第6章扫描成像

遥感原理与方法RS第6章扫描成像遥感原理与方法RS第6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，本章内容包括扫描探测器工作原理，电子扫描成像电视，光学机械扫描成像，固体自扫描成像。讲授重点：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。遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●响应率响应率是到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压，即输出电压与输入辐射能量之比，表达式是：Ｒ＝Ｖｓ／φＶｓ：输出电压(伏)，φ：输入的辐射能量(瓦)第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●响应波长范围光谱响应曲线：探测器的响应率与入射辐射的波长之间的关系曲线。峰值波长：最大响应率所对应的波长λp截止波长：响应率下降到峰值一半所对的波长λc1、λc2，探测器的使用波长λc1—λc2。第6章扫描成像λc1Rλλc1λPλc2遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●噪声电压（Ｖn）探测器在工作时本身所固有的毫无规律、无法预测的随机电压起伏，叫噪声电压（Ｖn）。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●等效噪声功率（NEP）到达探测器的电磁辐射产生的输出电压正好等于噪声电压时的辐射量叫等效噪声功率（NEP），意思是它对探测器所产生的效果与噪声相等。NEP＝Ｖn／Ｒ＝Ｖn／（Ｖs／φ）要准确测定辐射信号的存在，入射辐射功率应为NEP的2～6倍。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●探测灵敏度D*D*是与NEP成反比的量，计算公式为式中：A为元件的面积，Δf为频带宽度，当元件面积为1cm2、频带宽度为1Hz、入射光功率为1W时，D*等于输出信号与噪声之比—信噪比（S/N）。第6章扫描成像NEPfA*D遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理①探测器主要性能参数●响应时间当一定能量的辐射突然到达探测器的敏感面上时，探测器的输出电压要经过一定的时间才能上升到与这一辐射通量相对应的稳定值；当辐射突然除去后，输出电压也要经过一定的时间，才能下降到辐射之前原有值。这一段时间就称为探测器的响应时间。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●物体导电机理物质由原子核和电子组成，电子成层分布在原子核周围，受核作用力吸引。离核远的电子，受核吸引力较小，与核结合较松，很容易受到相邻原子核的作用，脱离原来的原子，成为不属于某一个原子的电子—自由电子。金属物体自由电子浓度非常高，运动杂乱无章。但是，如果有外加电压作用于导体上，自由电子的运动就受到电场力的牵引，有一个顺电场作用力方向的加速运动，从导体的一端迁移到另一端。这就是导体传导电流的过程。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的导电机理—半导体晶体结构半导体的物体在组成晶体时，相邻的两个原子各以一个电子相结合—键合，形成属于这两个原子的一对键合电子。如果没有其它因素干扰，原子最外层的电子都分属于各对原子，没有自由电子，这时导电率为零(不导电)。当有干扰存在时，如温度变化，杂质的加入，就产生了自由电子，其浓度随温度、杂质的变化而变化。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的导电机理—温度影响第6章扫描成像+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的导电机理—杂质影响在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。第6章扫描成像N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的导电机理—杂质影响第6章扫描成像N型半导体+4+4+5+4多余电子磷原子掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的导电机理—杂质影响第6章扫描成像P型半导体P型半导体中空穴是多子，电子是少子。+4+4+3+4空穴硼原子遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的能带结构能带结构是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法。由原子结构已知，绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上，各有各的轨道。除非原子被激发，否则电子都占据着较低的能级。固体的原子靠得很近，由于量子作用的结果，单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带。能带之间被电子的禁带隔开。第6章扫描成像遥感原理与方法RS②半导体导电机理—半导体的能带结构第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的能带结构禁带：就是禁止电子存在的地带。能带看起来是连续的，但其能级仍是分开的，只是能量间隔很小，仅有10－14电子伏特。最高的能带是完全充满电子的，称为价带或满带；下一个较高的能带，不管是占据还是未占据有电子，都称为导带，只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的能带结构——导体：导带内没有被电子全部占满，并且禁带很窄，所以各能级上的电子在电场作用下，可以发生跃过禁带的跃迁。——绝缘体：电子刚好占满价带中的全部能级，导带是空的，禁带很宽，价带中的电子不可能获得足够的能量升到导带中去。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的能带结构——半导体：介于导体和绝缘体之间，禁带较窄，在室温条件下，某些价电子就能获得足够的能量，跃过禁带到达导带，这些电子原来占据的位置成了空穴。存在电场时，空穴会像电子一样流过材料，而与电子流动的方向相反。——本征半导体：不含杂质的半导体——非本征半导体：掺有杂质的半导体第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理②半导体导电机理●半导体的能带结构光电导：在入射光子的能量大于禁带宽度E条件下，用辐射照射半导体产生截流子，从而增加半导体的导电率的过程，称为光电导，hν≥Ｅ。截止波长：根据电磁辐射理论，产生光电导的辐射存在的波长界限。为λc≤１.24／Ｅ式中Ｅ用电子伏特表示，λc用微米，所以要增大截止波长，必须减少禁带宽度，减小的方式主要是降低半导体的温度和掺入少量杂质两种。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理扫描探测器，根据其探测过程的物理机制，可分为光子或电子探测器、热探测器与气动型探测器三类。●光子或电子探测器——光电探测器——光电导探测器——光生伏打探测器——光磁电探测器第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——光子或电子探测器光电探测器根据光电效应，由金属材料制成的探测器称光电探测器。光电效应的产生，取决于材料表面的脱出功A和入射光的频率υ截止波长：λｃ＝1.24／Ａ，碱金属Ａ最低，如铯：1.9伏。λｃ＝0.65μｍ，金属化合物的Ａ更低，使得λｃ变大。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——光子或电子探测器光电导型探测器根据光电导现象，由半导体材料制成的探测器称光电导型探测器。目前做成的光电导型红外探测器的半导体有：硫化铅、砷化铟、锑化铟、碲镉汞，以及锗(硅)掺杂等。截止波长：λｃ＝1.24／Ｅ，Ｅ禁带宽度。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——光子或电子探测器光生伏特型探测器根据光生伏特效应由Ｐ－ｎ结半导体材料制成的探测器，称光生伏特型探测器。在该探测器中入射辐射必须能激发出电子—空穴对。从目前的工艺水平看光导型和光伏型两类探测器所达到的探测基本相同，光导型的与响应时间成正比，而光伏型的则与时间无关，所以后者的响应时间可以很短，增加了可能使用的范围。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理●光热效应与热敏类探测器利用光热效应原理做成的探测器称做热敏类探测器，与遥感关系密切的主要有两类：——热敏电阻型探测器——热释电型探测器第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——热敏类探测器热敏电阻型探测器辐射照射产生的热效应，引起半导体电阻的改变，从而把入射的辐射能量转变成输出电压，据此而制造的探测器，称为热敏电阻型探测器。热敏电阻受到辐射照射，温度升高，进而引起电阻改变，随着照射进行，温度达到稳定值，电阻也随之达到一个稳定值。半导体电阻的改变，就引起电路中输出电压的改变，它反映了入射辐射能量的大小。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——热敏类探测器热释电型探测器电极化：电介质在外加电压的情况下，内部带电粒子受电场力的作用，正电荷趋向阴极，负电荷趋向阳极，结果使电介质的一个表面带正电，相反表面带负电，这种现象称电极化。自发极化：产生电极化的电介质，电压除去后仍保持着极化状态的叫铁电体，这种极化称自发极化，其极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减弱，升高到一定温度，自发极化消失，这个温度叫“居里温度”。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.1扫描探测器工作原理③扫描探测器工作原理——热敏类探测器热释电型探测器在居里温度以下，利用极化强度与温度的关系，制成的探测器——热释电型探测器。工作原理：辐射照射到已极化好的铁电体上，引起温度升高，表面电荷减少，相当于“释放”了一部分电荷，释放的电荷用放大器转变成输出电压。表面温度升高到新的平衡值后，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，没有信号输出。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像第6章扫描成像电子扫描成像的基本原理是：物体反射光经透镜聚焦后，进入摄像管，摄像管把得到的影像转换成电信号，用超短波无线电传送出去，以接收天线电信号进入显像管，通过显像管在荧光屏上重显影像，或者是用磁带记录下来。现代电视摄像机是电子扫描成像的典型代表。遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像①电视摄像机基本构造电视摄像机是像面电子扫描成像传感器。与摄影机一样，利用物镜构像，把影像聚焦在光导靶上，利用电子枪对靶面的扫描提取影像信息。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像②电子扫描成像过程聚焦——摄像——传送——显像景物—光学影像—电子像—电位像—电子数量第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像②电子扫描成像过程●聚焦过程电子扫描成像使用透镜聚焦。物体反射光线经过滤色镜、透镜，在焦平面上形成倒立的光学实像，进入摄像系统。透镜有定焦距的物镜，也有变焦距的物镜。滤色镜的作用，主要是获得分波段的信息资料。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像②电子扫描成像过程●摄像过程摄像过程主要用摄像管进行，以反束光导摄像管为例来阐述其原理。反束光导摄像管前壁是光电阴极，进入系统的光像到达光电阴极后，产生光电效应，由光子激发出电子来，各点发出来的电子数目正比于光像的光照强度，在光电阴极上形成电子密度像。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像②电子扫描成像过程——摄像过程激发电子穿过金属栅栏打到靶极，靶极受高速电子的轰击产生二次电子发射。二次电子被金属栅网所捕获，靶极因逸出二次电子而带正电，形成电位像。靶上电位高处对应于景物的亮点，电位低处对应于景物的暗点。第6章扫描成像遥感原理与方法RS6.2电子扫描成像②电子扫描成像过程——摄像过程用电子枪准确地瞄准靶极上的点并对靶面进行扫描(又称像面扫描成像)。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数目是固