遥感传感器综述

遥感传感器综述

一、遥感传感器的概念

遥感传感器是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具，是遥感技术系统的重要组成部分。

遥感传感器根据不同工作的波段，适用的传感器是不一样的。目前遥感中常用的传感器大致上可分为如下几类:

1）摄影类型的传感器

2）扫描类型的传感器

3）雷达成像类型的传感器

4）非图像类型的传感器

摄影机主要用于可见光波段范围。红外扫描器、多谱段扫描器除了可见光波段外，还可记录近紫外、红外波段的信息。雷达则用于微波波段。

二、遥感传感器的基本组成

遥感传感器主要由以下系统组成：

无论哪一种传感器，它们基本是由收集系统、探测系统,信息转化系统和记录系统四部分组成。

(1)收集系统：遥感应用技术是建立在地物的电微波谱特性基础之上的，要收集地物的电磁波必须要有一种收集系统，该系统的功能在于把接收到的电磁波进行聚集，然后关往探测系统。不同的遥感器使用的收集元件不同，最基本的收集元件是透镜、反射镜或天线。对于多波段遥感，收信系统还包括按波段分波束的元件，一般采用各种散元个成分光之件，例如：滤光片、棱镜、光栅等。

(2)探测系统：遥感器中最重要的部分就是探测元件，它是真正接收地物电磁辐射的器件，常用的探测元件有感光胶片，光电敏感元件，固体敏感元件和波导等。

(3)信号转化系统：除了摄影照相机中的感胶片，电广从光辐射输入到光信号记录，无须信号转化之外，其它遥感器都有信号转化问题，光电敏感元件，固体敏感元件和波导等输出的都是电信号，从电信号转换到光信号必须有一个信号转化系统，这个转换系统可以直接进行电光转化，也可进行间接转换，先记录在磁带上，再经磁带加放，仍需经电光转换，输出光信号

(4)记录系统：遥感器的最终目的是要把接收到的各种电磁波信息，用适当的方式输出，输出必须有一定的记录系统，遥感影像可以直接记录在摄影胶片等上，也可记录在磁带上等。

三、遥感影像的分辨率

1 空间分辨率

2 波谱分辨率

3 辐射分辨率（辐射灵敏度）

1 空间分辨率：能把两个相邻目标作为两个清晰实体记录下来的两目标间的最小距离。取决于：

（1）象元大小（pixel size)：每个象元对应地面的范围

（2）象解率（photographic resolution)：胶片上1毫米间隔内包含的线对数，用线对/毫米来表示。一条白线加一条黑线构成一个线对。象解率可以转换成为相应的象元大小

（3）瞬时视场角（IFOV aInstantaneous Field Of View）：电子传感器的瞬时视域，用毫弧度表示。瞬时视场角小，空间分辨率高；反之，空间分辨率低

（4）视场角（FOV field of view）：整个传感器能够受光的角度。相当于视场角的地面距离叫观测宽度或叫扫描宽度

2 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.取决于：（1）传感器的工作波段数目

（2）工作波段波长

（3）波长间隔（谱带宽度）

3 辐射分辨率：指传感器探测原件在接收波谱辐射信号时，能分辨的最小辐射差。

（1）取决于传感器辐射灵敏度

（2）数据的位数

四、光学遥感器的特性

光学遥感器所获取的信息中最重要的特性有三个，即光谱特性，辐射度量特性和几何特性，这些特性确定了光学遥感器的性能。

(1)光谱特性主要包括遥感器能够观测的电磁波的波长范围，各通道的中心波长等。在照相胶片型的遥感器中，其光谱特性主要由所用的胶片的感光特性和能用滤光片的透射特性率决定；而在扫描型的遥感器中，则主要由所用的探测元件及分光元件的特性来决定。

(2)光学遥感器的辐射度量特性主要包括遥感器的探测精度（包括所测亮度的绝对精度和相对精度)、动态范围(可测量的最大信号与遥感器的可检测的最小信号之比)，信噪比(有意义的信号功率与噪声功率之比)等等，除些之外，还有把模拟信号转换为数字量时所产生的量化等级，量化噪声等。

(3)几何特性是用光学遥感器的获取的图像的一些几何学特征的物理量的描述的，主要指标有视场角，瞬时视场，波段间的配准等，视场角(FieldOf View-FOV)指遥感器能够感光的空间范围，也叫立体角，它与摄影机的视角扫描仪的扫描宽度意义相同；瞬时视场(IntantaneousField OfView-IFOV)是指探测系统在某一瞬时视场辐射列成像仪的总的辐射通量，而不管这个瞬时视场内有多少性质不同的目标。也就是

说，遥感器不能分辩出小于瞬时视场的目标。因此，通常也把遥感器的瞬时视场称为它的“空间分辩率”，即遥感器所能分辨的最小目标的尺寸；波段面的配准用来衡量基准波段与其它波段的位置偏差。

五、扫描成像类传感器

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,这类传感器就叫做扫描成像类传感器。

扫描成像系统主要有以下三种：

1用分离探测器和扫描镜的光/机扫描系统

2线性阵列的固体自扫描系统

3线阵或面阵高光谱成像光谱扫描系统

1光/机扫描成像

1）概念：

依靠机械传动装置使光学镜头摆动，形成对目标地物逐点逐行扫描。探测元件把接受到的电磁波能量能转换成电信号，在磁介质上记录或再经电/光转换成为光能量，在设置于焦平面的胶片上形成影像。

2）光／机扫描仪工作原理：

扫描镜在机械驱动下，随遥感平台的前进运动而摆动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描镜反射，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。

3）几种常见的光／机扫描仪

红外扫描仪：接受地物的红外辐射能量，并把它传给探测元件。

多光谱扫描仪（MSS)：与红外扫描仪基本类似，其不同之处是，外加一个分光系统，把来自地物的电磁波信号，分成若干个不同的波段，同时用多个探测器同步记录相应波段的信息。而红外扫描仪只在红外波段工作。

专题制图仪TM：专题制图仪TM的成像原理与MSS一致，与MSS相比，空间分辨率由80米提高到30米；探测波段由4个增加到7个

4）几种常见光／机扫描仪的特点

利用光电探测器解决了各种波长辐射的成像方法。

输出的电学图像数据，存储、传输和处理方面十分方便。

装置庞杂，高速运动使其可靠性差；

在成像机理上，存在着目标辐射能量利用率低的致命弱点。

2固体自扫描成像

1）固体自扫描是用固定的探测元件，通过遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。

2）电子藕合器件CCD：是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件。具有感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、灵敏度高、动耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点。

3）扫描方式上具有刷式扫描成像特点。探测元件数目越多，体积越小，分辨率就越高。电子藕合器件CCD逐步替代光学机械扫描系统。

3高光谱成像光谱扫描

虽然多光谱遥感（MSS、TM、SPOT）较摄影遥感（单波段或少量波段）有许多优势。但是他们十分有限的波段、较宽的波段间隔均难以真实地反映地物的光谱反射特性的细微差异。成像光谱仪：既能成像又能获取目标光谱曲线的“谱像合一”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。

高光谱成像扫描仪的特点：

高光谱成像仪是遥感进展的新技术，其图像是多达数百个波段的非常窄的连续的光谱波段组成，光谱波段覆盖了可见光、近红外、中红外和热红外区域全部光谱带。

光谱仪成像时多采用扫描式和推帚式，可以收集200或200以上波段的数据。使图像中的每一像元均得到连续的反射率曲线，而不像其他一般传统的成像光谱仪在波段之间存在间隔。

六、雷达成像仪

1 雷达的定义

发射电磁波信号并接收在其作用范围内的观测物体（目标）的回波的装置

2 雷达成像原理

侧视雷达在飞机（或卫星）飞行时间向垂直于航线的方向发射一个很窄波束，这个波束在航向上很窄，在距离方向很宽，复盖了地面上一个很窄条带，飞机在飞行时不断发射这样的波束，并不断接收地面窄带上的各种地物的反射信号，于是由这些波束扫视地面一条带状区域，形成图中的成像带．每个波束是由所发射的一个短的脉冲形成，这个脉冲遇到目标后，一部分能量由地物反射返回雷达天线，即回标．地面上与飞机距离不同的目标反射的回波，由雷达天线和接收机按时间的先后次序接收下来，并由同步的亮度调制的光点在摄影胶片上按回波的强度大小记录下来，一条视频回波线就记录了窄条带上各种地物的图像．

3 微波遥感的特点

1）能全天候、全天时工作；

2）对某些地物具有特殊的波谱特征；

3）对冰、雪、森林、土壤等具有一定穿透力；

4）对海洋遥感具有特殊意义；

5）分辨率较低，但特性明显。

微波传感器的分辨率比较低，是由于其波长较长，衍射现象显著。