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第六章扫描成像摄影遥感的局限性:①记录波长在0.3~1.4微米间的电磁波辐射②胶片有限扫描成像的产生:扫描成像是20世纪50年代形成的一种新兴探测技术,进一步推动了遥感事业的发展。扫描成像的探测波段:包括紫外、红外、可见光、和微波波段。本章主要内容1、扫描方式2、扫描探测器的工作原理3、电子扫描成像4、光学机械扫描成像5、固体自扫描成像6.1扫描方式扫描方式主要有1、垂直航迹扫描扫描系统使用一个旋转镜或震荡镜沿与飞行路线成90角的扫描线来进行扫描。扫描仪不断地来回重复测量飞机左右两侧的能量,数据采集范围在飞机下方90~120的弧形内。垂直航迹扫描推帚式扫描垂直航迹多光谱扫描仪:使用一个旋转或者震荡镜,这个系统沿着与飞行线成直角的扫描线扫描地面,当飞机飞行时覆盖了连续的扫描线,产生了组成一帧二维图像的一系列紧邻的观测窄带。入射能量被分解成多个光谱成分,传感器都能感测这些光谱成分。2、沿航迹扫描(推帚式扫描)沿航迹扫描系统中没有扫描镜,它使用的是一个由探测器组成的线性阵列。典型的线性阵列包括了大量首尾相连的电荷耦合装置(CCD)。CCD——ChargeCoupledDevice电荷耦合装置6.2扫描探测器的工作原理1、光子或电子探测器光电探测器:根据光电效应,由金属材料制成的探测器称光电探测器。光电子发射器件在入射光子的作用下,表面电子能逸出成为自由电子。光电导型探测器:根据光电导现象制成的探测器,叫做光电导型探测器。光电导器件在入射光子的作用下自由载流子增加,导电率变大。光生伏特型探测器:根据光生伏特效应,由P-N结半导体材料制成的探测器。光伏器件在光子的作用下产生的光生载流子聚集在二极管的两侧形成电位差。2、光热效应与热敏感探测器1)热敏电阻型探测器辐射照射产生的热效应,可以引起半导体电阻的改变,从而把入射的辐射能量转变成输出电压,据此制造的探测器称为热敏感电阻型探测器。热敏电阻型探测器热释电型探测器2)热释电型探测器:在居里温度以下,利用极化强度与温度的关系制成探测器—热释电型探测器。居里温度:“铁电体”电介质,电压去除后仍保持着极化状态“自发极化状态”,其极化强度和温度有关,温度升高,极化强度减弱,升高到一定温度,自发极化消失。这个温度叫做居里温度。扫描探测器的主要性能参数1、响应率到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压,即输出电压与输入辐射能量之比。/sVR输入辐射能量输出电压2、响应波长范围探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系,把响应曲线峰值的一半所在波长(截止波长)之间的范围叫做响应波长范围。3、噪声电压探测器在工作时本身所固有的一些毫无规律的、事先无法预测的随机的电压起伏,叫噪声电压,简称噪声(Vn)。4、等效噪声功率如果投射到探测器上的辐射通量产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压,这个辐射量就叫做等效噪声功率(NEP)。)//(/snnVVRVNEP5、探测器灵敏度NEPfAD元件面积频带宽度6.3电子扫描成像扫描成像技术过程: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,利用光电效应和光热效应,将辐射能转换成电能(电流、电压),或者是其他物理特性的变化,形成一定谱段的图像从而对物体进行探测。电子扫描成像过程:电视摄像机是像面电子扫描成像传感器。卫星上使用的摄像机要求分辨率高,能在低照度的情况下工作。聚焦摄像传送显像6.3.1电子扫描过程1、聚焦过程2、摄像过程⑴形成电子密度图像⑵二次电子发射⑶电位像(对应景物的明暗点)⑷扫描3、传送过程摄像管输出的图像信号通过无线电波,从天线发出去,再由接收天线接收,这就是传送过程。4、显像过程电视接收机天线接收到调制过的视频信号,由显像管的电子枪发射出随视频信号而变化的电子束,电子束在荧光屏上迅速扫描由于荧光屏的余辉和人的视觉的暂留,因此可以看到整幅画面。6.4光学机械扫描成像1、收集器:透镜系统或反射镜系统2、分光器:将收集器收集的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成分。分光棱镜、衍射光栅和分光滤光片。3、探测器:探测分光后的电磁波并将其变换成电信号的元件。包括光电子发射型、光激发载流子型和热效率型。光电管光电二极管热释电探测器4、处理器从探测器出来的低电平信号需放大和限制带宽。可在探测器后面设置低噪声的前置放大器来进行这项工作。(CCD耦合器件)5、输出器胶片和磁带。胶片曝光时数据就记录在胶片上;输出数据也可以用磁带记录仪记录在磁带上。6.4.2光机扫描仪的成像过程扫描探测信号处理信号记录光学扫描过程涉及到的几个概念:瞬时视场角(IFOV):InstantaneousFieldOf-View扫描系统在某一时刻对空间所张的角度。决定了每个像元的视场。总视场角:光学扫描系统对目标扫描摆动的最大角度。像点:瞬间视场角对应的地面分辨单元是一个正方形,该正方形是瞬间视场角对应的地表面积。在影像上叫像元或像素。地面分辨率:瞬时视场角在地面上对应的距离叫地面分辨率。总视场(FOV):是遥感器能够受光的范围,决定成像宽度。6.5固体自扫描成像固体自扫描成像(又称电子光学型光谱扫描):用固定的探测元件,通过对遥感平台的运动对目标地物进行扫描的一种成像方式。与其他扫描成像的区别是探测器系统是电荷耦合器件CCD。优点:比现行的光学机械扫描仪地面分辨率高、结构简单。CCD(ChargeCoupledDevice):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,具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、动耗小寿命长、可靠性高等一系列优点,并可做成集成度非常高的组合件。CCD传感器分为线阵式和阵列式两种,具有代表性的产品:扫描仪数码相机6.5.1CCD的工作原理这样通过电压的变动就可以把电荷从硅表面层内的一处迁引到另一处,这就是所谓的自扫描。也就是电荷耦合器件的工作原理。6.5.2CCD的成像过程SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-V1*-V2(c)少数载流子的转移-V10V(b)少数载流子的捕获光照0V-V2(d)转移完成①当硅片的底部接受到从目标来的辐射照射时,在这一线阵列电极上各点的照度不一样,这是由目标的辐射特性决定的。②当辐射进入硅片后,只要波长合适就产生电子。③电子扩散到达表面层附近,进入最近的能阱。其结果就是在外加电压大的2、5、8电极下面的能阱里积累了一些辐射所激发的电子,电子的数目与该能阱附近的辐射强度成正比。④转换外加电压,使3、6、9的电压加大,这样原来在电极2、5、8下面的电子群就迁移到3、6、9电极下面,用同样的方式使电子转换到1、4、7下面。⑤在转换电压的同时,打开输出门,最后一个电极下的电子群就进入P-N结,成为视频输出信号。⑥当三组电压连续转换时P-N结就把图中从右到左的各个电子群变成信号输出。由于电子群中包括了辐射的信息,因此输出的信号代表了辐射的强度。这样输出的信号随时间变化,就相当于图面上自左至右的照度变化。6.5.3CCD探测器的类型为了缩短成像时间,提高遥感影像的质量,现采用多元阵列探测器,用几个敏感元同时扫描。根据探测单元的多少和排列,CCD探测器分为以下几种类型:⑴单元探测器⑵多元线性阵列探测器⑶多元阵探测器本章重点1、简要说明CCD的成像原理。2、分析反束光导摄像管的电子扫描过程。3、像元是如何定义的?思考:分析像面扫面和物面扫描的本质区别。
本文标题:遥感导论-第6章-扫描成像
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