遥感学习笔记--3--传感器
传感器
传感器是收集、探测、记录地物电磁波辐射能量的装置，是遥感技术的核心部分。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性、传感器获取地物电磁波信息量的大小和可靠程度等性能决定了遥感的能力。
1、传感器的组成
收集器、探测器、处理器、输出器
收集器：收集来自地物的电磁波能量。如航空摄影机的透镜、扫描仪的反射镜等。对于多波段，还需要进行分光处理，即把光分解成不同波长的波段范围。
探测器：将收集的辐射能转变为化学能或电能。如摄影感光胶片、光电管、光电倍增管、光电二极管、光电晶体管等光敏探测元件，以及碲化铟、碲镉汞、热敏电阻等探测元件等。
处理器：将探测后的化学能或电能等信号进行处理。如胶片的显影及定影、电信号的放大处理、滤波、调制、变换等。
输出器：输出获得的图像、数据。如摄影胶片、磁带记录仪等。
2、传感器的分类
（1）按工作方式：主动式、被动式
主动式传感器本身向目标发射电磁波，然后收集从目标身上反射回的电磁波；被动式收集的是地面目标反射来自太阳的能量或目标地物自身辐射的电磁波能量。
（2）按记录方式：成像方式、非成像方式
成像方式传感器把收到的电磁波能量强度用图像的形式表示，如航空摄影机、扫描仪、成像光谱仪、成像雷达等；非成像方式把探测到的地物电磁波能量强度用数字、曲线图形表示，如微波辐射计、微波高度计等。
（3）按成像原理和所获取图像性质：摄影成像、扫描成像、雷达
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摄影成像传感器是通过成像设备来获取物体影像的技术，传统摄影依靠光学镜头及放置在焦平面的感光胶片来记录物体影像；数字摄影则通过放置在焦平面的光敏元件，经光电转换，以数字信号来记录物体的影像。
光学摄影波段：短波的紫外多被大气吸收与散射，在遥感中很少被利用，因此，人们常把可见光---近红外（0.38~0.9um）谱段作为光学摄影波段。
应用于航空摄影测量：
黑白全色片感光乳胶层对整个摄影波段(0.3~0.9um)均有响应；
黑白红外片感光乳胶层仅对近红外波段有响应；
天然彩色胶片的感光膜是由三层乳胶层组成。片基以上依次为感红层、感绿层、感蓝层。胶片对整个可见光波段的光线敏感，所得的彩色图像近于人的视觉效果；
彩红外胶片的三层感光乳胶层中，以感红外光层替代了天然彩色胶片的感蓝层，因此，片基以上依次为感红层、感绿层、感红外层。
早期间谍卫星：SPIN-2、TK-350、KVR-1000
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扫描成像传感器，探测范围可以从可见光区至整个红外区，并且它采用专门的光敏或热敏探测器把收集到的地物电磁波能量变成电信号记录下来，然后可通过无线电频道向地面发送，从而实现遥感信息的实时传输。
分为以下三种：
光机扫描仪（光学机械扫描仪、线阵式）
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。
成像过程：扫描镜安装在飞行器上，在机械驱动下，随遥感平台（飞机、卫星）的前进运动而摆动，作垂直于飞行方向的运动，依次对地面进行扫描，地面物体的辐射波束经扫描反射镜反射，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。地物景像被逐点扫过，并逐点分波段测量，从而获得多光谱的遥感图像信息。
应用：多光谱扫描仪、红外扫描仪、专题制图仪tm
常见的光机扫描成像系统：
Landsat/MSS
Landsat/TM 1、2、3、4、5、6、7
Landsat/ETM+
NOAA/AVHRR(CH1、CH2)
FY-1/AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer改造型甚高分辨率辐射仪）
FY-2/VIWSSR（可见光、红外和水汽自旋扫描辐射计）
推扫式扫描仪（面阵式）
光机扫描仪是利用旋转扫描镜，逐个像元轮流采光，即沿扫描线逐点扫描成像；推扫式扫描仪不使用摆动的扫描镜，而是把探测器沿扫描方向（垂直于飞行方向）阵列式排列来感受地面响应，仪器中有一个平面反射镜，将地面辐射来的电磁波反射到反射镜组，然后聚焦在CCD阵列元件上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出，同时采光，同时转化为电信号，同时成像。在CCD元件扫描仪中放置分光器件和不同的CCD元件，可使扫描仪既可以进行单波段扫描，也可以进行多波段扫描。
推扫式扫描仪的设计能满足分辨率越来越高的需求，只要线性排列继承的CCD元件足够多，分辨率可以不断提高。（法国SPOT卫星的HRV传感器每线性阵列有4096个CCD探测器，地面分辨率15m）
常见的推扫式扫描成像系统：
SPOT5/HRG（高分辨率几何成像装置）
SPOT5/HRS（高分辨率立体成像装置）
SPOT5/VGT（宽视域植被探测仪）
CBERS-1
※推扫式扫描仪和光机扫描仪的比较
（1）线性阵列系统可以为每个探测器提供较长的停留时间，以便更充分的测量每个地面分辨单元的能量。因此，推扫式扫描仪有更强的记录信号和更大的感应范围，从而得到更高的空间分辨率和辐射分辨率。
（2）由于探测每行数据的探测器元件间有固定的关系。且它消除了因扫描过程扫描镜速度变化引起的几何误差，具有更大的稳定性。因此，线性阵列系统的几何完整性更好、几何精度更高。
（3）一般线性阵列由许多CCD组成，CCD是固态微电子装置，一般它们体积小、重量轻、能耗低。
（4）由于没有机械扫描仪的机械运动部件，线性阵列系统稳定性更好，且结构的可靠性高，使用寿命更长。
（5）大量探测器之间灵敏度的差异，往往产生带状噪声，需要进行校准。
（6）目前长于红外波段的CCD探测器的光谱灵敏度尚受到限制。
（7）推扫式扫描仪的总视场一般小于光机扫描仪。
成像光谱仪
虽然多光谱遥感(MSS、TM、SPOT)较摄影遥感有许多优势，但是它们十分有限的波段、较宽的波段间隔(60-200nm)均难以真实地反映地表物质的光谱反射辐射特性的细微差异，更无法用光谱维的空间信息来直接识别地物的类别，特别是地物的组成、成分等。
对遥感而言，在一定波长范围内，被分割的波段数愈多，即波谱采样点愈多，愈接近于连续波谱曲线，因此可以使得扫描仪在取得目标地物图像的同时也能获得该地物的光谱组成。这种既能成像又能取得目标光谱曲线的“图谱合一”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。
成像光谱仪基本上属于多光谱扫描仪，其工作方式主要为推扫式，区别仅在于通道数多，各通道的波段宽度很窄。从几何角度来说，成像光谱仪的成像方式与多光谱扫描仪相同，或与CCD线阵列传感器相似，因此，在几何处理时，可采用与多光谱扫描仪和CCD线阵列传感器数据类似的方法。但目前，成像光谱仪只注重提高光谱分辨率，其空间分辨率却较低(几十甚至几百米)。正是因为成像光谱仪可以得到波段宽度很窄的多波段图像数据，所以它多用于地物的光谱分析与识别上。
特点：
高光谱分辨率：成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续的光谱波段
图谱合一：仪器在获得数十、数百个光谱图像的同时，可以显示影像中每个像元的连续光谱，因此能在空间和光谱维度上快速区分和识别地物目标。
常见的光谱成像仪：
Terra/MODIS：36个光谱通道0.4-14.3um，其中可见光-短波红外20个通道，短波红外16个波段。
AVIRIS航空可见光/红外光成像光谱仪，共224个波段，光谱范围0.38um-2.5um，波段宽度10nm。
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雷达
侧视雷达传感器，属于主动式遥感传感器。成像时雷达本身发射一定波长的电磁波波束，然后接收该波束被目标地物反射回的信号，从而探测目标地物的特性。
侧视雷达（SLR）分为真实孔径雷达（RAR）和合成孔径雷达（SAR）两种。由于真实孔径雷达的分辨率较低，很少再作为成像雷达使用，现在的侧视雷达一般指视野方向和飞行器前进方向垂直，用来探测飞行器两侧地带的合成孔径雷达。
早期使用真实孔径雷达探测目标，它借直接加大天线孔径和发射窄脉冲的办法来提高雷达图像分辨率。60年代后，采用合成孔径技术，使雷达探测分辨率提高几十倍至几百倍。现代侧视雷达在1万米高度上的地面分辨率已达到1米以内，相当于航空摄影水平。
3、探测器的性能指标：
瞬时视场角（Instantaneous Field Of View，IFOV），是指在某一很短的时间内，假定飞行器静止时，遥感仪器所观测到的地面的最小面积，同时也确定了遥感影像的空间分辨率。
总视场角：从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，叫总视场角，也叫总扫描角
L= 2*tan(f/2)*H
L为扫描带对应的地面宽度
H为遥感平台高度
探测的响应范围：指传感器对亮度敏感的最高和最低限度。卫星的飞行高度和速度必须要与传感器的灵敏度相匹配，以保证传感器有足够的响应时间来采集地面的反射光谱信号。
信噪比：信号与噪声之比。传感器接受的目标以外的亮度信息叫做噪声，产生原因一部分在于传感器部件累积的电子信号错误引起，另一部分来自大气、解释过程。
光谱灵敏度：传感器的光谱探测能力。一般用光谱灵敏度曲线最大值一半处的光谱范围来确定。
4、传感器的发展
目前对遥感图像数据的空间分辨率要求越来越高。多波段扫描仪已从机械扫描发展到CCD的推扫式扫描，空间分辨率不断提高。
星载主动式微波遥感的发展，使探测手段更趋多样化。合成孔径雷达具有全天候和高空间分辨率等特点。
CCD固体扫描仪可以实现对地面的立体观测，即获取地面的立体影像。立体观测可以用于卫星地形测绘。
同轨立体观测：是指在同一轨道的方向上获取立体影像。在卫星上同时安置两台以上的推扫式扫描仪，随着遥感平台的移动，这几台扫描仪可同时获得同一地区的立体影像。
异轨立体观测：异轨立体观测是在不同轨道上获取立体影像。SPOT卫星使用一台扫描仪获取立体影像，该扫描仪的平面反射镜可绕卫星前进方向的滚动轴旋转，从而实现在不同轨道间的立体观测。
