下式表示：9/20距离分辨力与距离无关。若要提高距离分辨力，从式中看来，需减小脉冲宽度，但这样将使作用距离减小。为了保持一定的作用距离，这时需加大发射功率，造成设备庞大，费用昂贵。目前一般是采用脉冲压缩技术来提高距离分辨力。§3.3雷达成像仪－真实孔径雷达（3）10/20§3.3雷达成像仪－真实孔径雷达（4）方位分辨率是指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离。它与波瓣角β有关，这时的方位分辨率为：β－波瓣角；R－斜距；D－天线孔径；λ－波长要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。11/20§3.3雷达成像仪－真实孔径雷达12/20§3.3雷达成像仪－合成孔径雷达概念：用一个小天线作为单个辐射单元，将此单元沿一直线不断移动，在移动中的每一个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号合成孔径方位分辨率∆LS：结论：合成孔径雷达的方位分辨率为雷达天线实际孔径长度的一半，孔径越小，分辨能力越强，这与真实孔径雷达情况正好相反，而且与距离无关。13/20侧视雷达图像的几何特征侧视雷达图像在垂直飞行方向的像点位置是以目标的斜距来确定的，称为斜距投影。（1）垂直飞行方向的比例尺由小变大（2）朝向传感器的山坡影像被压缩，背向传感器的山坡被拉长§3.3雷达成像仪－合成孔径雷达14/20又称为干涉雷达、INSAR原理：利用SAR在平行轨道上对同一地区获取两幅（或两幅以上）的单视复数影像来形成干涉，进而得到该地区的三维地表信息。分类：距离向模式（双天线、基线与飞行方向垂直）方位向模式（双天线、基线与飞行方向平行）重轨模式（单天线重复轨道模式）§3.3雷达成像仪－相干雷达（1）15/20INSAR测高原理:假设飞行平台上同时架设了两部天线A1、A2，若由A1发射电磁波，A1、A2同时接收从目标返回的信号，天线相对位置如图所示。B为基线长度，θ为入射角，α为水平角,H为平台高度。§3.3雷达成像仪－相干雷达（2）16/2017/20§3.3雷达成像仪－相干雷达（3）处理INSAR步骤影像配准干涉图生成噪声滤除基线估算平地效应去除相位解缠高程计算生成DEM18/20传感器小结传感器所在卫星名称特性描述MSSLandset1-3物面扫描，4Band79×79，185×185TMLandset4-5物面扫描，7Band30×30，185×185ETM(+)Landset6-7物面扫描，8Band15×15（PAN）HRVSPOT1-5像面扫描，推扫式3Band，10×10117×117，立体观测Radar类SLAR/Seaset/SIR/ERS/SRTM/Radarset主动，全天候，穿透云层，测高（DEM）19/20本章作业20/201、归纳总结Landset1~8系列卫星的传感器及代表性指标。2、合成孔径雷达（SAR）的概念，与真实孔径雷达（RAR）相比，在距离分辨率和方位分辨率方面有何提高？3、绘图说明干涉雷达（InSAR）测量地面点高程的原理。