传感器详解

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1、本章提要() 第一节 传感器 第二节 遥感数据的分辨率 第三节 航空遥感数据 第四节 地球资源卫星数据 第五节 海洋卫星数据 第六节 气象卫星数据,第三章 遥感数据,本章主要介绍获得遥感数据的工作原理与传感器类型, 几种常用遥感数据及特点。,3.1 传感器,本节主要内容： 一、传感器的定义和功能 二、传感器的组成 三、传感器的分类 四、摄影型传感器 五、扫描成像传感器 六、微波遥感传感器,下一节,传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具（电磁波特性的仪器）。 它的性能决定遥感的能力，即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。

2、,一、传感器的定义和功能,返回,不论那一种遥感器，都有以下4个部分组成： 收集器：收集地物辐射来的能量。 类型：透镜组、反射镜组、天线等 探测器：将收集的辐射能转换为化学能或电能。 举例：CCD、摄影感光胶片 处理器：对收集的信号进行处理。 类型：摄影处理装置、电子处理装置 输出器：输出获取的数据。 举例：磁带记录仪、扫描晒像仪等,二、传感器的组成,返回,（1）按照记录方式分类 a）非成像方式：探测到地物辐射强度按照数字或者曲线图形表示。 如：辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。 b）成像方式： 地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用图像方式表示。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。 可

3、分为3类： 摄影成像类型（光学/电成像类型） 扫描成像类型（光电成像类型） 微波成像类型（雷达成像类型）,三、传感器的分类,（2）根据工作方式的不同，可以分为2类： a）主动式：人工辐射源向目标地物发射电磁波，接收其后向散射信号来实现对地观测遥感方式。 如：雷达、侧视雷达、微波散射计等 b）被动式：接收自然界地物所辐射的能量。 如：航空摄影机、多光谱扫描仪（MSS）、 专题制图仪（TM）、ETM、高分辨率可见光传感器（HRV）、微波辐射计、红外辐射计等.,三、传感器的分类,返回,航空摄影机：是空中对地面拍摄像片的仪器，它通过光学系统采用胶片或磁带记录地物的反射光谱能量。记录的波长范围以可见光近

4、红外为主。 摄影成像原理：通过成像设备获取物体影像的技术。 摄影成像类型 摄影方式 传统摄影：依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像。 数字摄影：通过放置在焦平面的光敏元件，经光/电转换，以数字信号来记录物体影像。 探测波段：近紫外摄影、可见光摄影、红外摄影、多光谱摄影,四、摄影型传感器, 常见摄影机：分幅式摄影机、全景式摄影机、 多光谱摄影机、数码摄影机 特点 1) 历史悠久、较为完善、使用广泛。 2) 信息量大、分辨率高 3) 受到感光剂的限制，感光范围0.291.10微米，而且只能在晴朗的白天工作。,四、摄影型传感器,航空摄影机外观,2）航空摄影机内部构造,3）彩色红外照相机

5、,返回,扫描成像原理：依靠探测元件和扫描镜对目标物以瞬时视场为单位进行逐点逐行取样，从而得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。 探测波段：紫外、可见光、红外、微波。 成像方式：光/机扫描成像、固体自扫描成像、高光谱成像光谱扫描,五、扫描成像传感器,光/机扫描仪：用光学系统接收来自目标地物的辐射，并分成几个不同的光谱段，使用探测仪器把光信号转变为电信号，同时发射信号回地面，如MSS、TM等。 扫描方式：在扫描仪前方安装光学镜头，依靠机械传动装置使镜头摆动，形成对目标地物的逐点逐行扫描。 探测元件的选择依据目标地物电磁波特性和大气窗口来确定。 进行不同波段的探测，需采用不同的扫描探测元

6、件 扫描图像的物理特征取决于其所采用的探测元件的波段响应。 举例： 一般地物：T300K，max10m 选响应波段为814m探测元件 森林火灾：T800K，max3.5m 选响应波段为35m探测元件,光/机扫描成像,光/机扫描图像的几何特征取决于： 瞬时视场角（2）：扫描镜在旋转的一瞬间，接收到的目标物电磁辐射限制在一个很小的角度之内，这个角度就称为瞬时视场角。 总视场角/总扫描角（2）：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角。 总视场L：扫描带的地面宽度。L=2Htg 注1：总视场角不能太大，否则图像边缘畸变太大，在航空遥感中， 270120 注2：由于扫描仪的扫描角是固定的，H，L。 光/

7、机扫描仪可分： 单波段光/机扫描仪 多波段光/机扫描仪：多了一个分光过程，工作 波段范围很广。,光/机扫描成像,固体自扫描成像,（1）扫描方式：用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描。 （2）优势：突破了光/机扫描仪对可供选择的探测器有很大限制的缺点。 光/机扫描仪：要立即测出每个瞬时视场的辐射特征，就要求探测元件的响应速度足够快。 举例：在1/20s内扫描完一幅含512512个像元的图像探测元件在每个瞬时视场的停留时间只有1/20512512=1.910-7,约 0.2s则要求探测元件的响应时间至少要0.2s的1/3。,固体自扫描成像,固体自扫描：应用CCD多元阵列探测器同时

8、扫描，可解决这一问题。 举例：光/机扫描中，一个探测元件对一幅图像要扫描512条线固体自扫描中，用一竖列的10个探测元件同时扫，每个元件只扫51条线，则在瞬时视场的停留时间为2s。若用一竖列的512个探测元件同时扫，只要一次自扫描即可，像刷子刷过一样。此时，CCD探测元件与地面上的像元（瞬时视场）相对应，靠遥感平台前进运动就可直接以刷式扫描成像。 所采用的探测元件数目越多，体积愈小，分辨率接越高。越来越多的扫描仪采用CCD元件阵列或面阵，以代替光/机扫描系统。,高光谱成像光谱扫描,成像光谱 多光谱扫描仪将可见光和红外波段分割成若干波段，在一定波长范围内，被分割成的波段数愈多（即波谱取样点愈多）

9、，愈接近于连续波谱曲线，因而使得扫描仪在取得目标物图像的同时，也能获取该地物的光谱组成。 这种既能成像又能获取目标。 光谱曲线的 “谱像合一”技术才称为成像光谱技术按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。,高光谱成像光谱扫描,高光谱成像技术 遥感进展中的新技术，其图像由多达数百个波段的非常窄的连续光谱段组成（常用的多光谱扫描仪只有几个十几个波段），光谱覆盖了可见光、近红外、中红外、远红外区域全部光谱段，其光谱仪成像多采用扫描式或推扫式，可以收集200以上波段的数据，所的图像中每一个像元均能得到连续的反射率曲线（而传统的光谱仪在波段之间存在间隔）。 高光谱成像光谱仪工作方式 （掸扫式光/机）：主要用

10、于航空遥感中，较慢的飞行速度是空间分辨率的提高成为可能。 推扫式：有多少个波段就有多少个探测元件。由于像元的摄影时间长，系统的灵敏度和空间分辨率的提高完全可以实现。,返回,主动微波遥感() 雷达 侧视雷达 真实孔径侧视雷达 合成孔径侧视雷达 被动微波遥感（),是指通过向目标地物发射微波并接受其后向辐射信号来实现对地观测的遥感方式。主要传感器为雷达，此外还有微波高度计和微波散射计。,是指通过传感器，接受来自目标地物发射的微波，而达到探测目的的遥感方式。被动接受目标地物微波辐射的传感器为微波辐射计，被动探测目标地物微波散射特性的传感器为微波散射计。,六、微波成像传感器,雷 达,雷达（Radar）意

11、为无线电测距和定位。其工作波段都在微波范围,少数也利用其他波段。 按照雷达的工作方式可分为：成像雷达和非成像雷达。成像雷达中又可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达。 雷达是由发射机通过天线在很短的时间内，向目标地物发射一束很窄的大功率电磁波脉冲，然后用同一天线接收目标地物反射的回波信号而进行显示的一种传感器。,简单脉冲雷达的工作原理, 分类 工作波段：微波雷达（多数），红外雷达（少数）， 激光雷达（少数） 资料形式：非成像雷达，成像雷达 天线结构： 真实孔径侧视雷达（RAR)和(合成孔径侧视雷达SAR) 原理多普勒效应；极化；衍射,BACK,侧视雷达,侧视雷达的天线与遥感平台的运动方向形成

12、角度，朝向一侧或两侧倾斜安装，向侧下发射微波，接收回波信号（包括振幅、位相、极化）。 侧视雷达工作原理（参考遥感导论教材P.75图3.21)。 侧视雷达的分辨率可分为：距离分辨率（垂直于飞行的方向）和方位分辨率（平行于飞行的方向）。,BACK,真实孔径侧视雷达,工作机理：和普通雷达基本一致，不同之处为天线装载遥感平台的一侧或者两侧，能够斜视航线的外部地面。记录地物的回波强度（振幅、相位和偏振），形成明暗不同的线条。 侧向扫描：通过测距实现 航向扫描：通过胶片移动与平台运动同步获得。 距离分辨率（射向分辨率）：在脉冲发射方向上，能够分辨两个目标的最小距离。与脉冲宽度有关,距离分辨率,方位分辨率,

13、相邻两束脉冲之间，能够分辨两个目标的最小距离。 与波瓣角（ ）有关。,波瓣的宽度与距离成正比，则方位分辨率, 方位分辨率,理论上，发射波长越短，天线孔径越大，距离目标地物越近，则方位分辨率越高，反之越低。 d，飞行器和卫星均不能装置很长的天线 R，降低观测效率，超出微波范围，进入红外或可见光 所以，提高方位分辨率常用两种方法：脉冲压缩技术（），合成孔径技术。,BACK,合成孔径侧视雷达是利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达。 遥感平台在匀速前进运动中，以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同的位置上接收回波信号，并记录和储存下

14、来。,合成孔径侧视雷达,合成孔径侧视雷达,原理：用一根小天线作为发射辐射单元，将此辐射单元沿一直线运动，在运动中选择若干位置并发射信号、接受回波信号并记录（振幅和相位）。当辐射单元移动一段距离Ls 后将储存的信息对同一目标不同强度的信号进行叠加，效果相当于一根长天线。,方位分辨率：,Ls的最大值：,举例比较：,注：得到的是相干影象，不是地面的实际记录，必须经过处理才能得到实际地面影象。,条件：,= 4 cm d = 8 m R = 400 km,真实孔径雷达 ，方位分辨率= 2 km,合成孔径雷达 ，方位分辨率= 4 m,BACK,TM扫描原理,扫描轨迹,TM的扫描镜可在往返两个方向进行扫描和获取数据（MSS只能单方向扫描）。,