遥感原理与应用-第3章

第三章遥感传感器及其成像原理内容提纲扫描成像类传感器雷达成像仪传感器分类•摄影类型的传感器•扫描成像类型的传感器•雷达成像类型的传感器•非图像类型的传感器3.1扫描成像类传感器•对物面扫描的成像仪–对地面直接扫描成像（红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪）•对像面扫描的成像仪–瞬间在像面上先形成一幅影像，然后对影像进行扫描成像（线阵列CCD推扫式成像仪）•成像光谱仪–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3.1.1对物面扫描的成像仪•红外扫描仪•MSS多光谱扫描仪•TM专题制图仪•ETM+增强型专题制图仪红外扫描仪扫描成像过程•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，由刈幅的一边到另一边依次进人传感器，•经探测器输出视频信号，•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。红外扫描仪的分辨率红外扫描仪的瞬时视场fdd：探测器尺寸（直径或宽度）；f:扫描仪的焦距红外扫描仪垂直指向地面的空间分辨率HfdHa0H:航高在仪器设计时已经确定，所以对于一个使用着的传感器，其地面分辨率的变化只与航高有关。航高大，a0值自然就大，则地面分辨率差。0a：扫描角0H：航高0：地面分辨率0a0：平行于航行方向地面分辨率seccos00HHHsec0aHa：垂直于航行方向地面分辨率20secsecaaa全景畸变•由于地面分辨率随扫描角发生变化，使红外扫描影像产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，形成原因是像距保持不变，总在焦面上，而物距随扫描角发生变化所致。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率为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taWW为飞机的地速aWt：将出现扫描漏洞aWt：将出现扫描重叠HaWttHW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，不出现条纹图像热红外像片的色调特征4TW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。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。热红外像片中飞机巳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，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。MSS多光谱扫描仪•陆地卫星上的MSS（MultispectralScanner）•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。扫描反射镜•扫描反射镜是一个表面镀银的椭圆形的铰反射镜，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。成像板•成像板上排列有24＋2个玻璃纤维单元，按波段排列成四列，每列有6个纤维单元，每个纤维单元为扫描仪的瞬时视场的构像范围，由于瞬时视场为86μrad，而卫星高度为915km，因此它观察到地面上的面积为79mx79m。mradKM7986915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单元的个数相同，所使用的类型与响应波长有关，•MSS4-6采用18个光电倍增管，•MSS-7使用6个硅光电二极管，•Landsat2,3的MSS8采用2个汞钢筛热敏感探测器。•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。MSS成像过程•扫描仪每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为915km，因此扫猫瞬间每个像元的地面分辨率为79mx79m，每个波段由6个相同大小的探测单元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小为474mx79m。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6条扫描线图像，其地面范围为474mx185km。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。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9.958μs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56mx79m（Landsat为68mx83m）。采样后对每个像元（每个信道的一次采样）采用6bit进行编码,24路输出共需144bit，都在9.958μS内生成，反算成每个字节（6bit）所需的时间为0.3983μS（其中包括同步信号约占0.3983μS)，每个bit为队0.0664μS，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。smsKMm958.933/18556MSS产品•粗加工产品，它是经过了辐射校准（系统噪声改正）、几何校正（系统误差改正）、分幅注记（28.6s扫描390次分一幅）。•精加工产品，它是在粗加工的基础上，用地面控制点迸行了纠正（去除了系统误差和偶然误差)•特殊处理产品。TM专题制图仪TM成像过程TM各波段特征ETM+增强型专题制图仪波段号类型波谱范围/um地面分辨率1Blue-Green0.450-0.51530m2Green0.525-0.60530m3Red0.630-0.6930m4NearIR0.775-0.9030m5SWIR1.550-1.7530m6LWIR10.40-12.560m7SWIR2.090-2.3530m8Pan0.520-0.9015m3.1.2对像面扫描的成像仪•HRV——线阵列推扫式扫描仪像面扫描•用电子枪准确地瞄准靶极上的点并对靶面进行扫描(所以又称电子扫描成像为像面扫描成像)。靶面上点从电子束中摄取电子，使靶极达到零电位。从电子枪中射出的电子束的电子数目是固定不变的，但靶面各点吸收电子的数目却因各点的电位高低而不同，返回的剩余电子数形成了图像信号，即图像的亮点，使靶面上对应点的电位高，则从电子束中吸收的电子数就多，剩余返回的电子数少；反之，电子数多。于是，返回电子数的多少就反映了图像上各点的暗亮程度。立体观测方式•HRV–平面反射镜可绕指向卫星前进方向的滚动轴(x)轴旋转，从而在不同的轨道间实现立体观测•HRG–通过侧摆可在不同轨道上形成异轨立体•HRS–由前视后视相机组成，形成同轨立体3.1.3成像光谱仪•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•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。两类成像光谱仪面阵探测器加推扫式扫描仪线阵列探测器加光机扫描仪光学机械扫描（多波段扫描仪）电子束扫描（反束光导管摄像机）CCD（电荷耦合器件）非图像方式（主动式和被动式）雷达高度计合成孔径雷达微波辐射计红外辐射计…摄影法宽波段摄影多波段摄影被动方式图像方式遥感技术扫描法主动方式侧视雷达激光雷达推扫式CCD传感器（SPOT）框幅式摄影机（传统摄影测量用）光机扫描摄影机（TM、MSS）三种常用航空航天遥感（被动）传感器3.2雷达成像仪•特点–主动式遥感–雷达信号（距离、方位、相对速度、反射特性）–穿透特性•分类–真实孔径雷达–合成孔径雷达–相干雷达–激光雷达•雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂函数。•系统参数：–雷达波的波长–发射功率–照射面积和方向–极化等•地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等PolarizationPolarization•TransmitReceiveTogether•VHVH•HVHV•VVVV•HHHH3.2.1真实孔径雷达真实孔径雷达分辨率sec2cRr地距分辨率：2cRd斜距分辨率：：脉冲宽度：俯角RDRRΒ：波瓣角；R：斜距。λ：波长成正比D:天线孔径3.2.2合成孔径雷达•基本思想：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。在移动中选择若干个位置，在每个位置上发射一个信号，接收相应发射位置的回波信号贮存记录下来。存贮时同时保存接收信号的幅度和相位。比较•真实孔径雷达天线的长度是实际长度，雷达波的发射和接收都是以其自身有效长度的效率直接反映到显示纪录中；合成孔径雷达用一个小天线作为单个辐射单元，记录每个反射信号。•真实孔径天线在一个位置上接收目标的回波；合成孔径天线是在不同位置上接收同一地物的回波信号。•真实孔径天线接收目标回波后，好像物镜那样聚合成像；合成孔径天线对同一目标的信号不是在同一时刻得到，在每一个位置上都要记录一个回波信号。SAR的方位分辨率RLRss合成后天线孔径为：RDRLsSAR方位分辨率：DRs由于双程相移：2/DRs合成孔径雷达的方位分辨力与距离无关，只与实际使用的天线孔径有关方位分辨率定义：kmkmmcmRDR240084mmDRs42823.2.3侧视雷达图像的几何特征•斜距投影侧视雷达图像在垂直飞行方向（y）的像点位置是以飞机的目标的斜距来确定，称之为斜距投影。图像点的斜距算至地面距离为：22cosHRrG几何特点•垂直于飞行方向的比例尺•变形——压缩与拉长•高差产生的投影差•雷达立体图像的构像特点垂直于飞行方向的比例尺cbcbabBCbcmABabmcos1cos1表示为：cos1m考虑到实测的斜距是按比例尺缩小为影像，因此在侧视方向上的比例尺为：cos11rmmyφ→0°，比例尺大φ→90°，比例尺小变形—压缩与拉长造成山体前倾，朝向传感器的山坡影像被压缩,而背向传感器的山坡被拉长，与中心投影相反。还会出现不同地物点重影现象。地物点AC之间的山坡在雷达图像上被压缩，在中心投影像片上是拉伸，CD之间的山坡出现的现系正好相反。地物点A和B在雷达图像上出现重影，在中心投影像片中不会出现这种现象。GeometricDistortionsinRADARa.b.C-bandERS-1depressionangle=67?lookangle=23?L-bandJERS-1depressionangle=54?lookangle=36?lookdirectionc.d.X-bandAerialPhotographlookdirectionN高差产生的投影差高差产生的投影差与中心投影影像投影差位移的方向相反，位移量也不同。PPhRR0hHhRRPPh2220h时，大于0，反之为负。投影差改正：hPPRR0h雷达立体图像的构像特点•从不同摄站对同一地区获取的雷达图像也能构成立体影像。由于是侧视，所以同一侧或异侧都能获取和构成立体