第6章扫描成像

1、遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS内容提要： 扫描成像是遥感技术发展的方向之一，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，电子扫本章内容包括扫描探测器工作原理，电子扫描成像描成像电视，光学机械扫描成像，固体自电视，光学机械扫描成像，固体自扫描成像。扫描成像。讲授重点： 电子扫描成像过程与原理，光机扫描成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，像过程，成像扫描仪分辨能力，像元的概念，电荷耦合器件电荷耦合器件CCD的结构、工作原理和成的结构、工作原理和成像机制。像机制。遥遥 感感 原原

2、理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数响应率响应率 响应率是到达探测器上的单位辐射功率所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，产生的电压，即输出电压与输入辐射能量之比，表达式是：表达式是： ：输出电压：输出电压(伏伏)，：输入的辐射能量：输入的辐射能量(瓦瓦)遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数响应波长范围响应波长范围 光谱响应曲线光谱响应曲线：探测器的响：探测器的响应率与入射辐射

3、的波长之间的关应率与入射辐射的波长之间的关系曲线。系曲线。 峰值波长峰值波长：最大响应率所对：最大响应率所对应的波长应的波长p 截止波长截止波长：响应率下降到峰：响应率下降到峰值一半所对的波长值一半所对的波长c1、c2，探测，探测器的使用波长器的使用波长c1c2。c1Rc1Pc2遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数噪声电压（噪声电压（n） 探测器在工作时本身所固有的毫无规律、无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（法预测的随机电压起伏，叫噪声电压（n）。）。遥遥

4、感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数等效噪声功率（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），意思是它对探测器所产生的效果与噪声相等。声相等。 NEPnn（s） 要准确测定辐射信号的存在，入射辐射功率要准确测定辐射信号的存在，入射辐射功率应为应为NEP的的26倍。倍。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫

5、描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数探测灵敏度探测灵敏度D* D*是与是与NEP成反比的量，计算公式为成反比的量，计算公式为 式中：式中：A为元件的面积，为元件的面积，f为频带宽度，当为频带宽度，当元件面积为元件面积为1cm2、频带宽度为、频带宽度为1Hz、入射光功率、入射光功率为为1W时，时，D*等于输出信号与噪声之比等于输出信号与噪声之比信噪比信噪比（S/N）。）。NEPfA*D遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 探测器主要性能参数探测器主要性能参数响应时间响应时间 当一定能量的辐射突然到达探

6、测器的敏感面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。测器的响应时间。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理物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

7、层分布在原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核的作用，脱离原来的原子，成为不属于某一个原子的电子子的电子自由电子。金属物体自由电子浓度非常自由电子。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

8、运动，从导体的一端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。迁移到另一端。这就是导体传导电流的过程。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的导电机理半导体的导电机理半导体晶体结构半导体晶体结构 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子各以一个电子相结合键合，形成属于这两个键合，形成属于这两个原子的一对键合电子。原子的一对键合电子。 如果没有其它因素干扰，原子最外层的电子如果没有其它因素干扰，原子最外层的

9、电子都分属于各对原子，没有自由电子，这时导电率都分属于各对原子，没有自由电子，这时导电率为零为零(不导电不导电)。 当有干扰存在时，如温度变化，杂质的加入，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、杂质的变化就产生了自由电子，其浓度随温度、杂质的变化而变化。而变化。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的导电机理半导体的导电机理温度影响温度影响 +4 +4 +4 +4 自由电子自由电子 空穴空穴束缚电子束缚电子 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1

10、扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的导电机理半导体的导电机理杂质影响杂质影响 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会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。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 N 型半导体型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导：自由电子浓度大大增加的杂质半导 体，也称为（电子半导体）。体，也称为（电子半导体）。 P型半导体型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，：空穴浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（空穴半导体）。也称为（

11、空穴半导体）。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的导电机理半导体的导电机理杂质影响杂质影响 N 型半导体型半导体+4 +4 +5 +4 多余多余 电子电子磷原子磷原子掺杂浓度远大于掺杂浓度远大于本征半导体中载本征半导体中载流子浓度，所以，流子浓度，所以，自由电子浓度远自由电子浓度远大于空穴浓度。大于空穴浓度。自由电子称为自由电子称为多多数载流子数载流子（多多子子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少少子子）。）。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作

12、原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的导电机理半导体的导电机理杂质影响杂质影响 P型半导体型半导体P 型半导型半导体中空穴体中空穴是多子，是多子，电子是少电子是少子。子。+4 +4 +3 +4 空穴空穴硼原子硼原子遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的能带结构半导体的能带结构 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。的

13、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。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。之间被电子的禁带隔开。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS半导体的能带结构半导体的能带结构 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的能带结构半导体的能带结构 禁带禁带：就是禁止电子

14、存在的地带。：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，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，仅有只是能量间隔很小，仅有1014电子伏特。最高电子伏特。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，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都称为导带，只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献。才有贡献。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电

15、机理半导体的能带结构半导体的能带结构 导体导体：导带内没有被电子全部占满，并且：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，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。可以发生跃过禁带的跃迁。绝缘体绝缘体：电子刚好占满价带中的全部能级，：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。得足够的能量升到导带中去。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的能带结构半导

16、体的能带结构 半导体半导体：介于导体和绝缘体之间，禁带较：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。流过材料，而与电子流动的方向相反。本征半导体本征半导体：不含杂质的半导体：不含杂质的半导体非本征半导体非本征半导体：掺有杂质的半导体：掺有杂质的半导体遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理

17、扫描探测器工作原理 半导体导电机理半导体导电机理半导体的能带结构半导体的能带结构 光电导光电导：在入射光子的能量大于禁带宽度：在入射光子的能量大于禁带宽度E条条件下，用辐射照射半导体产生截流子，从而增加半件下，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，导体的导电率的过程，称为光电导，h。 截止波长截止波长：根据电磁辐射理论，产生光电导的：根据电磁辐射理论，产生光电导的辐射存在的波长界限。为辐射存在的波长界限。为 c.24式中用电子伏特表示，式中用电子伏特表示，c用微米，所以要增大截用微米，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止波长，必须减少禁带宽

18、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低半导体的温度和掺入少量杂质两种遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理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，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可分为光子或电子探测器、热探测器与气动型探测器三类。测器三类。 光子或电子探测器光子或电子探测器 光电探测器光电探测器 光电导探测器光电导探测器 光生伏打探测器光生伏打探测器 光磁电探测器光磁电探测器遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1

19、扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理光子或电子探测器光子或电子探测器u光电探测器光电探测器 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，取决于材料表面光电探测器。光电效应的产生，取决于材料表面的脱出功的脱出功A和入射光的频率和入射光的频率 截止波长：截止波长：1.24，碱金属最低，碱金属最低，如铯：如铯：1.9伏。伏。0.65，金属化合物的更，金属化合物的更低，使得低，使得变大。变大。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原

20、理扫描探测器工作原理光子或电子探测器光子或电子探测器u光电导型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、探测器的半导体有：硫化铅、砷化铟、锑化铟、碲镉汞，以及锗碲镉汞，以及锗(硅硅)掺杂等。掺杂等。 截止波长：截止波长：1.24，禁带宽度。，禁带宽度。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理光子或电子探测器光子或电子探测器

21、u光生伏特型探测器光生伏特型探测器 根据光生伏特效应由结半导体材料制根据光生伏特效应由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中入射辐射必须能激发出电子电子空穴空穴对。从目前对。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，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。可以很短，增加了可能使用的范围。遥遥 感感 原原 理

22、理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理光热效应与热敏类探测器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：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敏电阻型探测器 热释电型探测器热释电型探测器遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理热敏类探测器热敏类探测器u热敏电阻型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

23、阻的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，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。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，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，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。射能量的大小。遥遥 感感 原原 理理 与与

24、 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理热敏类探测器热敏类探测器u热释电型探测器热释电型探测器 电极化电极化：电介质在外加电压的情况下，内部：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，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。相反表面带负电，这种现象称电极化。 自发极化自发极化： 产生电极化的电介质，电压除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，这种极化称去后仍

25、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，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，极化强度减弱，升高到一定温度，自发极化消失，这个温度叫这个温度叫“居里温度居里温度”。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.1 6.1 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理 扫描探测器工作原理扫描探测器工作原理热敏类探测器热敏类探测器u热释电型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，制成的探测器系，制成的探测器热释电型探测器。热释电型探测器。 工作原理工作原理：

26、辐射照射到已极化好的铁电体上，：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，相当于引起温度升高，表面电荷减少，相当于“释放释放”了一部分电荷，释放的电荷用放大器转变成输出了一部分电荷，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，没有信也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，没有信号输出。号输出。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像的电子扫描成像的基本原理基本原理是：物体反射光经是：物体反射光经透镜聚焦后，进入摄像管，摄像

27、管把得到的影像透镜聚焦后，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。摄像机是电子扫描成像的典型代表。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电视摄像机基本构造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

28、影像聚焦在光导摄影机一样，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。靶上，利用电子枪对靶面的扫描提取影像信息。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程 聚焦聚焦摄像摄像传送传送显像显像 景物景物光学影像光学影像电子像电子像电位像电位像电子数量电子数量遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程聚焦过程聚焦过程 电子扫描成像使用透镜聚焦。物体反射光线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

29、成倒立的光学经过滤色镜、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。波段的信息资料。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程摄像过程摄像过程 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。像管为例来阐述其原理。 反束光导摄像管前壁是光电阴极，进入系统反束光导摄像管前壁是光电阴极，进入系统的光像到达光

30、电阴极后，产生光电效应，由光子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。像的光照强度，在光电阴极上形成电子密度像。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程摄像过程摄像过程 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，属栅网所捕获，靶极因逸

31、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，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。电位低处对应于景物的暗点。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程摄像过程摄像过程 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(又称像面扫描成像又称像面扫描成像)。靶面上点从电子束中摄取电子，。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定使靶极达到零电位。从电子枪中射出的电子数目是固定不变的，但靶面各点吸收电子的

32、数目却不同，返回的剩不变的，但靶面各点吸收电子的数目却不同，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，从电子束中吸收的电子数就多，剩余返应点的电位高，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。多少就反映了图像上各点的暗亮程度。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程摄像过程摄像过程 为了提高输出信号的强度，在电子枪外套有为

33、了提高输出信号的强度，在电子枪外套有一组电子倍增器。返回的电子被收集极吸取后，一组电子倍增器。返回的电子被收集极吸取后，利用二次电子发射效应，将电流逐级倍增。假如利用二次电子发射效应，将电流逐级倍增。假如一个返回电子撞击收集极打出个二次电子，那一个返回电子撞击收集极打出个二次电子，那么有个倍增级就可把信号放大倍。最后输么有个倍增级就可把信号放大倍。最后输出的信号，即输出的图像信息称为视频信号。出的信号，即输出的图像信息称为视频信号。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程传送过程传送过程 摄像管输出的图像信号通过无线

34、电波，从天摄像管输出的图像信号通过无线电波，从天线发射出去，再由接收天线接收。线发射出去，再由接收天线接收。 射频振荡射频振荡：由发射机的振荡器产生稳定的高频振荡：由发射机的振荡器产生稳定的高频振荡信号称为射频振荡。信号称为射频振荡。 调制调制：将视频信号载到射频振荡：将视频信号载到射频振荡(载波载波)上去的过程上去的过程称调制，常用的调制方式有两种：称调制，常用的调制方式有两种： 调幅调幅：载波频率保持不变，让振幅随视频信号变化：载波频率保持不变，让振幅随视频信号变化而变化；而变化； 调频调频：载波振幅保持不变，让频率随视频信号变化：载波振幅保持不变，让频率随视频信号变化而变化。而变化。遥遥

35、 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程显像过程显像过程 接收机天线接收到调制过的视频信号，经变接收机天线接收到调制过的视频信号，经变频、中放、检波、视放，由显像管的电子枪发射频、中放、检波、视放，由显像管的电子枪发射出随视频信号而变化的电子束，电子束轰击荧光出随视频信号而变化的电子束，电子束轰击荧光屏，把高速电子的动能转变为光能，在屏上出现屏，把高速电子的动能转变为光能，在屏上出现亮点。电子束在荧光屏上迅速扫描，由于荧光屏亮点。电子束在荧光屏上迅速扫描，由于荧光屏的余辉和人的视觉暂留，因此可看到整幅画面。的余辉和人的视

36、觉暂留，因此可看到整幅画面。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.2 6.2 电子扫描成像电子扫描成像 电子扫描成像过程电子扫描成像过程显像过程显像过程 彩色显像管，有红、绿、蓝三支电子枪，荧彩色显像管，有红、绿、蓝三支电子枪，荧光屏上任意相邻三点都必定包括红绿蓝各一点，光屏上任意相邻三点都必定包括红绿蓝各一点，由于每点非常小，靠得又很紧密，当电子轰击它由于每点非常小，靠得又很紧密，当电子轰击它们而发光时，对于红点、绿点、蓝点位置上的差们而发光时，对于红点、绿点、蓝点位置上的差别人眼分辨不清，而产生彩色视觉。别人眼分辨不清，而产生彩色视觉。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS

37、6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成 光学机械扫描仪是借助平台沿飞行方向运动、光学机械扫描仪是借助平台沿飞行方向运动、传感器光学机械横向扫描达到地面覆盖，得到地传感器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，由扫描仪和多光谱扫描仪两种，由收集器、分光器、收集器、分光器、探测器、处理器和输出器探测器、处理器和输出器等几部分组成。等几部分组成。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫

38、描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成 地物的红地物的红外辐射外辐射光学扫描光学扫描系统系统分光器分光器探测器探测器氖灯氖灯成像光学成像光学扫描系统扫描系统同步控制系统同步控制系统制冷制冷数据记录数据记录发送发送胶片胶片电信号电信号光信号光信号遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成分光器分光器 分光器的目的是将收集器收集的地面电磁波分光器的目的是将收集器收集的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成份。常用的分光元器信息分解成所需要的光谱成份。常用的分光元器件有分光棱镜、衍射光栅和分光滤光片。件有分光棱镜、衍

39、射光栅和分光滤光片。分光棱镜分光棱镜：依据物质折射率随波长变化的原理：依据物质折射率随波长变化的原理进行分光。进行分光。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成分光器分光器衍射光栅衍射光栅：光线照射到光栅上会引起衍射，将：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长的光，形成不同波长的衍射光分布在不同方向的

40、现像，这种分光元件叫衍射光栅。的现像，这种分光元件叫衍射光栅。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成分光器分光器分光滤光片分光滤光片：能从某一光束中透射或反射特定：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。通滤光片、短波通滤光片和带通滤光片。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成探测器探测器 探测分光

41、后的电磁波并把它变换成电信号的探测分光后的电磁波并把它变换成电信号的元件叫探测器。扫描探测器的种类较多，按光电元件叫探测器。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、光激发载转换方式可分为三类：光电子发射型、光激发载流子型和热效率型。流子型和热效率型。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成探测器探测器光电子发射型探测器光电子发射型探测器：利用材料在光照射下发：利用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

42、，在外电场作用下，电子流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。流，且电路中的电流强度与光照度成函数关系。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成探测器探测器光激发载流子型探测器光激发载流子型探测器：利用光激发载流子原：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：晶体管、光电导管

43、、线阵列传感器等。分为： PC型型PC型元件是晶体结构，受到外来辐型元件是晶体结构，受到外来辐射时在晶体内产生电子射时在晶体内产生电子-空穴对，其数量与辐射空穴对，其数量与辐射的强弱成正比。在外加电压的作用下，电子向阳的强弱成正比。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。极、空穴向阴极移动而形成电流。 PV型型 PV型元件的典型例子是前述的电视型元件的典型例子是前述的电视摄像机。摄像机。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成探测器探测器热效应（热效应（PEM）型探测器）型探测器：是

44、一种热红外探：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。气体制冷、固体致冷剂制冷和辐射致冷器致冷。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成处理器处理器 从探测器出来的低电平信号，需放大和限制从探测器出来的低电平信号，需放大和限制带宽。一般在

45、探测器后面设置低噪声的前置放大带宽。一般在探测器后面设置低噪声的前置放大器来进行工作。前置放大器随电子元件不同，分器来进行工作。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。为真空管、晶体管和集成电路三种形式。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成处理器处理器 前置放大器出来的视频信号可输往存储设备，前置放大器出来的视频信号可输往存储设备，将模拟信号记录在介质上。如需将信号记录在胶将模拟信号记录在介质上。如需将信号记录在胶片上，必须设计电光转换电路，将电讯号转变成片上，必须设计电光

46、转换电路，将电讯号转变成光信号，这时输出器上的光强度正好与目标辐强光信号，这时输出器上的光强度正好与目标辐强度一致。如果要求输出信号为数字形式，则必须度一致。如果要求输出信号为数字形式，则必须将视频信号数字化，使用模数变换器，对连续将视频信号数字化，使用模数变换器，对连续的模拟信号进行采样、量化，变成离散的数字信的模拟信号进行采样、量化，变成离散的数字信号。号。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成输出器输出器 输出器种类很多，输出形式主要有两种：输出器种类很多，输出形式主要有两种：胶片胶片：经电光

47、变换线路来调制发光器件，发光：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。当胶器件上的光信号强度与视频信号强度一致。当胶片曝光时，信息就被记录下来。片曝光时，信息就被记录下来。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪的结构组成输出器输出器数据数据：输出信号记录在存储介质上。记录的形：输出信号记录在存储介质上。记录的形式分式分模拟信号记录模拟信号记录和和数字信息记录数字信息记录两种。模拟信两种。模拟信号记录后形成的磁场强度与视频信号强度一致。号记录后形成的磁场强度与视频信号强度一致。数

48、字信息记录的是已采样和量化了的数字数据。数字信息记录的是已采样和量化了的数字数据。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程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光机扫描仪的收集系统对空间形成一个很小的角度的角度瞬时视场角瞬时视场角，在瞬时视场内的地物辐，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。的探测器上。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方

49、法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程探测器将辐射能转变为视频信号探测器将辐射能转变为视频信号显像管显示显像管显示：经电子放大器放大和调整，在阴：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；极射线管上显示瞬时视场的地面影像；胶片记录胶片记录：由视频信号控制灯的明暗，经显微：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；镜头在底片曝光后记录下来；数据磁带数据磁带：视频信号经模数转换器转换，变：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，变成数成数字的电信号，经采样、量化和编码，变成数据流，

50、发送回地面记录。据流，发送回地面记录。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程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，直于飞行）方向扫视一次，地面物体依次成像，形成形成一条影像线一条影像线被记录下来。随着平台向前移动，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，最后形成连续的衔接的地面影像，最后形成连续的地面条带影像地面条带影像（区域信息

51、）。（区域信息）。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程光学扫描过程光学扫描过程 机械扫描成像使用的扫描系统多为抛物面聚机械扫描成像使用的扫描系统多为抛物面聚焦系统焦系统卡塞格伦光学系统，它将地物的电磁辐卡塞格伦光学系统，它将地物的电磁辐射聚焦到探测器。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，实现对地物平面一维线性扫描，加上平台移动，实

52、现对地物平面扫描，达到收集区域地物电磁辐射的目的。扫描，达到收集区域地物电磁辐射的目的。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程光学扫描过程光学扫描过程瞬时视场角瞬时视场角：扫描系统在某一时刻对空间所：扫描系统在某一时刻对空间所张的角度称为瞬时视场角，它由探测元件的线度张的角度称为瞬时视场角，它由探测元件的线度与光学系统的总焦距决定：与光学系统的总焦距决定： 像点像点：瞬时视场角在影像上形成的对应点称像：瞬时视场角在影像上形成的对应点称像点，也叫像元或像素。点，也叫像元或像素。遥遥 感感 原原 理理

53、 与与 方方 法法RS 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程光学扫描过程光学扫描过程 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程光学扫描过程光学扫描过程地面分辨率地面分辨率：瞬时视场角在地面上对应的距：瞬时视场角在地面上对应的距离离瞬时视场线度，叫地面分辨率。根据弧瞬时视场线度，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：长公式，可得出不同位置和方向的分辨率： 垂直投影点分辨率垂直投影点分辨率：0 飞行方向分辨率飞行方向分辨率： 0Sec 扫描方向分辨率扫描方向分辨率： 0Sec2扫描

54、角扫描角：机下扫描点与瞬时扫描点所形成的角：机下扫描点与瞬时扫描点所形成的角度。度。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程光学扫描过程光学扫描过程总视场角总视场角0 ：光学扫描系统对目标扫描摆动：光学扫描系统对目标扫描摆动的最大角度（的最大角度（0）为总视场角，也叫总扫描角。）为总视场角，也叫总扫描角。此角越大，每次运行复盖的地面面积越大。此角越大，每次运行复盖的地面面积越大。扫描线长度扫描线长度：扫描线所对应的地面长度：扫描线所对应的地面长度： tg(0/2)由公式可得：航高越高，扫描线越长。由公

55、式可得：航高越高，扫描线越长。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程探测过程探测过程 探测器将扫描系统收集来的辐射能转换成探测器将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，即进行光电转与辐射强度成正比例的电信号，即进行光电转换换探测过程。探测过程。 以以入射探测元件的波束，经探测器转变入射探测元件的波束，经探测器转变为电压信号为电压信号 式中：响应率；照度；式中：响应率；照度；，探测，探测器面积。器面积。 遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光

56、学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程信号处理过程信号处理过程 由于从探测器输出的电信号是很弱的，无法由于从探测器输出的电信号是很弱的，无法直接利用。必须经过信号处理系统把它放大，限直接利用。必须经过信号处理系统把它放大，限制带宽，再把这些足够的电信号进行电光转换，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。然后，送到终端的记录装置或显示器上。 电光转换是通过一个小光源电光转换是通过一个小光源(氖灯氖灯)实现的。实现的。用放大后的电信号去调节氖灯光源的强度使它发用放大后的电信号去调节氖灯光源的强度使它发出与电子信号强弱成正比的可见光点。光点再

57、经出与电子信号强弱成正比的可见光点。光点再经聚焦，被反射到信号记录系统中去。聚焦，被反射到信号记录系统中去。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程信号记录过程信号记录过程 最简单的扫描仪直接用胶片记录，过程是：最简单的扫描仪直接用胶片记录，过程是：由氖灯发出可见光，经聚光透镜聚焦再经过与扫由氖灯发出可见光，经聚光透镜聚焦再经过与扫描镜同步旋转的记录镜，把这个经会聚而成的很描镜同步旋转的记录镜，把这个经会聚而成的很小光点，扫描到记录胶片上，因此信号记录系统小光点，扫描到记录胶片上，因此信号记录系统也叫

58、第二扫描系统也叫第二扫描系统(成像扫描系统成像扫描系统)。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程信号记录过程信号记录过程 随着扫描，胶片也移动，扫描仪对地面扫一随着扫描，胶片也移动，扫描仪对地面扫一条线，胶片上对应同步地也扫一条线，这样随着条线，胶片上对应同步地也扫一条线，这样随着飞行器的向前移动，胶片同步拉动，物体的影像飞行器的向前移动，胶片同步拉动，物体的影像就被记录下来。为了保证成像质量，拉片速度应就被记录下来。为了保证成像质量，拉片速度应严格控制。严格控制。 /式中：航高；扫描显微镜半径；飞

59、式中：航高；扫描显微镜半径；飞行速度。行速度。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.3 6.3 光学机械扫描成像光学机械扫描成像 光机扫描仪的成像过程光机扫描仪的成像过程信号记录过程信号记录过程 现代，记录系统大多用磁性存储介质记录，现代，记录系统大多用磁性存储介质记录，在室内把记录数据回放到胶片上产生图像，或者在室内把记录数据回放到胶片上产生图像，或者是在显示器上显示影像。是在显示器上显示影像。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.4 6.4 固体自扫描成像固体自扫描成像 固体自扫描固体自扫描又称电子光学型光谱扫描，它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

60、系统是电荷耦合与其它扫描成像的区别是探测器系统是电荷耦合器件器件CCD（Charge Coupled Device），比现行的），比现行的光学机械扫描仪具有地面分辨率高、结构简单等光学机械扫描仪具有地面分辨率高、结构简单等特点。特点。遥遥 感感 原原 理理 与与 方方 法法RS6.4 6.4 固体自扫描成像固体自扫描成像 CCD CCD的基本结构与工作原理的基本结构与工作原理CCD的基本结构的基本结构 CCD是一种新型半导体器件，一般是用硅是一种新型半导体器件，一般是用硅材料制成的材料制成的MOS片片(金属金属氧化物氧化物硅半导体硅半导体)，如图如图9所示。在一块硅半导体衬底上，制作所示。在一