第三章遥感传感器及其成像原理1

第三章

遥感传感器及其成像原理内

容

提

纲遥感图像特征几何特征物理特征时间特征遥感传感器扫描成像类传感器雷达成像类传感器3.1遥感图像特征遥感图像特征几何特征物理特征时间特征这三个方面的特征表现为空间分辨率光谱分辨率辐射分辨率时间分辨率3.1.1空间分辨率空间分辨率：是针对遥感器或图像而言的，指图像上能够能够识别的两个相邻地物的最小单元的尺寸或大小，是用来表征影像分辨地面目标细节能力的指标。地面分辨率：是针对地面而言，空间分辨率数值在地面上的实际尺寸称为地面分辨率。空间分辨率的三种具体表示方法像元分辨率（扫描影像）像元所对应的地面实际尺寸（米）线对（摄影影像）线对在地面的覆盖宽度（米）瞬时视场（扫描影像）

遥感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度（mrad）空间分辨率的表现形式高分辨率影像低分辨率影像（1）像元（pixel）：对扫描影像而言，指单个像元所对应的地面面积大小，单位为m×m或km×km。（2）线对数（linepairs）对于摄影系统而言，影像最小单元常通过1mm间隔内包含的线对数确定，单位为线对/mm。线对指一对同等大小的明暗条纹或规则间隔的明暗条对。像元小影像分辨率高，信息量大；反之，影像分辨率低，信息量小。（3）瞬时视场（IFOV）指遥感器内单个探测元件的观测视野。

S:探测元件的尺寸；H:遥感平台的航高；f:望远镜系统的焦距IFOV越小，最小可分辨单元越小，

空间分辨率越高IFOV取决于遥感器光学系统和探测器的大小一个瞬时视场内的信息，表示一个像元S:探测元件的边长H:遥感平台的航高f:望远镜系统的焦距IFOV也可理解成：扫描成像过程中一个光敏探测元件通过望远镜系统投射到地面上的直径或者边长。（4）地面分辨率的计算（扫描影响）①（4）地面分辨率的计算（摄影影像）②Rs：胶片的分辨率和摄影镜头的分辨率所构成

的系统分辨率，单位线对/mmH：摄影机距地面高度，单位mf：摄影机焦距，单位mmRg:地面分辨率，单位线对/mm摄影比例尺：空间分辨率与平台高度和传感器焦距有关1线对/m表明：1m中只能区分1个线对，也就是2条线（一明一暗），每条线为0.5m，因此其分辨能力为0.5m，也即地面分辨率为0.5m。例：摄影机焦距152mm，航高为6000m，系统分辨率为40线对/mm。求地面分辨率。1m（4）地面分辨率的计算（摄影影像）③一般来说：遥感系统的空间分辨率越高，其识别物体的能力越强。但实际上每一目标在图像上的可分辨程度，不完全决定于空间分辨率的具体值，而是和它的形状、大小，以及它与周围物体亮度、结构的相对差有关（反差）。例如MSS的空间分辨率为79m，但是宽仅10-20m的铁路，公路，当它们通过沙漠、水域、草原等背景光谱较单调或与道路光谱差异大的地区，往往清晰可辨。经验证明：遥感器空间分辨率的选择，一般应选择小于被探测目标最小直径的1/2。空间分辨率举例QuickBird图像（美国，2001，分辨率最高的一颗商业卫星）

图像类型波长范围（μm）分辨率（m）地面带宽多光谱波段10.4～0.52蓝

416.5km波段20.5～0.60绿4波段30.6～0.69红4波段40.76～0.90近红外4全色0.55～0.900.6116.5km波谱分辨率：指传感器在接收目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔。间隔↓，分辨率↑波长间隔愈小，分辨率愈高。即在等长的波段宽度下，传感器的波段数越多，各个波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，识别性越强。光谱分辨率通过遥感器所选用的的通道数（波段数量的多少）、每个通道的中心波长、带宽，这三个因素共同决定光谱分辨率。3.1.2波谱分辨率（光谱分辨率）波谱范围？波段划分？3.1.2波谱分辨率（光谱分辨率）例如：可以分辨红外、红橙黄绿青蓝紫紫外的传感器的光谱分辨率就比只能分辨红绿蓝的传感器的光谱分辨率高。

一般来说，传感器的波段数越多波段宽度越窄，地面物体的信息越容易区分和识别，针对性越强。现在的技术可以达到5-6nm（纳米）量级，400多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别目标性质和组成成分的能力。

3.1.2波谱分辨率（光谱分辨率）图中红线内为32nm光谱分辨的反射曲线，可见在1.2μm处出现明显的双谷形态。辐射分辨率：反映了传感器对电磁波探测的灵敏度。辐射分辨率越高，对电磁波能量的细微差别越灵敏，因此需要较高的量化比特数（对应于遥感图像的灰度级数目）才能记录电磁波能量的细微差别。一般地，辐射分辨率越高，图像的比特数越大，色调层次越丰富，辐射分辨率越低，图像的比特数越小，色调层次越少。3.1.3辐射分辨率2比特图像6比特图像3.1.3辐射分辨率辐射分辨率算法是RL=（Rmax-Rmin）/D，Rmax为最大辐射量值，Rmin为最小辐射量值，D为量化级。RL越小，表明传感器越灵敏。例如：Landsat5的TM3最小辐射量值Rmin=-0.0083mv/(cm2·sr·μm)最大辐射量值Rmax=1.410mv/(cm2·sr·μm)量化级D为28=256级，其辐射分辨率RL=(Rmax–Rmin)/D=0.0055mv/(cm2·sr·μm)3.1.3辐射分辨率

提高空间分辨率瞬时视场IFOV要小。

IFOV小探测元件接受到的辐射能量相应减少，即瞬时获得的入射能量小对微弱能量差异的检测能力差辐射分辨率低除技术上改进探测元件以外，实际工作中考虑较高空间分辨率的图像（例如SPOT-HRV-PAN）和较高光谱分辨率的图像(例如LANDSAT-TM)进行图像融合，避其弱点，达到既要清晰，又色彩丰富。

空间分辨率和光谱分辨率的矛盾时间分辨率：是相邻两次对地面同一区域进行观测的时间间隔。对卫星遥感而言，时间分辨率与卫星和传感器的设计能力（如卫星的高度、传感器的视场角大小、传感器的观测角度等）、星载传感器的视场角所扫过的地面细长条带的重叠度、观测对象的纬度（纬度越高，星载传感器的视场角所扫过的地面细长条带的重叠度越大，重访周期越短）等因素有关。在周期性的对地观测中，时间分辨率越高，对地面动态目标的监视、变化检测、运动规律分析越有利。3.1.3时间（时相）分辨率（重访周期T：取决于卫星和传感器的特性、地面带宽、目标所处纬度）D时（D+T）时3.1.3时间（时相）分辨率Landsat-4～7卫星:采用轨道高度为、轨道面倾角为度的太阳同步轨道，重访周期为16天。SPOT卫星:采用轨道高度约为、轨道面倾角为度的太阳同步轨道，重访周期为26天。IKONOS卫星:搭载了一台EK数码相机，既可以垂直观测，也可以倾斜观测，垂直观测获取1米分辩率全色图像的重访周期约为3天，倾斜观测获取1.5米分辩率全色图像的重访周期为1～2天。QuickBird卫星:提供0.61米分辨率的全色图像和2.44～2.88米分辨率的多光谱图像，重访周期为1～3.5天(与纬度有关)。3.1.3时间（时相）分辨率传感器数据获取技术趋向“三多和三高”多平台：卫星、航天飞机、无人机多传感器：全景相机、光电扫描仪、CCD线阵面阵扫描仪、激光扫描仪、合成孔径雷达多角度：CCD阵列可同时获取三个角度的扫描成像,Terra卫星上的MISR可同时从9个角度对地观测成像3.1.5传感器技术的发展前景传感器数据获取技术趋向“三多和三高”空间分辨率：IKNOS的1m到Quird的0.61m到“地眼一号”

0.641m黑白分辨率高光谱分辨率：已经达到5-6nm，500-600个波段，在轨的对地观测卫星（EOS-Terra卫星）具有220个波段。时间分辨率：1-3天的周期覆盖率，利用INSAR/D-INSAR/双天线INSAR进行高精度三维地形及其变化的测定成为可能；遥感小卫星星座3.1.5传感器技术的发展前景3.2.1传感器概述定义：传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射信息的工具。分类①根据工作方式的不同，可以分为2类主动式：人工辐射源向目标地物发射电磁波，然后接收从目标地物反射回来的能量。如：侧视雷达、激光雷达、微波散射计等被动式：接收自然界地物所辐射的能量。如：摄影机、多波段扫描仪、微波辐射计、红外辐射计等

3.2遥感传感器②按传感器工作的波段:--可见光传感器、红外传感器、微波传感器③遥感器按照记录方式分类1）非成像方式：探测到地物辐射强度按照数字或者曲线图形表示。如：辐射计、雷达高度计、散射计、激光高度计等。2）成像方式：地物辐射（反射、发射或两个兼有）能量的强度用成像方式表示。如：摄影机、扫描仪、成像雷达。3.2.2传感器分类成像传感器是目前最常见的传感器类型成像传感器被动式主动式光学摄影类型光电成像类型成像光谱仪侧视雷达全景雷达框幅摄影机全景摄影机多光谱摄影机TV摄影机扫描仪电荷耦合器件CCD面阵成像光谱仪线阵成像光谱仪真实孔径雷达合成孔径雷达（雷达成像类型）（摄影成像类型）（扫描成像类型）

收集器：收集地面目标辐射的电磁波能量。具体元件：透镜组、反射镜组、天线等。探测器：将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能。具体的元件主要有感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件（CCD、CMOS）。处理器：对转换后的信号进行各种处理，如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。输出器：输出信息的装置。输出器类型主要有、阴极射线管、电视显象管、磁带记录仪等。3.2.3传感器的组成对物面扫描的成像仪对地面直接扫描成像，采用光机扫描系统（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）成像光谱仪具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器3.2.3扫描成像类传感器

扫描成像原理：依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谱段的图像。

探测波段：紫外、红外、可见光和微波波段

成像方式：光机扫描成像、CCD固体自扫描成像、成像光谱仪。3.2.4扫描成像类型的传感器工作原理光机扫描仪是借助遥感平台沿飞行方向运动与遥感器自身的光机对目标地物逐点、逐行横向扫描，达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。红外扫描仪多光谱扫描仪光机扫描仪利用光学系统的机械转动和飞行器向前飞行的两个相互垂直的运动方向，形成对地物目标的二维扫描，逐点逐行将不同目标物的红外辐射能汇聚到红外探测器上，红外探测器将光能转变成电信号，电信号通过放大处理后记录下来，经过电光能转换器件把电信号在普通胶片上成像。红外扫描仪工作原理当旋转棱镜旋转时，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；地面辐射能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。红外扫描仪成像过程瞬时视场角（2θ）扫描镜在旋转的一瞬间，接收到的目标物电磁辐射限制在一个很小的角度之内，这个角度就称为瞬时视场角总视场角/总扫描角（2Φ）：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角。总视场L：扫描带的地面宽度。L=2HtgΦ红外扫描仪的瞬时视场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H: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。视场角红外扫描仪的分辨率多光谱扫描仪是在红外扫描仪的基础上发展起来的，其探测波长包括电磁波的紫外、可见光和红外三个部分。多光谱扫描仪主要由两个部分组成：机械扫描装置和分光装置。它是由扫描镜收集地面的电磁辐射，系统把收集到的电磁辐射汇聚成光束，然后通过分光装置分成不同波长的电磁波，它们分别被一组不同探测器所探测，经过信号放大，然后记录在磁带上，或通过电光转换后记录在胶片上。收集聚焦分光探测记录多光谱扫描仪（MSS）Landsat含24+2个探测元，按波段排列成四列，每列由六个探测元，每个探测元的地面观察面积为79m×79m。陆地卫星2、3上增加一个热红外通道，分辨力为240m×240m，仅用两个探测元构成。每个波段由六个相同大小的探测元与飞行方向平行排列，这样在瞬间看到的地面大小474m×79m，又由于扫描总视场为11.56度，地面宽度为185km，因此扫描一次每个波段获取六条扫描图像，其地面范围为474m×185km。又因卫星速度6.5km/s，在扫描一次的时间里卫星正好往前移动474m，因此扫描现恰好衔接。0.5~0.6um0.6~07um0.7~08um0.8~1.1um10.4~12.6um扫描方向卫星前进方向MSS工作原理扫描镜摆动±2.89°西光学纤维n次扫描

474m654123n+1次扫描

474m654123185km185km6线474m扫描视场11.56°卫星轨迹有效扫描北南东扫描仪2316回摆有效扫描MSS扫描过程法国SPOT卫星上装载的HRV（HighResolutionVisiblerangeinstrument高分辨率可见光扫描仪）是一种CCD线阵列传感器，又称为线阵列推扫式扫描仪。对像面扫描的成像仪HRV——线阵列推扫式扫描仪不需要扫描镜的摆动，像缝隙式摄影机那样，以“推扫”方式获取连续条带影像。用一种称为电荷耦合器件CCD（changecoupleddevice）的探测器制成的图像传感器。这种传感器受光或电流的作用产生电荷，经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容（电荷移动），从而将影像转变成数字信号。将若干个CCD元器件排成一行，称为CCD线阵列传感器。CCD上植入的微小光敏物质称作像素。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD传感器CCD传感器—HRV1）HRV多光谱段的每个波段的线阵列探测器组，由3000个CCD元件组成。每个元件形成的像元，相对地面上为20m×20m。因此一行CCD探测器形成的图像线，相对地面上为20m×60km。2）HRV的全色波段的线阵列探测器组由6000个CCD元件组成一行。地面上总的市场宽度仍为60km，因此每个像元地面大小为10m×10m。

光谱段

光谱特性

分辨率0.50~0.59μm

绿20m0.61~0.68μm

红20m0.79~0.89μm

近红外20m0.51~0.73μm

全波段10m仪器中的平面反射镜将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组电磁波聚焦在CCD线阵列元件上CCD输出端输出时间序列视频信号，以推扫的方式获取沿轨道方向的连续图像条带。CCD工作原理探测元件为4根平行的CCD线列，每根探测一个波段，每线含3000（HRV1～3）或6000（全色波段）个CCD元件。1）全色波段

0.51～0.73微米，10米，6000个CCD2）多光谱波段，20米，3*3000个CCD0.500～0.590微米：Green0.610～0.680微米：Red0.790～0.890微米：Near-InfraredHRV的的设计⑤HRV的重叠为了在26天内达到全球覆盖一遍，SPOT卫星上平排安装两台HRV仪器。每台仪器视场宽都为60km，两者之间有3km的重叠，因此总的视场宽度为117km。1）CCD线阵上的每个点同时曝光，保证了每个点上都有最大限度的曝光时间。2）机械部件大大简化，运行稳定，几何精度比较高。3）灵敏度高，可以探测到地面0.5％的反射变化信息。4）突破了光/机扫描仪要求探测元件的响应速度足够快的要求。CCD的优点举例：在1/20s内扫描完一幅含512×512个像元的图像，光/机描中，一个探测元件对一幅图像要扫描512条线，每条线512个像元，则探测元件在每个瞬时视场的停留时间只有1÷（20×512×512）=1.9×10-7,约0.2μs,要求探测元件的响应时间至少要<0.2μs的1/3CCD固体自扫描中:用一竖列的10个探测元件同时扫，每个元件只扫51条线，则在瞬时视场的停留时间为2μs。若用一竖列的512个探测元件同时扫，只要一次自扫描即可，像刷子刷过一样。所采用的探测元件数目越多，体积愈小，分辨率接

越高。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。既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”的技术。3.2.5成像光谱仪用很窄（l/100）而连续的光谱通道对地物持续遥感成像的技术。在可见光到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米(nm)数量级，通常具有波段多的特点，光谱通道数多达数十甚至数百个以上，而且各光谱通道间往往是连续的，每个像元可提取一条光谱曲线；且具有空间可识别性。

成像光谱仪特点一种是面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪：它利用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，利用线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。另一种是用线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪：它利用点探测器收集光谱信息，经色散元件后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，而利用线探测器完成光谱扫描。两类成像光谱仪微波遥感是指通过向目标地物发射微波并接收其后向回射信号以实现对地观测的遥感。微波遥感常用的波段波段名称波长(mm)频率（MHZ）Ka7.5~1140000~26500K11~16.726500~18000Ku16.7~2418000~12500X24~37.512500~8000C37.5~758000~4000S75~1504000~2000L150~3002000~1000P3000~10001000~3003.3微波遥感与成像1、主动式遥感2、能全天候、全天时工作3、对某些物体具有特殊的波谱特征4、对冰、雪、森林、土壤等具有一定的穿透能力5、分辨率较低，但特性明显3.3.1微波遥感的特点按工作波段：微波雷达，红外雷达，激光雷达按资料形式：非成像雷达，成像雷达按天线结构：真实孔径侧视雷达RAR、合成孔径侧视雷达SAR微波遥感的分类3.3.1真实孔径雷达真实孔径侧视雷达方位向：平台行进方向距离向：平台侧向距离方向CRT接收机天线方位方向波束宽度脉冲宽度时间反射强度成像过程收集顺序：近距离先收集，远距离后收集回波强弱（色调）：（1）金属——硬目标强（2）反射面方向——向天线强（3）平滑镜面反射——回波弱（4）反射面性质——草地弱（5）阴影——无反射天线收集侧面天线发射窄脉冲地物反射成像处理形成影像放大检波真实孔径雷达地面分辨率

距离分辨率在距离方向上能分辨的最小目标的尺寸方位分辨率

雷达飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离

距离分辨率定义：距离分辨率理论上等于脉冲宽度的一半，即τ为脉冲宽度，单位微秒（10-6秒），c为波速Rd称为斜距分辨率，Rr称为地距分辨率。φ为俯角距离分辨率斜距Rθ距离分辨率斜距分辨率τ为脉冲宽度，Ｃ为光速，θ为雷达波侧视角△R与距离无关，要提高△R

，需要减小τ，但是减小τ会使雷达的发射功率下降，从而使回波信号的信噪比（S/N）下降，造成图像质量下降。为此，采用脉冲压缩技术来提高△R。

距离分辨率τ=0.1μsφ=50˚,Rr=23mφ=35˚,Rr=18mAB、CD相距均为20m结论：俯角大，距离分辨率低。俯角小，距离分辨率高。

方位分辨率方位分辨率是在雷达飞行方向上，能分辨两个目标的最小距离，即相邻两束脉冲之间，能够分辨两个目标的最小距离。方位分辨率与波瓣角β及雷达至目标地物的距离R有关，即：波瓣角β与波长λ成正比，与天线孔径D成反比，即：则：表明：波长越短、孔径越大、距离越近，则方位分辨率越高。例：波长λ=3cm，D=4m，卫星轨道高200Km

此时：Rβ=1.5Km

若要Rβ=3m，以能分辨汽车，λ不变则：D=2000m。这样长的天线，无论机载或星载都不现实。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。3.3.2合成孔径雷达合成孔径雷达的特点距离向采用脉冲压缩技术来提高分辨率方位向通过合成孔径原理来改善分辨率

用一系列的小天线排成一个阵列，每个小天线之间的距离为d，总长度为Nd。对于每个天线，脉冲发射是同时进行的，接收时也是同时接收信号。这就如同真实孔径雷达一样。成像原理NdL将所有不同时刻接收的同一目标信号消除因时间和距离不同所引起的相位差，修正到同时接收的情况，就得到如同真实孔径侧视雷达一样的效果。

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