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遥感传感器及成像原理

1.常用的遥感传感器类型

2.各种传感器的成像原理-异同点-各种图像特

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遥感传感器及成像原理

重点:成像原理和图像特征

1.常用的遥感传感器类型

传感器类型用于遥感：(1)扫描成像传感器(3)雷达成像传感器(4)非图像传感器(2)。

传感器的组成部分：

收集器：收集地物辐射的能量。透镜组、反射镜组、天线等具体部件。

探测器：将收集到的辐射能转化为化学能或电能。具体部件，如感光胶片、光电管、光敏和热敏探测元件、共振腔谐振器等。

处理器：处理收集到的信号。如显影、定影、信号放大、变换、校正和编码等。具体的处理器类型包括摄影处理器和电子处理器。

输出：输出获得的数据。输出类型包括扫描晒像仪、阴极射线管、电视显像管磁带记录仪、彩色喷墨仪等。

2.各种传感器的成像原理—异同点—各种图像特征

扫描成像类：传感器按时间顺序逐步获取二维图像（依靠探测元件和扫描镜逐步取样目标地物体的瞬时视场，获取目标地物体的电磁辐射特性信息，形成一定的谱段图像）。

（1）物面扫描成像仪(如:红外扫描仪， MSS 多光谱扫描仪、成像光谱仪等) 。

红外扫描仪(对面)

成像过程：旋转棱镜旋转时，第一面镜子扫描地面，扫描视野中的地面辐射能量，从一侧到另一侧进入传感器，通过探测器输出视频信号，然后通过电子放大器放大和调制，在阴极射线管上显示相应的地面扫描视野图像线，图像线曝光后记录在底片上。

全景畸变：全景摄像机像距不变，物距随着扫描角的增加，图像从中心到两侧产生比例尺畸变逐渐缩小。

动态畸变：卫星在扫描时向前飞行造成的畸变。

扫描线的连接：速度与航空高度的比例为常数。

色调特征：色调与温度的四次方成正比，温度的变化会产生较高的色调差异。

MSS多光谱扫描仪(对面)

成像过程：每个探测器的瞬时视场为86μrad，卫星高为915km，因此，每个像元的地面分辨率为79km*79km，每个波段由6个相同大小的探测单元和飞行方向平行排列，到的地面大小为474km79km。因为扫描总视场是11.56°，地面宽度为185km，因此，每个波段每次扫描6条扫描线图像，其地面范围为474km*185km。因为扫描周期是73.42ms，卫星速度(地速)为6.5km/s，卫星在扫描时向前移动474km，所以扫描线恰到好处。

TM专题制图仪（Landsat-4/5)(对物面)

TM 多波段扫描仪是一种先进的地球资源敏感仪器 MSS 与性能相比，它具有更高的空间分辨率、更好的频谱选择性、更好的几何保真度、更高的辐射精度和分辨率。

特点：TM 增加了一个扫描改正器，使扫描行垂直于飞行轨道（MSS不垂直)；往返双向扫描；（MSS图像辐射分辨率为8bit；TM共有100个探测器，分为7个波段；每组16个探测器，错开排列。

ETM 增强型专用制图仪(对面)

ETM 是一台 8 多光谱扫描辐射计的谱段。

相比TM改进了以下三个方面：

（1）增加PAN(全色)波段，分辨率15m，因此，增加数据速率；
(2)利用双增益技术将远红外波段分辨率提高到600m,还增加了数据率；
(3)改进后的太阳定标器使卫星的辐射定标误差小于5%，其精度比Landsat-大约增加了一倍。辐射校正有了很大的改进。

（2）扫描面扫描成像仪(如：线阵列 CCD 扫描成像仪、电视摄像机等。):在图像表面立即形成一条线图像，甚至一个二维图像，然后扫描图像。

线阵列扫描仪—HRV（对像面）
成像方式:(1)瞬间:垂直航线的图像线(单中心)。(2)连续图像条带:沿轨道(多中心)通过扫描获取图像。
成像光谱仪(对像面)

成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其结构和CCD线阵列扫描仪与多光谱扫描仪相同。区别在于通道数量多，每个通道的波段宽度很窄。

特点:(1)高光谱分辨率:可获得可见光、近红外、短波红外、热红外波段多窄的连续光皮，波段多，间隔nm级，10-20 nm，个别到2.5 nm;

(2)图谱合一:图像可以在获得高光谱波段图像的同时显示每个像元的连续光谱。

                   （3）空间分辨力:航空的较高;航天的分为中分辨力和高分辨力。

                   （4）辐射分辨力和信噪比。

                   （5）数据量大。

微波成像类（侧视雷达）

侧视雷达成像与航空摄影区别：
（1）航空摄影利用太阳光作为照明源,侧视雷达利用发射的电磁波作为照射源。

（2）雷达在于它是根据回波时间记录数据,而摄影机或光学—机械扫描系统是根据系统视角记录数据的。

真实孔径雷达：（侧视雷达：将雷达天线置于飞行器的一侧或两侧；真实孔径：以天线的实际孔径工作。）真实孔径雷达图像获取过程：天线装在飞机的侧面,发射机向侧向面内发射一束窄脉冲,地物反射的微波脉冲,由天线收集后,被接收机接收。由于地面各点到飞机的距离不同,接收机接收到许多信号,以它们到飞机距离的远近,先后依序记录。信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。

真实孔径雷达的分辨率：

距离分辨率：指在脉冲发射方向上，能分辨两个目标的最小距离，与脉冲宽度有关，与距离无关。 （采用脉冲压缩技术来提高） 。

方位分辨率：指在雷达飞行方向上， 能分辨两个目标的最小距离。（采用波长较短的电磁波，加大天线孔径，缩短观测距离来提高） 。

合成孔径雷达：合成孔径技术的基本思想，是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。存贮时必须同时保存接收信号的幅度和相位。当辐射单元移动一段距离后,存贮的信号和实际天线阵列诸单元所接收的信号非常相似。

合成孔径天线对同一目标的信号不是在同一时刻得到，在每一个位置上都要记录一个回波信号。

理解:当雷达运动时,地面目标会被运动中的天线在不同位置上探测到，即在这些位置上天线发射的脉冲返回信号都会带有目标的信息。这些带有目标信息的回波经相干处理,最后可得到关于地物点的高分辨率的信息。
特点:在距离向上与真实孔径雷达相同，在方位向上则通过合成孔径原理,对位置不断变化时所接收的包含相位的信号进行记录处理,从而获得使用比所用实际天线更长的假设天线进行观测的效果,实现了在不需要长天线的情况下就能改善方位向分辨率的愿望。

侧视雷达图像的几何特征

斜距投影：垂直飞行方向上的像点位置是以飞行器到目标的斜距来确定，飞行方向上为正射投影。

由于斜距投影的特性，产生图像的几何特点：

       （1）垂直飞行方向的比例尺由小变大。
       （2）造成山体前倾朝向传感器的山坡影像被压缩，而背向传感器的山坡被拉长与中心投影相反，还会出现不同地位点重影现象。
       （3）高差产生的投影差与中心投影影像差位移的方向相反，位移量不同。
       （4）按摄影位置放置像片进行立体观测，看到的是反立体图像。

相干雷达（Interferometric SAR）:(1)雷达干涉测量是利用复雷达图像的相位差信息来提取地面目标地形三维信息的技术。(2)差分干涉测量是利用复雷达图像的相位差信息来提取地面目标微小地形变化信息的技术。(3)雷达相干测量是利用复雷达图像刚相于性信息来提取地物目标的属性信息。

INSAR 数据处理的步骤：影像配准，干涉图生成，噪声滤除，基线估算，平地效应消除，相位解缠，高程计算和纠正等。

遥感图像特征：获取的信息包括目标地物的大小、形状及空间分布特点,目标的属性特点,目标的运动变化特点。这些特点分为三个方面:几何,物理和时间特征。这三个方面特征的表现为:

（1）空间分辨率：像素所代表的地面范围大小，即扫描仪的瞬时视场，地面物体所能分辨的最小像元。

（2）光谱分辨率：传感器记录的电磁波的波长范围和数量(波长范围越窄，波段数越多，谱分辨率越高)。

（3）辐射分辨率：传感器区分所接收到的电磁波辐射强度差异的能力。

（4）时间分辨率：传感器对同一地区进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。