成像1

第七章扫描成像内容提要：扫描成像是遥感技术发展的方向之一，主要内容有：光学机械扫描成像，固体自扫描成像，高光谱成像光谱扫描。重点：电子扫描成像过程与原理，光机扫描成像过程，成像扫描仪分辨能力，像元的概念，电荷耦合器件CCD的结构、工作原理和成像机制。MSS高分辨率影像10米多光谱5米全色2.5米全色IKNOSQuickBird扫描成像：依靠探测元件和扫描镜对目标物以瞬时视场为单位进行的逐点逐行取样，从而得到目标地物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电能（电流、电压），或者是其他物理特性（体积、压力等）的变化，从而对物体进行探测,形成一定谱段图像。探测波段：包括紫外、可见光、红外、微波第三章扫描成像第一节光学机械扫描成像第二节固体自扫描成像第三节高光谱成像光谱扫描光机扫描仪的结构组成常见的光机扫描仪光机扫描仪的成像过程第一节光学机械扫描成像一、光机扫描仪的结构组成光机扫描仪全称光学机械扫描仪，它是借助于遥感平台沿飞行方向运动和遥感器本身光学机械横向扫描达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。光机扫描仪主要有红外扫描仪和多光谱扫描仪两种，光机扫描仪所搭载的平台有极轨卫星及飞机。美国陆地资源卫星Landsat上的多光谱扫描仪(MSS)，专题制图仪(TM)及气象卫星上的高分辨率辐射计(AVHRR)都属这类遥感器。光机扫描仪主要由收集器、分光器、探测器、处理器、和输出器等几部分组成。一、光机扫描仪的结构组成地物的红外辐射光学扫描系统分光器探测器氖灯成像光学扫描系统同步控制系统制冷磁带记录发送胶片电信号光信号一、光机扫描仪的结构组成1、收集器在航天遥感中常用透镜系统或反射镜系统作为光机扫描仪收集地面电磁波辐射信息的器件。可见光、近红外区透镜系统/反射镜系统热红外区反射镜系统一、光机扫描仪的结构组成2、分光器分光器的目的是将收集的地面电磁波信息分解成所需的光谱成分。常用的分光元器件有分光棱镜、衍射光栅和分光滤光片。●分光棱镜：依据物质折射率随波长变化的原理进行分光。一、光机扫描仪的结构组成2、分光器●衍射光栅：光线照射到光栅上会引起衍射，将光栅设计为使相邻光栅的衍射光的相位差为某波长的整数倍，则光栅在某方向的衍射光均为该波长的光，形成不同波长的衍射光分布在不同方向的现像，这种分光元件叫衍射光栅。一、光机扫描仪的结构组成2、分光器一、光机扫描仪的结构组成2、分光器●分光滤光片：能从某一光束中透射或反射特定波长的元件。从分光功能可分为三种形式：长波通滤光片、短波通滤光片和带通滤光片。一、光机扫描仪的结构组成3、探测器探测分光后的电磁波并把它变换成电信号的元件。扫描探测器的种类较多，按光电转换方式可分为三类：光电子发射型光激发载流子型热效率型一、光机扫描仪的结构组成3、探测器●光电子发射型探测器：利用某些材料在光照射下发出电子的特性制成的光电管。当光照射在光电管的阴极上时发出电子，在外电场作用下，电子流向光电管的阳极，在光电管的输出电路中形成电流，且电路中的电流强度与光照度成函数关系。一、光机扫描仪的结构组成3、探测器●光激发载流子型探测器：利用光激发载流子原理制成的探测器。探测元件有光电二极管、光电晶体管、光电导管、线阵列传感器等。分为：PC型—PC型元件是晶体结构，受到外来热辐射时在晶体内产生电子-空穴对，其数量与热辐射的强弱成正比关系。在外加电压的作用下，电子向阳极、空穴向阴极移动而形成电流。PV型—PV型元件的典型例子是前述的电视摄像机。一、光机扫描仪的结构组成3、探测器●热效应（PEM）型探测器：是一种热红外探测器，如热电耦探测器和热释电探测器，它把红外辐射能转换变成电能。热红外探测器必须在低温下工作，要有致冷装置。致冷的方法有：液化气体制冷、固体致冷剂制冷和辐射致冷器致冷。一、光机扫描仪的结构组成4、处理器从探测器出来的低电平信号，需放大和限制带宽。一般在探测器后面设置低噪声的前置放大器来进行这项工作。前置放大器随电子元件不同，分为真空管、晶体管和集成电路三种形式。前置放大器出来的视频信号可输往磁带机，将模拟信号记录在磁带上。如果需将信号记录在胶片上则需电光转换；如果要求输出信号为数字形式，则需模/数转换。一、光机扫描仪的结构组成5、输出器输出器种类也很多，输出形式主要有两种：●胶片：经电光变换线路来调制发光器件，发光器件上的光信号强度与视频信号强度一致。当胶片曝光时，数据就被记录下来。一、光机扫描仪的结构组成5、输出器●磁带：输出数据用磁带记录仪记录在磁带上。磁带记录的形式分模拟磁带和数字磁带两种。模拟磁带记录数据后形成的磁场强度与视频信号强度一致。数字磁带记录的是已采样、量化和编码了的数字数据。数字磁带分高密度数字磁带（HDDT）和计算机兼容磁带（CCT）两种。二、常见的光机扫描仪红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。二、常见的光机扫描仪多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个。二、常见的光机扫描仪MSS：多光谱扫描仪，只能单方向扫描。TM：专题制图仪，的扫描镜可在往返两个方向进行扫描和获取数据。三、光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的收集系统对空间形成一个很小的角度——瞬时视场角，在瞬时视场内的地物辐射能由旋转棱镜反射到反射镜组，经其反射，聚焦在分光器上，经分光器分光后分别照射到相应的探测器上。三、光机扫描仪的成像过程探测器将辐射能转变为视频信号——●显像管显示：经电子放大器放大和调整，在阴极射线管上显示瞬时视场的地面影像；●胶片记录：由视频信号控制灯的明暗，经显微镜头在底片曝光后记录下来；●数据磁带：视频信号经模／数转换器转换，变成数字的电信号，经采样、量化和编码，变成数据流，发送回地面记录。三、光机扫描仪的成像过程随着棱镜的旋转，镜面对地面横越航线（垂直于飞行）方向扫视一次，地面物体依次成像，形成一条影像线被记录下来。随着平台向前移动，扫描旋转棱镜依次对地面扫描，形成一条条相互衔接的地面影像，最后形成连续的地面条带影像（区域信息）。三、光机扫描仪的成像过程机械扫描成像使用的扫描系统多为抛物面聚焦系统—卡塞格伦光学系统，它将地物的电磁辐射聚焦到探测器。光学扫描系统的瞬时视场角很小，扫描镜只收集点的辐射能量，利用本身的旋转或摆动形成一维线性扫描，加上平台移动，实现对地物平面扫描，达到收集区域地物电磁辐射的目的。三、光机扫描仪的成像过程1、光学扫描过程瞬时视场角△θ：扫描系统在某一时刻对空间所张的角度。它由探测元件的线度δ与光学系统的总焦距f决定：△θ=δ/f像点：瞬时视场角在影像上对应的点，也叫像元或像素。三、光机扫描仪的成像过程1、光学扫描过程二、光机扫描仪的成像过程1、光学扫描过程●地面分辨率：瞬时视场角在地面上对应的距离——瞬时视场线度Ｄ，叫地面分辨率。根据弧长公式，可得出不同位置和方向的分辨率：垂直投影点分辨率：Ｄ0＝△θ·Η飞行方向分辨率：Ｄｆ＝Ｄ0·Secφ扫描方向分辨率：Ｄｓ＝Ｄ0·Sec2φ●扫描角φ：机下扫描点与瞬时扫描点所形成的角度。三、光机扫描仪的成像过程1、光学扫描过程总视场角：光学扫描系统对目标扫描摆动的最大角度（φ0），也叫总扫描角，此角越大，每次运行覆盖的地面面积越大。每条扫描线所对应的地面长度L：L=2Htanφ0/2由公式可得：航高H越高，扫描线越长。三、光机扫描仪的成像过程2、探测过程扫描探测器将光学扫描系统收集来的辐射能转换成与辐射强度成正比例的电信号，即进行光电转换，这就是探测过程。自从探测器问世以来，其探测范围一直从短波向长波方向发展。VS=R·E·AVS：电压信号R：响应率E：照度A：探测器面积三、光机扫描仪的成像过程3、信号处理过程一般来说，从探测器输出的电信号是很弱的，无法直接利用。必须经过信号处理把它放大，限制带宽，再把这些足够的电信号进行电光转换，然后，送到终端的记录装置或显示器上。电光转换时通过一个小光源（氖灯）实现的。用放大的电信号去调节氖灯光源强度使它发出与电子信号成正比的可见光点。光点再经聚焦，被反射到信号记录系统去。三、光机扫描仪的成像过程4、信号记录过程最简单的扫描仪是直接用胶片记录的，过程是：由氖灯发出的可见光，经聚光透镜聚焦在经过与扫描镜同步旋转的记录镜，把这个会聚而成的很小光点，扫描到记录胶片上，因此信号记录系统也叫第二扫描系统（成像扫描系统）。随着扫描，胶片也移动，扫描仪对地面扫一条线，胶片上对应同步也扫一条线，这样随着飞行器向前移动，胶片同步拉动，物体的影像就被记录下来了。固体自扫描成像：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。固体自扫描又称电子光学型光谱扫描，它与其它扫描成像的区别是探测器系统是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice），比现行的光学机械扫描仪具有地面分辨率高、结构简单等特点。CCD的基本结构与工作原理CCD成像原理CCD探测器类型CCD成像的优势第二节固体自扫描成像一、CCD的基本结构与工作原理1、CCD的基本结构CCD（ChargedCoupledDevice）：又叫电荷耦合器，它是一种特殊的半导体材料，由大量独立的感光二极管组成，一般按照矩阵形式排列，相当于传统相机的胶卷。一、CCD的基本结构与工作原理2、CCD的工作原理CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG，Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。一、CCD的基本结构与工作原理2、CCD的工作原理CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG，Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。一、CCD的基本结构与工作原理2、CCD的工作原理CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在金属栅上加正向电压UG，Si中的电子被吸引到衬底和SiO2的交界面上，空穴被排斥，于是在电极下形成一个表面带负电荷的耗尽区。一、CCD的基本结构与工作原理2、CCD的工作原理二、CCD成像原理一维线陈列电荷耦合器件成像示意图三、CCD探测器类型根据探测单元的多少，CCD探测器可分为：单元探测器（点探测器）：由一个耦合单元（一位）组成的探测器，取得点信息影像，扫描形成一维影像（线），加上平台的运动得到二维影像。多元线阵列探测器：n个耦合单元排成一列的探测器，自身扫描或随着平台运动可得到二维影像。多元阵探测器：n个耦合单元排成一个方阵，直接得到二维影像，相似于摄影机感光胶片成像。四、CCD成像的优势突破了光/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。固体自扫描：应用CCD多元阵列探测器同时扫描，可解决这一问题。所采用的探测元件数目越多，体积愈小，分辨率越高。思考题（第三章）1、以MSS说明光机扫描成像的过程。2、简述固体自扫描成像的原理。