第三章传感器

第3传感器的概念传感器的组成传感器的分类传感器的性能摄影型传感器扫描方式传感器传感器的发展趋势3.1传感器的概念传感器（sensor）：也叫敏感器或探测器，它是收集、探测并记录地物电磁辐射信息的仪器。传感器是遥感技术系统的核心部分，它其性能制约着整个遥感技术的能力。即传感器对电磁波段的响应能力、传感器的空间分辨率及图像的几何特征、传感器获取地物信息量的大小和可靠程度。3.2传感器组成传感器的种类很多，但从结构上看，基本都是由收集器、探测器、处理器、输出器等器件组成。传感器的一般结构3.2传感器组成1、收集器负责收集或接收目标物发射或反射的电磁辐射能量，并把它们进行聚焦，然后送往探测系统。传感器的类型不同，收集器的设备元件不一样，最基本的是透镜（组），反射镜（组）或天线。摄影机：凸透镜扫描仪：反射镜雷达：天线3.2传感器组成2、探测器传感器中最重要的部分，探测元件是真正接收地物电磁辐射的器件，它的功能是负责将收集的辐射能转变成化学能或电能。测量和记录接收到的电磁辐射能。常用的探测元件有：感光胶片，光电管，光电二极管等光敏探测元件，以及热敏电阻等热敏探测元件等。3.2传感器组成2、探测器（1）感光胶片感光胶片通过光化学作用探测近紫外至近红外的电磁辐射，它的响应波段约为0.3~1.4μm之间，这一波段的电磁辐射能使感光胶片上的卤化银分解，析出银粒子颗粒的多少反映了光照的强弱并构成地面物象的潜影，胶片经过显影、定影处理，就得到稳定的可见影像。3.2传感器组成2、探测器（2）光电敏感元件光电敏感元件是利用某些特殊材料的光电效应把电磁波信息转换为电信号来探测电磁辐射的，其工作波段涵盖紫外至红外波段。光电敏感元件按其探测电磁辐射机理的不同，又分为光电子发射器件、光电导器件和光伏器件等。3.2传感器组成3、处理器处理器的主要功能是负责将探测到的化学能或电能信息进行加工处理，即进行信号的放大、增强或调制。如：胶片的显影及定影，电信号的放大处理，滤波。调制，变换等。3.2传感器组成4、输出器传感器的最终目的是要把接收到的各种电磁波信息，用适当方式输出图像，数据，亦即提供原始的资料、数据。如：摄影胶片，磁带记录仪，阴极射线管，电视显像管，彩色喷墨记录仪等。3.3传感器的分类1、按传感器工作方式分类：分为主动式传感器和被动式传感器。2、按传感器对电磁波信息的记录方式分类：分为成像方式的传感器和非成像方式的传感器。3、按传感器的成像原理和所获取图像的性质不同分类：分为摄影机、扫描仪和雷达三种。3.4传感器的性能传感器是遥感技术系统的关键设备，其性能直接影响到遥感成果的好坏。反映传感器的性能指标很多，其中最重要的且直接影响到应用效果的有四个：空间分辨率波谱分辨率时间分辨率温度分辨率3.4传感器的性能1、空间分辨率空间分辨率：影像上能够详细区分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。通常用像元大小，像解率或视场角来表示。空间分辨率取决于：（1）象元（pixel)：将地面信息离散化而形成的格网单元。（2）象解率（photographicresolution)：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（IFOVaInstantaneousFieldOfView）：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（FOVafieldofview）：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。3.4传感器的性能3.4传感器的性能对于现代的光电传感器：地面分辨率：影像上能够详细区分的最小单元所代表的地面实际尺寸的大小。影像分辨率：地面分辨率在不同的比例尺的具体影像上的反映。SPOT5的空间分辨率3.4传感器的性能2、波谱分辨率波谱分辨率：传感器所用的波段数、波长及波段宽度，也就是选择的通道数、每个通道的波长和带宽。一般来说传感器的波段越多，频带宽度越窄，所包含的信息量越大，针对性越强。波谱分辨率3、时间分辨率时间分辨率：对同一目标进行重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。传感器本身设计的时间分辨率认为设计的时间分辨率根据回归周期的长短，时间分辨率分为三种类型：短周期时间分辨率，以小时为单位中周期时间分辨率，以天为单位长周期时间分辨率，以年为单位3.4传感器的性能3.4传感器的性能4.温度分辨率温度分辨率：是指热红外传感器分辨地表热辐射（温度）最小差异的能力。它与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系，一般为噪声等效温度的2-6倍。一般限制在0.1-0.5k之间。而使系统的温度分辨率达到0.2-3.0k。3.5摄影型传感器1、摄影机构成各式各样的摄影机的光学成像是靠摄影机镜头，通过光线的折射和会聚作用而形成，虽然其形式各异，但它们的基本构造和组成，以及成像原理大体是一样的。摄影机主要由镜箱、光圈、摄影物镜和暗盒等部件组成，被摄目标反射的光线通过物镜（镜头）后，在成像面（胶片）上构成一个倒立的光学实像。2、常见摄影机框幅式摄影机缝隙式摄影机全景式摄影机多光谱摄影机3.5摄影型传感器3.5摄影型传感器2、常见摄影机框幅式摄影机这种传感器主要由收集器、物镜和探测器、感光胶片组成，另外还需有暗盒、快门、光栏、机械传动装置等。曝光后的底片上只有一个潜像，须经摄影处理后才能显示出影像来。这种传感器的成像原理是在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片（18厘米×18厘米或23厘米×23厘米幅面），一张像片上的所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面，即所谓中心投影，就是平面上各点的投影光线均通过一个固定点（投影中心或透视中心），投射到一平面（投影平面）上形成的透视关系。3.5摄影型传感器2、常见摄影机缝隙式摄影机又称推扫式摄影机或航带摄影机。在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影象，是与航线方向垂直且与缝隙等宽的一条线影象。当飞机或卫星向前飞行时，摄影机焦平面上与飞行方向成垂直的狭缝中的影象也连续变化。当摄影机内的胶片不断卷动，且其速度与地面在缝隙中的影象移动速度相同，则能得到连续的航带摄影像片。胶片卷动速度V与飞行速度v和相对航高H有关，以获得清晰的影象V=v*f/H，f为焦距。缝隙式摄影机3.5摄影型传感器2、常见摄影机全景式摄影机又称扫描摄影机或摇头摄影机。在物镜的焦面上平行于飞行方向设置一条狭缝，并随物镜作垂直于航线方向扫描，得到一幅扫描成像的图象。物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影象都摄入底片。但由于全景相机的像距保持不变，而物距随扫描角的增大而增大，因此出现两边比例尺逐渐缩小的现象，整个影像产生所谓全景畸变。再加上扫描的同时，飞机向前运动，以及扫描摆动的非线性等因素，使影像的畸变更为复杂。全景式摄影机3.5摄影型传感器2、常见摄影机多光谱摄影机对同一地区，在同一瞬间摄取多个波段影像的摄影机。可充分利用地物在不同光谱区有不同的反射特征，来增多获取目标的信息量，以提高识别地物能力。有三种基本类型：多摄影机型多光谱摄影机、多镜头型多光谱摄影机和光束分离型多光谱摄影机。3.5摄影型传感器2、常见摄影机多光谱摄影机多摄影机型：用几架普通的航空摄影机组装而成的。对各摄影机分别配以不同的滤光片和胶片的组合，采用同时曝光控制，以进行同时摄影。3.5摄影型传感器2、常见摄影机多光谱摄影机多镜头型：由多个物镜构成的摄影机，它是用普通航空摄影机改制而成的，在一架摄影机上配置多个镜头，同时必须选配响应的滤光片与不同光谱感光特性的胶片组合，使各镜头在底片上成像的光谱，限制在规定的各自的波段区内。3.5摄影型传感器2、常见摄影机多光谱摄影机光束分离型：利用单镜头进行多光谱摄影，在摄影时，光束通过一个镜头后，经分光装置分成几个光束，然后分别透过不同的滤光片，分成不同波段，在相应的感光胶片上成像，实现多光谱摄影。3.5摄影型传感器测图用的航空摄影机须满足很好的光学条件及几何条件：镜头畸变要小；解象力要高，包括在图像的边缘部分都能得到清晰的图像；光轴与胶片平面必须正交；可以精密测量出光轴与象面的位置关系，即摄影机的内方位元素胶片应具备严格的平面性，要用真空装置将胶片压紧；为使相机在高速运动中取得清晰的、消除象移的图像，要配有使胶片平面移动的象移补偿装置。3.5摄影型传感器性能型号焦距(mm)像幅(cm×cm)视场角(0)相对孔径曝光时间(秒)最大标称畸变值(μm)德国奥普托公司(opton)RMKA8515321030561023×2323×2323×2323×2323×23125937556301：41：41：5.61：5.61：6.31/50～1/5001/100～1/10001/100～1/10001/100～1/10001/100～1/1000734350瑞士威特公司(wild)RC－8RC－9RC－1015288.53042131528823×2323×2323×2323×2323×2323×23901205070901201：5.61：5.61：41：41：5.61：5.61/100～1/7001/200～1/3001/100～1/10001/100～1/10001/100～1/10001/100～1/10001050854～711～23前苏联AφA－T36557010014020035018×1818×1818×1818×1818×1818×1818×181481331221038565401：7.71：8.21：6.81：6.81：6.81：91：61/40～1/2501/40～1/2501/40～1/2501/40～1/2501/40～1/2501/40～1/250最短1/3004020～3020～30202030中国航甲－177010018×1810×101221041：5.61：5.61/50～1/5001/50～1/5002520HS8815223×2323×23120901：5.61：5.61/100～1/7001/100～1/70010103.5摄影型传感器航天摄影机，在满足上述6条基本要求外，还会遇到以下一些特殊问题需要解决，即：必须选择表面质量、光学均匀性和抗弯强度极好的玻璃做为窗口，并有清除窗口污染的装置为了随时得到合适的曝光量，必须装备自动暴光控制装置控制窗口内合适的温度、压力和湿度，尽量减少这些因素对空间摄影机光学系统的影响由于星体的快速移动、平台高度大，须采用高感光度的胶片为了补偿胶片变形，一般带有格网摄影电视摄影机光机扫描仪推帚式扫描仪（CCD固体扫描仪）高光谱传感器侧视雷达传感器3.6扫描方式的传感器1.电视摄像机3.6扫描方式的传感器电视摄像机体积较小，重量较轻，是对像面进行电子扫描方式的扫描仪，在早期的Landsat卫星上曾携带过，即使在低照明的条件下页能工作，但由于寿命很短而停用，在遥感中使用也较少。2.光机扫描仪3.6扫描方式的传感器光机扫描仪是借助于遥感平台沿飞行方向运动和传感器本身光学机械横向扫描达到地面覆盖、得到地面条带图像的成像装置。多光谱扫描仪（MSS）红外扫描仪收集器分光器探测器处理器输出器2.光机扫描仪3.6扫描方式的传感器收集器在航天遥感中常用透镜系统或反射镜系统作为光机扫描仪收集的地面电磁波辐射信息的器件。可见光和近红外区：透镜系统和反射镜系统热红外区：反射镜系统2.光机扫描仪3.6扫描方式的传感器分光器将收集器收集的的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成分。常用的分光器器件：分光棱镜衍射光栅分光滤光片3.6扫描方式的传感器2.光机扫描仪探测器探测分光后的电磁波并把它变换成电信号的元件。光电子发射型：光电管、光电倍增管光激发载流子型：光电二极管、光电晶体管、光电导管、线阵列传感器等热效应型：把红外辐射能转换成电能3.6扫描方式的传感器2.光机扫描仪探测器其性能常用以下几个指标来反映：瞬时视场角：在某一很短的时间内，假定飞