典型传感器介绍 传感器技术的介绍
\u4f20\u611f\u5668\u54c1\u724c\u7684\u4ecb\u7ecd \u5bfc\u8bed\uff1a\u4f20\u611f\u5668\u5bf9\u4e8e\u6211\u4eec\u666e\u901a\u4eba\u6765\u8bf4\u662f\u6bd4\u8f83\u964c\u751f\u7684\u4e00\u79cd\u4e1c\u897f\uff0c\u56e0\u4e3a\u6211\u4eec\u5728\u65e5\u5e38\u751f\u6d3b\u4e2d\u51e0\u4e4e\u89c1\u4e0d\u5230\u4f20\u611f\u5668\uff0c\u4f46\u662f\u5374\u6709\u79bb\u4e0d\u5f00\u5b83\u3002\u4f46\u662f\u5bf9\u4e8e\u673a\u68b0\u5de5\u4eba\u4eec\u6765\u8bf4\uff0c\u4f20\u611f\u5668\u5bf9\u4e8e\u4ed6\u4eec\u662f\u518d\u719f\u6089\u4e0d\u8fc7\u7684\u4e86\uff0c\u56e0\u4e3a\u5b83\u662f\u673a\u68b0\u751f\u4ea7\u5236\u9020\u4e2d\u4e0d\u53ef\u7f3a\u5c11\u7684\u4e00\u79cd\u5668\u6750\u3002\u90a3\u4e48\u4ec0\u4e48\u662f\u4f20\u611f\u5668\u5462\uff0c\u4f20\u611f\u5668\u6709\u54ea\u4e9b\u54c1\u724c\u5462?\u4eca\u5929\u5c0f\u7f16\u5c31\u6765\u7ed9\u5927\u5bb6\u7b80\u5355\u7684\u4ecb\u7ecd\u4e00\u4e0b\u4f20\u611f\u5668\u53ca\u5176\u54c1\u724c\u3002
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遥感传感器是获取遥感数据的关键设备，由于设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也就繁多，目前遥感中使用的传感器类型大体上可分为: ①摄影类型的传感器; ②扫描成像类型的传感器; ③雷达成像类型的传感器; ④非成像类型的传感器。以下将就前三类的典型传感器进行介绍。
( 一) 光学摄影类传感器
这种类型传感器的基本工作原理为经过透镜 ( 组) ，按几何光学的成像原理聚焦构像，利用感光材料，通过光化学反应直接感测和记录目标物反射的可见光和摄影红外波段电磁辐射能，在胶片或像纸上形成目标物固化影像。其优点是空间分辨率高、成本低、操作易、信息容量大; 缺点是局限在 0. 3 ～1. 3μm 波谱段，影像几何畸变较严重，成像受气候、光照条件和大气效应的限制。
典型的光学摄影类传感器是各类摄影机，按结构及胶片曝光方式可分为帧幅摄影机、缝隙摄影机、多光谱摄影机和全景摄影机。
1. 帧幅式摄影机
这是大家最为熟悉的一种传感器。主要由收集器、物镜、探测器和感光胶片组成，另外还需有暗盒、快门、光栅、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—张完整的像片 ( 18cm ×18cm 或 23cm ×23cm 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。
图 3-5 缝隙摄影机
2. 缝隙摄影机
缝隙摄影机又称航带摄影机。在飞机或卫星上，摄影瞬间所获取的影像，是与航向垂直，且与缝隙等宽的一条地面影像。这是由于在摄影机焦平面前方放置一开缝的挡板，将缝隙外的影像全挡去的缘故 ( 图 3-5) 。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像，也连续变化。如果摄影机内的胶片也不断地进行卷绕，且其速度与地面在缝隙中的影像移动速度相同，就能得到连续的条带状的航带摄影负片。当飞机航速与胶片卷绕速度不匹配时，影像会产生仿射畸变。缝隙摄影机投影性质，对于瞬间获取的一条缝隙宽度的影像，仍为中心投影。但对于条带影像，由于是在摄影机随飞行器移动的情况下连续获得，因此与框幅式影像的投影性质就不一样，其航迹线影像为正射投影，而其他部分的像点，是相对各自缝隙内的摄影中心的中心投影，称之为多中心投影。另外，搭载此类传感器的飞行器，其位移和姿态变化会使影像产生复杂的几何畸变。
3. 多光谱摄影机
它是为了摄取不同波段同一目标物的多光谱像片而设计的。其构造与一般普通航空摄影机相似，但具有多镜头、多通道的特点。常见的多光谱摄影机可分为三种类型，即多像机型、多镜头型、单镜头分光谱型。
多镜头型是在一架航空摄影机上，安置几个光学特性一致的镜头，以摄取不同波段同一地区的像片。多像机型是将几架航空摄影机安装在同一飞机上，就组合成了多机型的摄影机。各架像机之间，光轴互相平行，按动一个快门按钮，即可使几个快门同时工作，从而对地物进行多光谱摄影。单镜头分光谱像机的特点是采用棱镜将光束分离成几个波段再进行摄影，或利用响应不同波段的多感光层胶片进行多光谱摄影，胶片经摄影处理后得到的是一张合成了的多光谱像片，如彩色摄影和红外彩色摄影。
图 3-6 全景摄影机
4. 全景摄影机
全景摄影机又称扫描摄影机。全景摄影机的结构如图 3-6 所示，它是在物镜焦面上平行于飞行方向设置一狭缝，并随物镜作垂直航线方向扫描，得到一幅扫描成的影像图，因此称扫描像机，又由于物镜摆动的幅面很大，能将航线两边的地平线内的影像都摄入底片，因此又称它为全景摄影机。
全景摄影机的特点是焦距长，有的达 600mm 以上。幅面大，可在长约 23cm 宽达128cm 的胶片上成像。这种摄影机的精密透镜既小又轻，扫描视场很大，有时能达 180°。这种摄影机是利用焦平面上一条平行于飞行方向的狭缝来限制瞬时视场，因此在摄影瞬间得到的是地面上平行于航迹线的一条很窄的影像，当物镜沿垂直航线方向摆动时，就得到一幅全景像片。这种摄影机的底片呈弧状放置，当物镜扫描一次后，底片旋进一幅。由于每个瞬间的影像都在物镜中心一个很小的视场内构像，因此每一部分的影像都很清晰，像幅两边的分辨力明显提高。但由于全景像机的像距保持不变，而物距随扫描角增大而增大，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，以及扫描镜摆动的非线性等因素，使影像的畸变更为复杂，图 3-7 为地面上正方形格网在全景像片上的形状。
图 3-7 全景像片的畸变
( 二) 扫描成像类型的传感器
扫描成像类型的传感器是逐点逐行地以时序方式获取二维图像。有两种主要的形式，一是对物面扫描的成像仪，它的特点是对地面直接扫描成像，这类仪器如红外扫描仪、多光谱扫描仪、成像光谱仪、自旋和步进式成像仪及多频段频谱仪等; 二是瞬间在像面上先形成一条线图像，甚至是一幅二维影像，然后对影像进行扫描成像，这类仪器有线阵列CCD 推扫式成像仪，电视摄像机等。
图 3-8 机载红外扫描仪结构原理图
1. 红外扫描仪
典型的机载红外扫描仪的结构如图 3-8 所示。它的具体结构元件有一个旋转扫描镜，一个反射镜系统，一个探测器，一个制冷设备一个电子处理装置和一个输出装置。
红外扫描仪扫描成像过程是当旋转棱镜旋转，第一个镜面对地面横越航线方向扫视一次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，经探测器输出视频信号再经电子放大器放大和调制，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接着第二个扫描镜面扫视地面，由于飞机向前运动，胶片也作同步旋转，记录的第二条图像正好与第一条衔接。依次下去，就得到一条与地面范围相应的二维条带图像。
由于地面分辨力随扫描角发生变化，因此红外扫描影像会产生畸变，这种畸变通常称之为全景畸变，其形成原因与全景摄影机类似。
红外扫描仪还存在一个温度分辨力的问题，温度分辨力与探测器的响应率 R 和传感器系统内的噪声 N 有直接关系。为了获得较好的温度鉴别力，红外系统的噪声等效温度限制在 0. 1 ～0. 5 K 之间，而系统的温度分辨力一般为等效噪声温度的 2 ～6 倍。
2. TM 专题制图仪
TM 专题制图仪是一个高级的多波段扫描型的仪器，包括七个光谱段，第一到第五谱段和第七谱段是可见光、近红外和短波红外谱段，第六谱段是热红外谱段。可见光、近红外和短波红外谱段的瞬时视场为 30m ( 轨道高度 705km) ，热红外谱段的瞬时视场分辨率为 120m。由于改善了空间分辨率，扩大了光谱搜盖范围，所以它能用于地球资源分类和绘制多种专题地图。
图 3-9 专题制图仪光学系统
TM 专题制图仪结构如图 3-9 所示，它的主反射镜位于仪器的中下方，在它的前面是光学挡光片和第二反射镜。第二反射镜由支柱安装到望远镜结构支架上。主反射镜的后面是扫描行改正器、内部标定器和主焦面。内部标定器采用白炽灯，通过纤维光束作为第一到第五和第七谱段的光源，第六谱段采用的是可控温度黑体。扫描行改正器是一具有小型的、由马达驱动的双反射镜像平面扫描系统，它的旋转速率与卫星轨道速度大小相同，但方向相反。通过反射镜的主动扫描，直接校正像的运动。辐射制冷器、后续光学系统和红外探测器阵列位于仪器尾部末端。电子线路安装在一个楔形盒内，固定在望远镜的上方。专题制图仪的主要性能参数见表 3-3。
表 3-3 TM 专题制图仪各项参数
图 3-10 HRV 扫描仪的结构原理图
3. HRV 线阵列推扫式扫描仪
HRV 是一种线阵列推扫式扫描仪，其简单的结构如图 3-10 所示。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 线阵列元件上，CCD 的输出端以一路时序视频信号输出。由于使用线阵列的 CCD元件作探测器，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，如缝隙摄影机那样，以 “推扫”方式获取沿轨道的连续图像条带。CCD 称电荷耦合器件，是一种由硅等半导体材料制成的固体器件，受光或电激发产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，达到一路时序输出信号。
4. 成像光谱仪
成像光谱仪是新一代传感器，在 20 世纪 80 年代初正式开始研制，研制这类仪器的主要目的是在获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据，因而称为成像光谱仪。目前已存在成像光谱仪在可见光—红外波段范围内，可以被分割成几百个窄波段，具有很高的光谱分辨率。从其近乎连续的光谱曲线上，可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异，有利于识别更多的目标，因此，成像光谱仪主要应用于高光谱遥感。
成像光谱仪所依据的原理和结构可分为两大类型，一类可称为线阵探测器 CCD 加光机扫描型 ( 图 3-11) ，另一类为面阵 CCD 探测器加空间推扫型 ( 图 3-12) 。
图 3-11 带线阵的成像光谱仪工作方式
图 3-12 带面阵成像光谱仪工作方式
前者实际上是多光谱扫描仪 MSS 和 TM 向更多光谱段的发展，所以具有线阵 CCD 与缝隙式摄影成像相同的行中心投影关系和多光谱扫描仪类似的技术特点: ①空间扫描通过扫描镜摆动完成，从而可以获得大的视场 ( 可高达 90°) ; ②像元配准好，不同波段任何时候都能凝视同一像元; ③光谱覆盖范围比较大，可以从可见光一直到热红外波段; ④进一步提高光谱分辨率、空间分辨率和辐射灵敏度比较困难。
第二类成像光谱仪实际上是 SPOT 推扫式扫描仪的进一步发展，所以具有面阵 CCD与推扫式摄影成像相同的中心投影关系和 HRV 类似的特点: ①像元的凝视时间长，可以获得较高的系统灵敏度和空间分辨率; ②在可见光波段，由于器件很成熟，光谱的分辨率可以做得相当高。但是各个光谱通道之间的配准有一定难度，光学设计不容易，故总视场一般只能达到 30°左右; ③中红外特别是热红外谱区，受器件的限制很大，目前尚未取得实质性进展，难于覆盖到这一谱段。
成像光谱仪 MODIS，作为美国 EOS 计划第一颗卫星 TERRA ( EOS － AM －1) 的主要传感器，已于 1999 年升空。其巨大的应用前景和免费接收政策，促使 MODIS 接收处理站在全球，如雨后春笋般地冒出来，MODIS 将成为宏观资源和环境遥感的重要信息源。MO-DIS 从可见光到红外共分 36 个波段，采用线阵 CCD 探测器与光机扫描相结合的结构形式，星下点的地面分辨率为 250m，500m 和 1000m，卫星轨道与太阳同步。上午 10: 30 过境，扫幅宽度 2330km，每天基本上可覆盖全球一次。MODIS 的光电转换由一个双面扫描镜旋转对地面扫描，以每次 10km 的宽度收集地物目标的波谱信号，经镜头聚焦到星上的探测器。由于不同波段需用不同的探测器，因此在物镜前设置了分光镜，分光后，分别送到可见光 ( VIS) 、近红外 ( NIR) 、短波红外 ( SWIR) 与中波红外 ( MWIR) 以及长波红外( LWIR) 四个物镜与焦平面部件。在焦平面分别安置响应不同波段的探测器和 A/D 变换器，把地物目标的模拟信号变换成数字信号，再经格式化器和缓冲器，将信号输出，通过系统校正处理提供产品。
由于高光谱分辨力和高空间分辨力，随之而来的是数据量的急剧增加，必须考虑海量数据的实时压缩方法，其中之一是实时地选择有效波段，并能根据需要灵活地改变波段宽度和空间分辨力。这样在未来的成像光谱仪传感器系统中必然要有智能型的实时控制和处理能力。另外，与其他遥感数据一样，成像光谱数据也经受着大气、遥感平台姿态、地形因素的影响，产生横向、纵向、扭曲等几何畸变及边缘辐射效应，因此在数据提供给用户使用之前必须进行预处理。预处理的内容主要包括平台姿态的校正，沿飞行方向和扫描方向的几何校正以及图像边缘辐射校正。
( 三) 雷达成像类型的传感器
雷达是一种主动式的微波遥感传感器，它有侧视雷达和全景雷达两种形式，其中在地学领域主要使用侧视雷达。侧视雷达是向遥感平台行进的垂直方向的一侧或两侧发射微波，再接收由目标反射或散射回来的微波。通过观测这些微波信号的振幅、相位、极化以及往返时间，就可以测定目标的距离和特性。
图 3-13 脉冲式雷达的一般结构
侧视雷达成像与航空摄影不同，航空摄影利用太阳光作为照明源，而侧视雷达利用发射的电磁波作为照射源，它与普通脉冲式雷达的结构大体上相近。图 3-13 为脉冲式雷达的一般组成格式，它由一个发射机，一个接收机，一个转换开关和一根天线等构成。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。
雷达工作时，其上的发射器通过天线在很短的微秒级时间内发射一束能量很强的脉冲波，当遇到地面物体时，被反射回米的信号再被天线接收。由于系统与地物距离不同，同时发出的脉冲，接收的时间则不同 ( 图 3-14) 。
雷达接收到的回波中，含有多种信息。如雷达到目标的距离、方位，雷达与目标的相对速度 ( 即作相对运动时产生的多普勒频移) ，目标的反射特性等。其中距离信息可用下式表示:
式中: R 是雷达到目标的距离; v 电磁波传播速度; t 是雷达和目标间脉冲往返的时间。
雷达接收到的回波强度是系统参数和地面目标参数的复杂函数。系统参数包括雷达波的波长、发射功率、照射面积和方向、极化等。地面目标参数与地物的复介电常数、地面粗糙度等有关。
图 3-14 雷达传播工作原理
按天线的结构不同，侧视雷达又分为真实孔径侧视雷达 ( RAR) 和合成孔径侧视雷达 ( SAR) 。
1. 真实孔径侧视雷达
真实孔径侧视雷达的工作原理如图 3-15 所示。天线装在飞机的侧面，发射机向侧向面内发射一束窄脉冲，地物反射的微波脉冲，由天线收集后，被接收机接收。由于地面各点到飞机的距离不同，接收机接收到许多信号，以它们到飞机距离的远近，先后依序记录。信号的强度与辐照带内各种地物的特性、形状和坡向等有关。如图 3-15 中的 a，b，c，d，e 等各处的地物，a 处由于地物隆起，反射面朝向天线，出现强反射; b 处为阴影，无反射; c 处为草地，是中等反射; d 处为金属结构，电导率大，出现最强反射; e 处为平滑表面，出现镜面反射，回波很弱。回波信号经电子处理器的处理，在阴极射线管上形成一条相应于辐照带内各种地物反射特性的图像线，记录在胶片上。飞机向前飞行时，对一条一条辐照带连续扫描，在阴极射线管处的胶片与飞机速度同步转动，就得到沿飞机航线侧面的由回波信号强弱表示的条带图像。
图 3-15 真实孔径侧视雷达的工作原理
真实孔径侧视雷达的地面分辨率包括距离分辨率和方位分辨率两种。距离分辨率是在脉冲发射的方向上，能分辨两个目标的最小距离 ( 图 3-16) ，它与脉冲宽度有关，可用下式表示:
遥感地质学
式中: Rτ为距离分辨率; c 为光速; τ 为脉冲宽度; Φ 为雷达波束俯角。另外真实孔径侧视雷达的距离分辨率与距离无关。若要提高距离分辨率，从上式分析，需要减小脉冲宽度，但这样将使作用距离减小。目前一般是采用脉冲压缩技术来提高距离分辨率。此外，在 Φ =50°，脉冲宽度为0. 1 μs 时，距离分辨率为23m，图中，A，B 两点相距20m，不能被分辨。当 Φ =35°，脉冲宽度不变时，距离分辨率为 18m，C，D 两点相距 20m，可以被分辨。这就是说，俯角越大，距离分辨率低; 反之则距离分辨率提高。
图 3-16 在距离方向上的雷达分辨率
方位分辨率是指相邻的两束脉冲之间，能分辨两个目标的最小距离，它与波瓣角 β 有关 ( 图 3-17) 。雷达发射的微波向四面八方辐射，呈花瓣状，称波瓣，但以一个方向为主，称为主瓣，其他方向辐射能小，形成副瓣，其中 β 称为波瓣角。这时的方位分辨率为
图 3-17 侧视雷达的方位分辨率
遥感地质学
式中: Rβ为方位分辨率; λ 为波长; d 为天线孔径; GR 为观测距离。要提高方位分辨率，需采用波长较短的电磁波，加大天线孔径和缩短观测距离。这几项措施无论在飞机上或卫星上使用时都受到限制。目前是利用合成孔径侧视雷达来提高侧视雷达的方位分辨率。
2. 合成孔径侧视雷达
合成孔径侧视雷达是利用遥感平台的前进运动，将一个小孔径的天线安装在平台的侧方，以代替大孔径的天线，提高方位分辨率的雷达 ( 图 3-18) 。要用小孔径雷达天线代替大孔径雷达天线，在地面上通常采用若干小孔径天线组成阵列，即把一系列彼此相连、性能相同的天线，等距离地布设在一条直线上，利用它们接收窄脉冲信号 ( 目标地物后向散射的相位、振幅等) ，以获得较高的方位分辨率。天线阵列的基线愈长，方向性愈好。
图 3-18 合成孔径天线示意图
图 3-19 合成孔径侧视雷达工作过程
合成孔径侧视雷达的工作原理是: 遥感平台在匀速前进运动中，以一定的时间间隔发射一个脉冲信号，天线在不同位置上接收回波信号，并记录和储存下来。将这些在不同位置上接收的信号合成处理，得到与真实天线接收同一目标回波信号相同的结果。这样就使一个小孔径天线，起到了大孔径天线的同样作用。
合成孔径雷达系统与真实孔径侧视雷达系统相比，最大的优点在于它的方位分辨率与距离 R 无关。这样的系统既可以放在航空器上，又可以放在航天器上，不会因为与地物的距离远而减少分辨率。理论计算表明，合成孔径雷达在沿航迹的方向上，像元尺寸( 分辨率) 为
遥感地质学
式中: RS为方位分辨率; d 为天线沿航迹方向的长度 ( 不是全部天线的总长度) 。例如，合成孔径雷达天线装置在宇宙飞船上，总长度为 2km，它由多个小天线排成一阵列，每一个小天线真实孔径为 8m，雷达波长 4cm，飞船天线侧向与目标地物的距离为 400km 时，该合成孔径的方位分辨率为 4m; 如果以 8m 小天线真实孔径作侧视雷达天线，其方位分辨率为2000m; 如果以天线全长2km 为真实孔径天线，其方位分辨率为8m ( 图3-19) 。
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