传感器及其成像原理精选PPT.ppt

关于传感器及其成像原理第1页，讲稿共58张，创作于星期一2遥感传感器遥感传感器（Sensor）遥感传感器是获取遥感数据的设备，是遥感技术最核心的部遥感传感器是获取遥感数据的设备，是遥感技术最核心的部分，直接用于测量地物的电磁波特性。分，直接用于测量地物的电磁波特性。传感器一般结构传感器一般结构传感器一般结构传感器一般结构第2页，讲稿共58张，创作于星期一3传感器类型（1 1）按有无发射电磁波的能力分）按有无发射电磁波的能力分n n主动主动n n被动被动（2 2）按是否成像分）按是否成像分n n成像成像n n非成像非成像（3 3）按利用的电磁波段分）按利用的电磁波段分n n光学光学 (0.01(0.01微米微米11毫米毫米)n n微波微波 (1(1毫米毫米11米米)（4 4）按基本结构原理分：）按基本结构原理分：n n摄影类型的传感器摄影类型的传感器n n扫描成像类型的传感器扫描成像类型的传感器n n雷达成像类型的传感器雷达成像类型的传感器n n非成像类型的传感器非成像类型的传感器第3页，讲稿共58张，创作于星期一4扫描成像类型传感器n n 逐点、逐行地以时序方式获逐点、逐行地以时序方式获 取二维图像。取二维图像。n n一般利用光学波段，也可称为光学传感器。一般利用光学波段，也可称为光学传感器。n n光学传感器特性光学传感器特性n n光谱特性：光谱特性：光谱特性：光谱特性：传感器能够测量的电磁波波长范围、各波段中心波长、波段宽度。传感器能够测量的电磁波波长范围、各波段中心波长、波段宽度。（光谱分辨率）（光谱分辨率）n n辐射度量特性辐射度量特性辐射度量特性辐射度量特性：指传感器辐射度量的灵敏度，能够度量的辐射动态范围。（辐射分辨：指传感器辐射度量的灵敏度，能够度量的辐射动态范围。（辐射分辨率）率）n n几何特性：几何特性：几何特性：几何特性：n n FOV(Field of View)FOV(Field of View)：视场，是传感器能够受光的范围，决定成像的宽度；：视场，是传感器能够受光的范围，决定成像的宽度；n n IFOV(Instantaneous Field of View)IFOV(Instantaneous Field of View)：瞬时视场，是形成每个像元的视场，决定地：瞬时视场，是形成每个像元的视场，决定地面分辨率。面分辨率。n n两种扫描形式：两种扫描形式：两种扫描形式：两种扫描形式：n物面扫描：物面扫描：对地面直接扫描成像，例红外扫描仪、多光谱扫描仪、自旋和步进式成像仪、多频段频谱仪等。n像面扫描：像面扫描：瞬间在像面上先形成线图像或二维图像，然后对影像进行扫描成像，例如线阵列CCD推扫式成像仪、电视摄象机等。n成像光谱仪第4页，讲稿共58张，创作于星期一5红外扫描仪红外扫描仪1 1扫描成像过程扫描成像过程红外扫描仪特性红外扫描仪特性扫描线的衔接扫描线的衔接热红外像片的色调特征热红外像片的色调特征第5页，讲稿共58张，创作于星期一61、扫描成像过程 旋转棱镜横越航线方向扫视旋转棱镜横越航线方向扫视第一个扫描镜面扫视一次，第一个扫描镜面扫视一次，n n 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；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；（收集器）（收集器）n n 经探测器输出视频信号，再经电子放大器放大和调制；（探测器、处理经探测器输出视频信号，再经电子放大器放大和调制；（探测器、处理器）器）n n 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（输出器）条图像线经曝光后在底片上记录下来（输出器）。第二个扫描镜面扫视一次，第二个扫描镜面扫视一次，第三个扫描镜面扫视一次，第三个扫描镜面扫视一次，飞机向前运动，胶片同步转动，记录的下一条图像正好与前飞机向前运动，胶片同步转动，记录的下一条图像正好与前一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相对应的二维条一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相对应的二维条带图像。带图像。第6页，讲稿共58张，创作于星期一72、红外扫描仪特性n n空间分辨率空间分辨率n n温度分辨率温度分辨率 温度分辨率与温度分辨率与 有关；有关；传感器系统内噪声等效温度限制在传感器系统内噪声等效温度限制在0.10.5K0.10.5K之间之间;系统的温度分辨率一般为等效噪声温度的系统的温度分辨率一般为等效噪声温度的2626倍。倍。探测器的响应率探测器的响应率传感器系统内的噪声传感器系统内的噪声第7页，讲稿共58张，创作于星期一8垂直向下观测时 一般情况下，一般情况下，在设计仪器时已确定，在设计仪器时已确定，所以所以 的变化仅与的变化仅与的变化仅与的变化仅与 H H有关有关有关有关。第8页，讲稿共58张，创作于星期一9倾斜观测时第9页，讲稿共58张，创作于星期一10 因为因为 ，且它们随扫描角变化而变化，所以红外且它们随扫描角变化而变化，所以红外图像上必然产生畸变。图像上必然产生畸变。全景畸变 全景畸变是红外扫描仪这种成像方式所固有的现象，全景畸变是红外扫描仪这种成像方式所固有的现象，在使用红外扫描图像时一定要注意。在使用红外扫描图像时一定要注意。第10页，讲稿共58张，创作于星期一11其中：其中：为飞机的地速；为飞机的地速；为探测器地面分辨率；为探测器地面分辨率；为旋转棱镜扫描一次的时间。为旋转棱镜扫描一次的时间。3、扫描线的衔接要让每两次扫描衔接，必须满足：要让每两次扫描衔接，必须满足：将出现扫描漏洞；将出现扫描漏洞；将出现扫描重叠。将出现扫描重叠。进一步地，进一步地，因此，只要速度和航高之比为一常数，就能使扫描线正确衔接。因此，只要速度和航高之比为一常数，就能使扫描线正确衔接。第11页，讲稿共58张，创作于星期一124、热红外像片的色调特征n n热红外像片上的色调变化与相应地物的辐射强度变化成函数关系；n n与地物辐射强度有关的因素：n n 地物的发射率地物的发射率n n 地物的温度地物的温度n n地物辐射强度的变化对温度更为敏感；n n温度的变化在图像上能产生较高的色调差别。第12页，讲稿共58张，创作于星期一13多光谱扫描仪n nMSS（Multispectral Scanner）n nTM（Thematic Mapper）n nETM（Enhanced Thematic Mapper）第13页，讲稿共58张，创作于星期一14MSSnMSS结构n成像过程n地面接收及产品第14页，讲稿共58张，创作于星期一151、MSS结构n n扫描反射镜扫描反射镜 椭圆形、表面镀银，摆动幅度为椭圆形、表面镀银，摆动幅度为2.892.89度，频率为度，频率为13.6213.62赫兹，周期为赫兹，周期为73.4273.42毫秒，总视场角为毫秒，总视场角为11.5611.56度。度。可获取垂直飞行方向两边共可获取垂直飞行方向两边共185185公里范围内景物的辐射能量，配合飞行器的公里范围内景物的辐射能量，配合飞行器的运动获得地表的二维图像。运动获得地表的二维图像。n n反射镜组反射镜组 包括主、次反射镜组，将扫描镜反射进入的地面景物聚焦在成像板上。包括主、次反射镜组，将扫描镜反射进入的地面景物聚焦在成像板上。n n成像板成像板 排列排列24+224+2个玻璃纤维单元。分四列，每列对应一个波段。每个纤维单元瞬时视个玻璃纤维单元。分四列，每列对应一个波段。每个纤维单元瞬时视场为场为8686微弧。微弧。n n探测器探测器 个数与玻璃纤维单元个数相同，类型与波段有关。能将辐射能变成电信号输出。个数与玻璃纤维单元个数相同，类型与波段有关。能将辐射能变成电信号输出。第15页，讲稿共58张，创作于星期一16成成像像板板第16页，讲稿共58张，创作于星期一172、成像过程n n扫描一次每个波段获取6条扫描线图像，对应地面范围为474米x185公里。n n在扫描一次的时间里卫星往前正好运动474米，扫描线正好衔接。但因地球自转，扫描位置有向西移位现象。n n成像板上的光学纤维将接收的辐射能传递到探测器，对探测器的输出进行采样、编码（A/D转换），馈入天线向地面发送。第17页，讲稿共58张，创作于星期一18第18页，讲稿共58张，创作于星期一193、地面接收及产品n n遥感数据地面接收由遥感地面接收站完成；遥感数据地面接收由遥感地面接收站完成；n n接收站主要接收接收站主要接收遥感图像信息遥感图像信息卫星姿态、星历参数卫星姿态、星历参数 地面接收站包括地面接收站包括 天线及伺服系统、接收分系统、天线及伺服系统、接收分系统、计算机、模拟检测系统、定时系统、信标塔等。计算机、模拟检测系统、定时系统、信标塔等。第19页，讲稿共58张，创作于星期一20MSS产品n n粗加工产品 经过辐射校准、几何校正、分幅注记经过辐射校准、几何校正、分幅注记n n精加工产品 在粗加工的基础上，用地面控制点进行了纠正在粗加工的基础上，用地面控制点进行了纠正n n特殊处理产品 根据用户的要求做了一些特殊处理根据用户的要求做了一些特殊处理第20页，讲稿共58张，创作于星期一21 对MSS的主要改进：n扫描行垂直于飞行轨道；往返双向都对地面扫描；（扫描改正器）n更高的空间分辨率；n更好的频谱选择；n更好的几何保真度；n更高的辐射准确度和辐射分辨率。TM第21页，讲稿共58张，创作于星期一22TM空间分辨率探测器100100个探测器，分个探测器，分7 7个波段个波段TM15TM15、7 7：每个探测器的瞬：每个探测器的瞬时视场为时视场为3030米米x30 x30米米TM6TM6：每个探测器的瞬时视场：每个探测器的瞬时视场为为120120米米X120X120米米一次扫描成像为地面的一次扫描成像为地面的480480米米x185x185公里公里第22页，讲稿共58张，创作于星期一23TM波段选择通道通道 波长范围（微米）波长范围（微米）特征特征TM1TM10.450.52(0.450.52(蓝蓝)对针叶林识别能力强对针叶林识别能力强TM2TM20.520.60(0.520.60(绿绿)与与TM1TM1合成，能显示水体的蓝绿比值，用合成，能显示水体的蓝绿比值，用来估测可溶性有机物和浮游生物来估测可溶性有机物和浮游生物TM3TM30.630.69(0.630.69(红红)识别土壤边界和地质界线的最有利的光谱识别土壤边界和地质界线的最有利的光谱区区TM4TM40.760.90(0.760.90(红外红外)识别植物的有利波段，识别植物的有利波段，TM2/TM4TM2/TM4对绿色对绿色生物量和植物含水量敏感生物量和植物含水量敏感TM5TM51.551.75(1.551.75(红外红外)可用来可用来 进行收成中干旱的监测和植物生进行收成中干旱的监测和植物生物量的确定；也可用来区分不同类型的岩物量的确定；也可用来区分不同类型的岩石，区分云、地面冰和雪；确定湿土和土石，区分云、地面冰和雪；确定湿土和土壤的湿度壤的湿度TM6TM610.412.6(10.412.6(热红外热红外)用于植物分类，农作物估产，用于热制图用于植物分类，农作物估产，用于热制图和热惯量制图实验和热惯量制图实验TM7TM72.082.35(2.082.35(红外红外)用于地质制图，特别是热液变岩环制图，用于地质制图，特别是热液变岩环制图，还可用于识别农作物长势还可用于识别农作物长势第23页，讲稿共58张，创作于星期一24n n辐射准确度和较高辐射分辨率是定量遥感的基础。n n扫描仪内设有一个白炽灯，用来作可见光和近红外波段的标准源；TM6用黑体源作为校正源。n n每个像元的亮度值用8bit编码。第24页，讲稿共58张，创作于星期一25ETM+对TM的改进:n增加了一个分辨率为15米的PAN波段（0.50.9微米);n使TM6的分辨率提高到60米;n改进后的太阳定标器使卫星的辐射定标精度大大提高。第25页，讲稿共58张，创作于星期一26HRV （High Resolution Visible Range InstrumentHigh Resolution Visible Range Instrument）n nHRV的结构n nHRV的成像原理n nHRV立体观测第26页，讲稿共58张，创作于星期一27 CCDCharge Coupled Device CCDCharge Coupled Device，电荷藕合器件，电荷藕合器件，可做可见光和近红外波段的探测元件。可做可见光和近红外波段的探测元件。第27页，讲稿共58张，创作于星期一28 SPOT卫星上的两种HRV：n n多光谱型多光谱型HRVHRV全色全色HRVHRV三个波段：三个波段：波段波段1 0.50.591 0.50.59微米微米波段波段2 0.610.682 0.610.68微米微米波段波段3 0.790.893 0.790.89微米微米每个元件地面分辨率为每个元件地面分辨率为2020米米x20 x20米米,3000,3000个个CCDCCD形成的形成的图像线为地面图像线为地面2020米米x60 x60公里公里,每个像元亮度用每个像元亮度用8bit8bit编码。编码。每个元件地面分辨率为每个元件地面分辨率为1010米米x10 x10米米,6000,6000个个CCDCCD形成的形成的图像线为地面图像线为地面1010米米x60 x60公里公里,像元亮度用像元亮度用6bit6bit进行进行差值差值差值差值编码。编码。波段范围波段范围 0.510.730.510.73微米微米CCDHRV成像原理第28页，讲稿共58张，创作于星期一29n n线阵列探测器在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线，不线阵列探测器在瞬间能同时得到垂直航线的一条图像线，不需要用摆动的扫描镜，以需要用摆动的扫描镜，以“推扫推扫”方式获取沿轨道的连续图方式获取沿轨道的连续图像条带。像条带。第29页，讲稿共58张，创作于星期一30n nSPOTSPOT上并排安装两台上并排安装两台HRVHRV，每台视场宽都为，每台视场宽都为60KM60KM，两者间有，两者间有3KM3KM重叠，总视场宽为重叠，总视场宽为117KM117KM；相邻轨道间约；相邻轨道间约有有9KM9KM重叠。重叠。第30页，讲稿共58张，创作于星期一31HRV立体观测n n平面反射镜可向左右两侧旋转，最大角度达27度，从而实现倾斜观测；n n轨道间立体观测；n n通过轨道间重复观测，可建立立体模型；可获取多时相图像。第31页，讲稿共58张，创作于星期一32成像光谱仪成像光谱仪高光谱遥感谱像合一 空间成像技术地物光谱技术 成像光谱仪对同一地区同对同一地区同时获取几十个时获取几十个到几百个波段到几百个波段的地物反射光的地物反射光谱图像谱图像更高技术要求：更高技术要求：集光系统集光系统分光系统分光系统探测器元件探测器元件 尽量使用反射式光学系统，采用能消去球面像尽量使用反射式光学系统，采用能消去球面像差、像散差和畸变像差的非球面补偿镜头差、像散差和畸变像差的非球面补偿镜头由狭缝、平行光管、棱镜和绕射光栅组成由狭缝、平行光管、棱镜和绕射光栅组成由成千上百个探测元件组成线阵由成千上百个探测元件组成线阵第32页，讲稿共58张，创作于星期一33两种类型两种类型n n面阵探测器面阵探测器+推扫式扫描推扫式扫描用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后，分别成像于面阵列的不同行。干个波段后，分别成像于面阵列的不同行。利用色散元件和面阵探测器完成利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描光谱扫描光谱扫描光谱扫描；利用线阵探测器及沿轨道方向；利用线阵探测器及沿轨道方向的运动完成的运动完成空间扫描空间扫描空间扫描空间扫描。空间分辨率高。空间分辨率高。第33页，讲稿共58张，创作于星期一34n n线阵探测器线阵探测器+光机扫描光机扫描 n n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，分别成像于线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，分别成像于线阵列探测器的不同元件上。阵列探测器的不同元件上。n n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行完成空间扫描；利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行完成空间扫描；利用线探测器完成光谱扫描。用线探测器完成光谱扫描。第34页，讲稿共58张，创作于星期一35第35页，讲稿共58张，创作于星期一36雷达成像类型传感器利用波长1cm1m的微波波段进行遥感主动式、成像、微波传感器不受天气的制约，可进行全天候观测距离测量系统第36页，讲稿共58张，创作于星期一37雷达结构与工作原理雷达结构与工作原理雷达结构与工作原理雷达结构与工作原理 发射机产生脉冲信号，由转换开关控制，经天线向观测地区发射；地物反射脉冲信号，也由转换开关控制进入接收机，接收的信号在显示器上显示，或记录在磁带上。第37页，讲稿共58张，创作于星期一38 其中包含其中包含系统参数系统参数系统参数系统参数如雷达波的波长、发射功率、照射面积和方向、极化等；以如雷达波的波长、发射功率、照射面积和方向、极化等；以及及目标参数目标参数目标参数目标参数如地物的复介电常数，地面粗糙等等。如地物的复介电常数，地面粗糙等等。到目标的距离、方位到目标的距离、方位与目标的相对速度与目标的相对速度目标的反射特性目标的反射特性n 雷达接收回波距离：距离：回波强度：回波强度：第38页，讲稿共58张，创作于星期一39主要内容n n真实孔径雷达n n合成孔径雷达n n侧视雷达图像的几何特征n n相干雷达第39页，讲稿共58张，创作于星期一40真实孔径侧视雷达n n发射机向侧向面内发射一束发射机向侧向面内发射一束脉冲，被地物反射后，由天脉冲，被地物反射后，由天线接收；线接收；n n由于地面各点到雷达的距离由于地面各点到雷达的距离不同，接收机收到许多信号，不同，接收机收到许多信号，以它们到雷达距离的远近，以它们到雷达距离的远近，先后依序记录；先后依序记录；n n信号的强度除与系统参数外，信号的强度除与系统参数外，还与辐照带内各种地物的特性、还与辐照带内各种地物的特性、形状、坡向等有关；形状、坡向等有关；n n回波信号经电子处理器处理后形回波信号经电子处理器处理后形成的图象线被记录；成的图象线被记录；n n随着飞机的飞行，对一条条辅照随着飞机的飞行，对一条条辅照带连续扫描，得到由回波信号强带连续扫描，得到由回波信号强弱表示的条带图像，实现对地面弱表示的条带图像，实现对地面的二维扫描。的二维扫描。一、成像过程:第40页，讲稿共58张，创作于星期一41二、分辨率n n距离分辨率距离分辨率 在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离。的最小距离。n n方位分辨率方位分辨率 指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离目标的最小距离。第41页，讲稿共58张，创作于星期一42对分辨率的讨论：n n距离分辨率距离分辨率n n距离分辨率与距离并无关系距离分辨率与距离并无关系n n可采用减小脉冲宽度的方法改善距离向分辨率可采用减小脉冲宽度的方法改善距离向分辨率n n减小脉冲宽度是有一定限度的减小脉冲宽度是有一定限度的n n方位分辨率方位分辨率要提高方位分辨率，理论上可采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离的方法要提高方位分辨率，理论上可采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离的方法但三种方法，使用时均受到一定限制但三种方法，使用时均受到一定限制可采用合成孔径技术来改善方位分辨率可采用合成孔径技术来改善方位分辨率第42页，讲稿共58张，创作于星期一43合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar）一、工作原理：n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；n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，存储时必须同时保存接收信号的幅度和相位；如果把真实孔径天线划分成许多小单元，则每个小单元接收回波信号的过程与合成孔径天线在不同位置上接收回波的过程相似；n每个信号由于目标到飞机之间球面波的距离不同，相位和幅度也不同，不过其变化有规律可循；n由接收信号形成的图像是相干图像，需经处理后，才能恢复地面的实际图像。第43页，讲稿共58张，创作于星期一44第44页，讲稿共58张，创作于星期一45第45页，讲稿共58张，创作于星期一46第46页，讲稿共58张，创作于星期一47第47页，讲稿共58张，创作于星期一48二、合成孔径雷达的方位向分辨率n n则用合成孔径雷达的实际天线孔径来成像则用合成孔径雷达的实际天线孔径来成像n n用合成孔径技术后用合成孔径技术后例：若天线孔径为8m，波长为4cm，目标与飞机间的距离为400km第48页，讲稿共58张，创作于星期一49侧视雷达图像的几何特征n斜距投影第49页，讲稿共58张，创作于星期一50uu 几何特征几何特征1 1、比例尺、比例尺:垂直飞行方向垂直飞行方向(y)(y)的的比例尺由小变大。比例尺由小变大。2 2、ForshorteningForshortening Layover Layover Shadowing Shadowing山体前倾，朝向传感器的山坡影像被压缩，背向传感器的山坡被拉长。会出现不同地物的重影现象阴影区地物无回波信号第50页，讲稿共58张，创作于星期一513 3、高差产生的投影差与中心投影差位移的方向相反，位移量也不同。、高差产生的投影差与中心投影差位移的方向相反，位移量也不同。4 4、雷达立体图像的构像特点、雷达立体图像的构像特点两种立体成像方式：n同侧获取立体像对n异侧获取立体像对第51页，讲稿共58张，创作于星期一52相干雷达合成孔径雷达二维成像SAR 合成孔径雷达干涉测量InSAR将由雷达影像复数据推导出的雷达信号的相位信息作为信息源，利用这些相位信息提取地表的三维信息。通过安装在运动平台上的雷达天线不断地发射脉冲信号，接收它们在地面的回波信号，经信号的成像处理形成二维SAR影像，影像中的每一像素的幅度只与目标的后向散射系数有关。定性遥感定量遥感第52页，讲稿共58张，创作于星期一53相干雷达成像原理n通过 ，获取地面同一景观的 复数影像对复数影像对复数影像对复数影像对。n由于目标与天线位置的几何关系，在复图像上产生相位差，形成干涉条纹图干涉条纹图干涉条纹图干涉条纹图。干涉条纹图包含了斜距向上的点与两天线位置之位置之位置之位置之差差差差的精确信息。n利用传感器高度，雷达波长，波束视向及天线基线距之间的几何关系，可以精确地测量出图像中每一点的三维位置。两副天线同时观测（单轨模式）两次平行观测（重复轨道模式）第53页，讲稿共58张，创作于星期一54两次平行观测（重复轨道模式）n n基本原理基本原理S1发射电磁波，S1和S2同时接收目标反射的回波，则返回信号的相位为：对S1和S2有相位差（P为系数 ）单轨道双天线模式 P=1单天线重复轨道模式 P=2第54页，讲稿共58张，创作于星期一55若复数影像对应像素值共轭相乘，得干涉图从而，得相位差需要通过相位解缠（phase unwrapping）求得绝对相位差。第55页，讲稿共58张，创作于星期一56高程计算：第56页，讲稿共58张，创作于星期一57数据处理 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 高程计算和纠正第57页，讲稿共58张，创作于星期一感谢大家观看第58页，讲稿共58张，创作于星期一