遥感学习笔记（三）——传感器
时间：2022-08-27 16:30:00
传感器是一种收集、探测和记录电磁波辐射能量的装置，是遥感技术的核心部分。传感器对电磁波段的响应能力、空间分辨率和图像的几何特性、电磁波信息的大小和可靠性决定了遥感能力。
1.传感器的组成
收集器、探测器、处理器、输出器
收集器：收集来自地球的电磁波能量。如航空摄像头的镜头、扫描仪的镜头等。对于多波段，也需要分光，即将光分解成不同波长的波段范围。
探测器：将收集到的辐射能转化为化学能或电能。如光敏探测元件，如摄影感光胶片、光电管、光电倍增管、光电二极管、光电晶体管等，以及锑、镉、汞、热敏电阻等。
处理器：处理检测到的化学能或电能等信号。如胶片的显影和定影、电信号的放大处理、滤波、调制、变换等。
输出：输出获得的图像和数据。如摄影胶片、磁带记录仪等。
2.传感器分类
(1)按工作方式:主动、被动
主动传感器本身向目标发射电磁波，然后收集从目标反射回来的电磁波，如侧视雷达、激光雷达、微波散射计、雷达高度计等；
被动收集地面目标反射来自太阳能量或目标地物体辐射的电磁波能量，如航空摄像头、多光谱扫描仪（MSS、TM、ETM（1，2））、HRV、红外扫描仪、微波辐射计等。
(2)按记录方式:成像方式、非成像方式
成像传感器手柄以图像的形式表示收到的电磁波能量强度，如航空摄像机、扫描仪、成像光谱仪、成像雷达等。
非成像模式地物电磁波的能量强度用数字和曲线图表示，如辐射计、红外辐射温度计、微波辐射计、微波高度计、散射计、激光高度计等。
(3)可见光传感器、红外传感器、微波传感器
(4)根据成像原理和获得的图像性质:摄影成像、扫描成像、雷达
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摄影成像传感器
它是通过成像设备获取物体图像的技术。传统摄影依靠放置在焦平面上的光学镜头和感光胶片来记录物体图像；数字摄影通过放置在焦平面上的光敏元件通过光电转换记录物体的图像。
光学摄影波段：短波紫外线大多被大气吸收和散射，很少用于遥感。因此，人们经常使用可见光---近红外（0.38~0.9um）作为光学摄影波段的谱段。
用于航空摄影测量：
黑白全色片感光乳胶层对整个摄影波段(0.3~0.9um)均有响应；
黑白红外片感光乳胶层只对近红外波段有反应；
天然彩色胶片的感光膜由三层乳胶层组成。胶片基础以上为红色层、绿色层和蓝色层。胶片对整个可见光波段的光敏感，彩色图像接近人的视觉效果；
在彩色红外胶片的三层感光乳胶层中，天然彩色胶片的感蓝层被感红外光层所取代。因此，片基以上是感红层、感绿层和感红外层。
早期间谍卫星：SPIN-2、TK-350、KVR-1000
扫描成像传感器
探测范围可以从可见光区域到整个红外区域，它使用特殊的光敏或热敏探测器将收集到的电磁波能量记录为电信号，然后通过无线电频道发送到地面，实现遥感信息的实时传输。
分为以下三类：
①光机扫描仪(光学机械扫描仪、线阵式)
借助遥感平台沿飞行方向移动，横向扫描传感器本身的光学机械，实现地面覆盖，获取地面带图像的成像装置。
成像过程：扫描镜安装在飞机上，在机械驱动下，随遥感平台(飞机、卫星)的前进运动而摆动，垂直于飞行方向的运动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描反射镜反射，并经透镜聚焦和分光，分别将不同波长的波段分开，再聚焦到感受不同波长的探测元件上。地面图像逐点扫描，并逐点测量波段，以获得多光谱遥感图像信息。
应用：多光谱扫描仪、红外扫描仪、专用制图仪tm
常见的光机扫描成像系统：
Landsat/MSS
Landsat/TM 一、二、三、四、五、六、七
Landsat/ETM
NOAA/AVHRR(CH1、CH2)
FY-1/AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer改造型非常高分辨率辐射仪)
FY-2/VIWSSR(可见光、红外和水蒸气自旋扫描辐射计)
②扫描仪（面阵式）
光机扫描仪采用旋转扫描镜，像元轮流采光，即沿扫描线逐点扫描成像；扫描仪不要使用摆动扫描镜，相反，探测器沿扫描方向(垂直于飞行方向)阵列排列，感受地面响应，仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦CCD阵列元件上，CCD输出端以一路时序视频信号输出，同时采光，同时转换为电信号，同时成像。CCD分光器件和不同的部件放置在元件扫描仪中CCD元件可以使扫描仪扫描单波段或多波段。
扫描仪的设计可以满足分辨率越来越高的需求，只要线性排列继承CCD有足够的元件可以不断提高分辨率。（法国SPOT卫星的HRV传感器每线性阵列4096CCD探测器，地面分辨率15m）
常见的扫描成像系统：
SPOT5/HRG(高分辨率几何成像装置)
SPOT5/HRS(高分辨率立体成像装置)
SPOT5/VGT(宽视域植被探测器)
CBERS-1
※与光机扫描仪的比较
(1)线性阵列系统为每个探测器提供更长的停留时间，以更充分地测量每个地面分辨器的能量。扫描仪有更强的记录信号和更大的感应范围，从而获得更高的空间分辨率和辐射分辨率。
（2）由于每行数据的探测器元件之间存在固定的关系。它消除了扫描过程中扫描镜速度变化引起的几何误差，具有更大的稳定性。线性阵列系统具有更好的几何完整性和更高的几何精度。
（3）一般有很多线性阵列CCD组成，CCD是固态微电子装置，一般它们体积小，重量轻，能耗低。
（4）由于没有机械扫描仪的机械运动部件，线性阵列系统稳定性更好，结构可靠性高，使用寿命长。
（5）大量探测器灵敏度的差异，往往产生带状噪声需要校准。
（6）目前长于红外波段的CCD探测器的光谱灵敏度尚受到限制。
（7）推扫式扫描仪的总视场一般小于光机扫描仪。
③成像光谱仪
虽然多光谱遥感(MSS、TM、SPOT)较摄影遥感有许多优势，但是它们十分有限的波段、较宽的波段间隔(60-200nm)均难以真实地反映地表物质的光谱反射辐射特性的细微差异，更无法用光谱维的空间信息来直接识别地物的类别，特别是地物的组成、成分等。
对遥感而言，在一定波长范围内，被分割的波段数愈多，即波谱采样点愈多，愈接近于连续波谱曲线，因此可以使得扫描仪在取得目标地物图像的同时也能获得该地物的光谱组成。这种既能成像又能取得目标光谱曲线的“图谱合一”的技术，称为成像光谱技术。按该原理制成的扫描仪称为成像光谱仪。
成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其工作方式主要为推扫式，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。从几何角度来说，成像光谱仪的成像方式与多光谱扫描仪相同，或与CCD线阵列传感器相似，因此，在几何处理时，可采用与多光谱扫描仪和CCD线阵列传感器数据类似的方法。但目前，成像光谱仪只注重提高光谱分辨率，其空间分辨率却较低(几十甚至几百米)。正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据，所以它多用于地物的光谱分析与识别上。
特点：
高光谱分辨率：成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续的光谱波段
图谱合一：仪器在获得数十、数百个光谱图像的同时，可以显示影像中每个像元的连续光谱，因此能在空间和光谱维度上快速区分和识别地物目标。
常见的光谱成像仪：
Terra/MODIS：36个光谱通道0.4-14.3um，其中可见光-短波红外20个通道，短波红外16个波段。
AVIRIS航空可见光/红外光成像光谱仪，共224个波段，光谱范围0.38um-2.5um，波段宽度10nm。
【雷达】
侧视雷达传感器，属于主动式遥感传感器。成像时雷达本身发射一定波长的电磁波波束，然后接收该波束被目标地物反射回的信号，从而探测目标地物的特性。
侧视雷达（SLR）分为真实孔径雷达（RAR）和合成孔径雷达（SAR）两种。由于真实孔径雷达的分辨率较低，很少再作为成像雷达使用，现在的侧视雷达一般指视野方向和飞行器前进方向垂直，用来探测飞行器两侧地带的合成孔径雷达。
早期使用真实孔径雷达探测目标，它借直接加大天线孔径和发射窄脉冲的办法来提高雷达图像分辨率。60年代后，采用合成孔径技术，使雷达探测分辨率提高几十倍至几百倍。现代侧视雷达在1万米高度上的地面分辨率已达到1米以内，相当于航空摄影水平。
3、探测器的性能指标
瞬时视场角（Instantaneous Field Of View，IFOV），是指在某一很短的时间内，假定飞行器静止时，遥感仪器所观测到的地面的最小面积，同时也确定了遥感影像的空间分辨率。
总视场角：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角，也叫总扫描角
L= 2*tan(f/2)*H
L为扫描带对应的地面宽度
H为遥感平台高度
探测的响应范围：指传感器对亮度敏感的最高和最低限度。卫星的飞行高度和速度必须要与传感器的灵敏度相匹配，以保证传感器有足够的响应时间来采集地面的反射光谱信号。
信噪比：信号与噪声之比。传感器接受的目标以外的亮度信息叫做噪声，产生原因一部分在于传感器部件累积的电子信号错误引起，另一部分来自大气、解释过程。
光谱灵敏度：传感器的光谱探测能力。一般用光谱灵敏度曲线最大值一半处的光谱范围来确定。
4、传感器的发展
目前对遥感图像数据的空间分辨率要求越来越高。多波段扫描仪已从机械扫描发展到CCD的推扫式扫描，空间分辨率不断提高。
星载主动式微波遥感的发展，使探测手段更趋多样化。合成孔径雷达具有全天候和高空间分辨率等特点。
CCD固体扫描仪可以实现对地面的立体观测，即获取地面的立体影像。立体观测可以用于卫星地形测绘。
同轨立体观测：是指在同一轨道的方向上获取立体影像。在卫星上同时安置两台以上的推扫式扫描仪，随着遥感平台的移动，这几台扫描仪可同时获得同一地区的立体影像。
异轨立体观测：异轨立体观测是在不同轨道上获取立体影像。SPOT卫星使用一台扫描仪获取立体影像，该扫描仪的平面反射镜可绕卫星前进方向的滚动轴旋转，从而实现在不同轨道间的立体观测。
