第3章 遥感传感器及其成像原理3.1.doc

第3章遥感传感器及其成像原理§3.1扫描成像类传感器
遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，就其基本结构原理来看，目前遥感中使用的传感器大体上可分为如下一些类型：（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。
无论哪种类型遥感传感器，它们都由如图3-1所示的基本部分组成：

图3-1遥感传感器的一般结构
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、XY彩色喷笔记录仪等等。
§3.1扫描成像类传感器
扫描成像类型的传感器是逐点逐行地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，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、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等；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，电视摄像机等。
3.1.1对物面扫描的成像仪
一、红外扫描仪
（一）红外扫描仪
一种典型的机载红外扫描仪的结构如图3-2所示。它由本节前言中所叙述的几个部件组成。具体结构元件有一个旋转扫描镜，一个反射镜系统，一个探测器，一个制冷设备，一个电子处理装置和一个输出装置。
旋转扫描镜的作用是实现对地面横越航线方向的扫描，并将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组。反射镜组的作用是将地面辐射来的电磁波聚焦在探测器上。探测器则是将辐射能转变成电能。探测器通常做成一个很小面积的点元，有的小到几个微米。随输入辐射能的变化，探测器输出的电流强度（视频信号）发生相应的变化。致冷器为了隔离周围的红外辐射直接照射探测器，一般机载传感器可使用液氧或液氮致冷。电子处理装置主要是对探测器输出的视频信号放大和进行光电变换，它由低噪声前置放大器和电光变换线路等组成。输出端是一个阴级射线管和胶片传动装置。视频信号经电光变换线路调制阴极射线管的阴极，这时阴级射线管屏幕上扫描线的亮度变化相应于地面扫描现场内的辐射量变化。胶片曝光后得到扫描线的影像
（二）扫描成像过程及图像特征
1、扫描成像过程
如图3-2所示，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。

图3-2机载红外扫描仪结构原理图
2、红外扫描仪的分辨力
红外扫描仪的瞬时视场β，与探测器尺寸d（直径或宽度）和扫描仪的焦距的关系为：β=d/f（3-1）
红外扫描仪垂直指向地面的地面空间分辨力a，则由瞬时视场和航高决定，即：
a=βH(3-2)
将（3-1）式代入（3-2）式则为：
（3-3）
β在设计仪器时已确定，所以对于一个使用着的传感器，其地面分辨力的变化只与航高有关。航高值大，a值自然就大，则地面分辨力差。（3-3）式是指垂直指向地面观测时的空间分辨力，当观测视线倾斜时，即在某一个不等于0的扫描角下观测时，其地面分辨力将发生变化。现设垂直指向观测时，扫描角θ=0，航高为H0，地面分辨力为a0。当扫描角为θ时，仪器至观测点中心的距离为Hθ，其地面分辨力平行于航线方向的为aθ，垂直于航线方向的为。如图3-3所示。
（3-4）
（3-5）

图3-3扫描仪的地面分辨力
对于垂直航线方向，由于传感器观测视线与地面不垂直，斜倾一个角，因此
（3-6）
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，其形成的原因与全景摄影机类似。图3-4是取一段红外扫描仪图像与同一地区航空像片比较，可明显看出全景畸变的影响。
红外扫描仪还存在一个温度分辨力的问题，温度分辨力与探测器的响应率R和传感器系统内的噪声N有直接关系。为了获得较好的温度鉴别力，红外系统的噪声等效温度限制在0.1～0.5K之间。而系统的温度分辨力一般为等效噪声温度的2～6倍。
3、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