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传感器
遥感概论第三章传感器，传感器是能收集、探测地物目标电磁辐射（反射或发射）能量，并按一定规律变换为数字信号或其他所需形式的信息输出装置。
编辑于2023-10-15 23:04:33- 遥感
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传感器
传感器基本信息
传感器是能收集、探测地物目标电磁辐射（反射或发射）能量，并按一定规律变换为数字信号或其他所需形式的信息输出装置。
基本构成部分
收集器、探测器、处理器和数据记录/输出器，主动式传感器除以上4个组成部分外，还具有产生并向目标发射特定电磁辐射能量的部件。
传感器分类
①按工作波长，可分为可见光传感器、红外传感器和微波传感器等
②按工作方式，可分为主动式传感器和被动式传感器。
③按数据记录方式，可分为成像方式传感器和非成像方式传感器。
性能
分辨率是评价传感器性能的重要物理指标，是遥感技术及其应用中的一个重要概念。分辨率也是衡量遥感数据质量特征的一个重要指标。
分辨率
空间分辨率（地面分辨率）
空间分辨率(spatial resolution)是指图像上能够详细区分的最小单元的尺寸或者大小。或为传感器所能区分两个目标的最小角度或者线性距离的度量，是用来表征遥感影像分辨地面目标几何细节能力的指标。
瞬时视场
总视场角
总视场角通常被定义为从遥感平台到地面扫描带外侧所构成的夹角，对应于扫描带的地面宽度
瞬时视场
瞬时视场则是指传感器内单个探测元件的受光角度或观测视野，单位为毫弧度(mrad)。IFOV越小，说明传感器所能分辨的地面最小单元越小，空间分辨率越高。
像元
像元(pixel)：遥感影像上一个像元所对应的地面面积的大小，单位一般为米(m)或千米(km)。
像元所对应的地面值越小，则说明空间分辨率越高，在影像上能辨识出越多的地物目标几何细节。
线对数
即胶片上单位距离内能分辨出的线宽或间隔相等的平行细线的条数，单位为线/mm或线对/mm。
光谱分辨率
光谱分辨率（spectral resolution)是指传感器在接收目标电磁辐射信号时能分辨出的最小波长间隔，即光谱带宽。
光谱分辨率越高，专题研究针对性越强，对物体的识别精度越高，遥感应用分析的效果也越好。
辐射分辨率
辐射分辨率 radiant resolution)是指传感器区分地物辐射能量细微变化的能力，即其所能分 辨的最小辐射度差，反映了传感器的灵敏度。
辐射量化级
辐射分辨率是图像可以表达的灰度差异，一般用灰度的分级数来表示，即最暗－最亮 灰度值（亮度值）间分级数目的量化级数。辐射量化级以2”表示，n是记录数据的比特位数 （bit),n越大，说明辐射分辨率越高
有效量化级
传感器的有效量化级数一般由动态范围和信噪比确定。动态范围指传感器可测量的最 大信号与可检测的最小信号之比。最大信号指在此值以外，无论输入信号有多强，响应也无 变化。最小信号指在此值以外，对输入的弱信号无响应。二者之间即为有效范围，在此范围 内输入信号与输出信号呈线性关系。信噪比指有效信号与噪声之比，即信号功率与噪声功 率之比。
总结
当瞬时视场IFOV越大时，最小可分辨单元越大，但空间分辨率越低。而IFOV越大，说明瞬时获得的入射能量越大，辐射测量越敏感，对微弱能量差异的检测能力越 强，可以达到的辐射分辨率越高。
摄影类型的传感器
通过光学系统采用胶片或光敏元件记录地物的发射光谱能量。
传统航空摄影机
分类
框幅式摄影机
缝隙摄影机
全景摄影机
多光谱摄影机
优缺点
缺点：由于摄影胶片的感光范围在0.3~1.3um,可用光谱区间有限；需要定期取出胶片，一般限于航空平台的应用；胶片不易保存，会随时间变质，在图像复制过程中会丢失一些信息。优点：与人的视觉系统相似，获得的图像易于理解；图像几何保真度好；像片可以用于立体观察。
数字摄影机
采用光敏元件作为成像器件，将光学信号转成数学信息，存储于磁盘阵列中，可直接获取高分辨率数字影像。
优点
1、图像获取能力更强，时间窗口更宽，数字相机的灵敏度、线性特征和动态范围优势更显著。2、获取影像数据的时间更短，其复杂性降低。3、与相关数字技术兼容性良好
工作原理
数码相机利用位于焦平面的检测器将电磁辐射转化为电信号，产生的电流强度与接收到的电磁辐射强度成正比。 在数码相机上，装备了电荷耦合器件（ Charge Coupled Detector , CCD ）或互补金属氧化物半导体（ Complementary Metal Oxide Semiconductor , cMOS ）传感器组成的二维硅半导体阵列。
CCD
CCD 是一种半导体， CCD 传感器相当于传统相机的胶片，其实质是按某种规律排列的 MOS （金属﹣氧化物﹣半导体）电容器构成的移位存贮器。 每个阵列上的传感器（或感光单元）感应来自图像区域内每个像元的辐射能量。 当这种能量传入传感器的表面时，随着电荷数量与像元场景亮度相均衡，就产生了一个小电荷，这一过程导致了阵列上 每个感光单元像素亮度数值的产生。
CCD感光过程：CCD 感光的过程就是光子冲击感光元件产生信号电荷，并通过 CCD 上 MOS 进行电荷存储传输的过程。与胶片中的卤化银晶体相比， CCD 或 CMOS 半导体对来自图像域亮度变化的灵敏度更高。电子传感器观测得到的场景亮度值动态范围也比胶片的更宽。
CCD 和 CMOS 图像传感器是单色的。为获得彩色数据，每个传感器阵列上的感光单元覆盖有蓝色、绿色、红色滤色片。通常，感光单元为方形，由交替的蓝色、绿色、红色感光单元组成拜尔阵列（ Bayer pattern )，阵列中一半的滤色片为绿色，另一半为等量的蓝色和红色滤色片。
同时获取多重多光谱波段的方法
1
消费型相机通过三种不同内部滤色片，快速记录同一场景的三幅黑白影像，再使用颜色叠加的原理进行彩色合成。
2
使用多个单波段相机镜头，每个镜头安 装各自的镜片、滤色片和 CCD 阵列。
3
使用一个相机镜头，再用分光镜将入射能量分成希望得到的离散光谱波段，最后采用各自的 CCD 记录下来。
航空数码相机分类
一般分为
框幅式 CCD 相机
基于面阵( Plane Array ）的传感器方式。感光元件排列成一个平面，同时感受光信号，获取图像的方式与框幅式摄影机相似
推扫式 CCD 相机
推扫式 CCD 相机，基于线阵（ Linear Array ）的传感器方式。线阵传感器则是多个感光元件排列成一条直 线，逐行进行感光成像。
根据面阵传感器阵列的大小，一般分为小、中、大幅面摄影机
通常，数字摄影机传感器的垂直航迹和沿航迹幅面尺寸是由传感器阵列上每个方向上的像素的数量和尺寸所决定。
多光谱扫描类型传感器
扫描仪
扫描仪是光电成像类型的传感器，采用扫描方式生成二维像元阵列的遥感图像，主要由探测器阵列、机械扫描或电子扫描装置组成。
交叉轨道扫描仪
交叉轨道扫描仪的扫描方向与搭载平台飞行方向垂直，采用旋转棱镜实现从传感器的一侧到另一侧的扫描，一个像元一个像元的轮流采光，即沿扫描线逐点扫描成像，称为旋转式扫描仪或光学机械式扫描仪。
单轨扫描仪
单轨扫描仪采用电荷耦合器件（ CCD ）的探测器阵列实现跨轨扫描，扫描方向也与飞行方向垂直，不使用机械旋转装置，若探测器按线性阵列排列，则可以同时得到整行数据，称为推扫式扫描仪。
分类
光学﹣机械式扫描仪
光学﹣机械式扫描仪是利用光学机械扫描方式探测地物的反射或发射辐射的一种仪器。 根据大气窗口和地物目标的波谱特性用分光系统（棱镜或光栅等）把扫描仪的光学系统所接收的电磁辐射（从紫外、可见光，到红外）分成若干波段。
两个部分组成：机械扫描装置和分光装置。
由旋转扫描镜收集地面目标的电磁辐射，通过聚光系统把收集到的电磁辐射会聚成光束，由分光装置（滤光片、棱镜或光栅等◇分成不同波长的电磁波，被相应的光电探测器（如光电倍增管、硅光二极管、锑化钢探测器、确镉汞探测器等）分别接收并转变成电信号，经过信号放大，记录在磁带上，或通过电光转换后再记录在胶片上。 光学机械扫描系统（ optical - mechanical scanning ）利用平台的行进和旋转扫描镜对与平台行进垂直方向的地面（物面）进行扫描，获得二维遥感数据，也称物面扫描系统（ across - track )。
优缺点
优点：具有较宽的观测幅度、采光部分的视角小、波长间的位置偏差小，分辨率高。 缺点：光机扫描成像过程中，由于光电转换单元的探测元件的积分时间不能取得很长，因此信噪比较低。
推扫式扫描
推扫式扫描（ push - broom scanning ）也称像面扫描系统（ along - track )，采用广角光学系统一一平面反射镜采集地面辐射能，并将其反射到反射镜组，再通过聚焦投射到焦平面的阵列探测元件上。它通过飞行器与探测器成正交方向的移动获得目标的二维信息。
电荷耦合器件 CCD
电荷耦合器件 CCD 是一种国态光电转换元件，一般线性阵列由许多 CCD 组成。探测器由半导体材料制成，在这种器件上，受光或电激作用产生的电荷靠电子或空穴运载，在固体内移动，以产生输出信号。
优点
优点： CCD 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、寿命长和可靠性高等优点。可以做成集成度极高的组合件。 每个 CCD 元器件对应于一个像元，探测器的大小决定了每个地面单元的大小，探测元件数目越多，体积越小，分辨率越高。
面阵列传感器
若将若干个 CCD 元器件排列在一个矩形区域中，即可构成 CCD 面阵列传感器，同时得到的是整幅图像。与框幅式摄影机相似，在某一瞬间获得一幅完整的影像，属于单中心投影，其构像关系可直接使用框幅式中心投影的航空像片的构像关系式。
线阵列传感器
将若干个 CCD 元器件排成一行，称为 CCD 阵列传感器，可以同时得到整行数据。线阵列方向与飞行方向垂直，每个探测器元件感应相应"扫描"行上一个唯一的地面单元的能量。图像上每行数据是由沿线阵列的每个探测器元件采样得到的。这种推扫式扫描成像方式在几何关系与缝隙摄影机的情况相同。
优缺点
推扫式扫描成像过程中，由于 CCD 探测器具有相对较长的信息采集时间，可以更充分地测量每个地面单元的能量，获取更强的记录信号和更大的感应范围，相对信噪比增加，从而得到空间分辨率和辐射分辨率更高的遥感图像。 另外，探测器元件之间有固定的关系，消除了光机扫描过程中由于扫描速度变化引起的几何误差，具有更好的稳定性。 线性阵列系统的几何完整性和几何精度更高。 推扫式扫描系统由于使用了多个感光元件进行光电转换，当感光元件之间存在灵敏度差异时，往往产生带状噪声，需要进行校准。
高光谱成像光谱仪
高光谱遥感
高光谱遥感（ Hyperspectral Remote Sensing ）是高光谱分辨率遥感的简称，又叫成像光谱（ Imaging Spectrometry ）遥感，是将成像技术与光谱技术相结合的多维信息获取技术高光谱分辨率遥感是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据，它的基础测谱学。
成像光谱学
成像光谱学（ Imaging Spectroscopy ）是在电磁波谱的紫外线、可见光、近红外和中红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。它与传统的测谱学的区别在于它收集的不仅是点数据，而且是面数据，所监测的对象也不仅是实验室的样品，而且是地球表面的某一区域。
成像光谱仪
成像光谱仪（ Imaging spectrometer ）是高光谱传感器，于20世纪80年代初正式开始研制，其主要目的是能够在探测获取地物目标几十个、上百个窄波段连续光谱图像的同时，每个像元均可以得到几乎连续的光谱数据，进而用于识别和分析地物特征。
成像光谱技术
这种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。成像光谱系统探测的光谱范围包括整个可见光、近红外、中红外、热红外波段的部分光谱，连续波段宽度一般小于10nm。 优点 高光谱分辨率； 图﹣谱合一； 图像立方体。
分类
面阵探测器加推扫式扫描仪的成像光谱仪
主要采用线阵列探测器进行扫描，利用色散元件和面阵探测器完成光谱扫描，色散元件将收集到的光谱信息分散成若干个波段后，分别成像于面阵的不同行。通过线阵列探测器及其沿轨道方向的运动完成空间扫描。
线阵列探测器加光机扫描仪的成像光谱仪
主要利用点探测器收集光谱信息，经色散元件（光栅或棱镜）后分成不同的波段，分别在线阵列探测器的不同元件上，通过点扫描镜在垂直于轨道方向的面内摆动以及沿轨道方向的运动完成空间扫描，同时利用线阵列探测器完成光谱扫描。
优缺点及解决办法
成像光谱仪数据具有光谱分辨率极高的优点，同时由于数据量大，难以进行存储、检索和分析。为解决这一问题，必须对数据进行压缩处理，而且不能沿用常规少量波段遥感图像的二维结构表达方法。 高光谱图像立方体（以 AVIRIS 为例） 图像立方体就是适应于成像光谱数据的表达而发展起来的一种新型的数据格式，类似于扑克牌式的各光谱段图像的叠合。 立方体正面的图像是一幅用户自己选择的三个波段图像合成，是表示空间信息的二维图像，在其下面则是单波段图像叠合；位于立方体边缘的信息表达了各单波段图像最边缘各像元的地物辐射亮度的编码值或反射率。
热红外传感器
热红外波段
红外谱段为波长在0.76~1000μ m 范围内，在可见光和微波之间的区域。其中，发射红外波段（波长3~15μ m )，也称热红外波段。 严格地说，"热红外"谱段内，物体也有少量的能量反射，但其热辐射能量大于太阳的反射能量。波长6~15μ m 的"热红外"谱段内，以热辐射为主，反射部分可以忽略不计。3~6μ m 的中红外谱段内，热红外和对太阳辐射的反射同时起作用（处于同一数量级）。 热红外遥感是指通过红外敏感元件探测物体的热辐射能量，显示目标的辐射温度或热场图像的遥感技术的统称。 以热感应的方式来获取信息，不破坏地表热力学状态，具有昼夜工作的能力，因而热红外遥感为全天时遥感。 存在两个大气窗口： (1)3-5μ m 中红外谱段，对火灾、活火山等高温目标识别敏感，常用于捕捉高温信息； (2)8-14μ m 的热红外大气窗口，集中了大多数地表特征的辐射峰值波长，在此区间内，不同物体的发射率随着物质类型的不同有较大差异。
热探测器
热探测器 红外探测器将辐射能转化成与红外辐射强度成正比的电信号。 探测器由一些对特定波长有能量响应的物质组成。热红外探测器类型不同，在不同光谱段具有不同的灵敏度。 在系统的操作和设计中，探测器灵敏度也就是系统的辐射分辨率是可变的。低灵敏度说明地物辐射亮度的较大差异才能被记录，而丢失了许多地物的细节。高灵敏度探测器能记录地物辐射亮度的较小差异。
热辐射计
热辐射计 热辐射计是一种定量测定辐射温度的非成像装置。 采样红外光敏探测器和滤色镜测量特定波长的辐射，通常采用8-14μ m 波段。工作原理：将地面接收的辐射能被压缩到一个内部标定源上，通过一个断电器控制，使来自目标的辐射与辐射参考源的数据流交替投射到探测器上，通过测量两者的辐射差异来估算目标的辐射
热探测器
热探测器 红外探测器将辐射能转化成与红外辐射强度成正比的电信号。 探测器由一些对特定波长有能量响应的物质组成。热红外探测器类型不同，在不同光谱段具有不同的灵敏度。 在系统的操作和设计中，探测器灵敏度也就是系统的辐射分辨率是可变的。低灵敏度说明地物辐射亮度的较大差异才能被记录，而丢失了许多地物的细节。高灵敏度探测器能记录地物辐射亮度的较小差异。 热辐射计 热辐射计是一种定量测定辐射温度的非成像装置。 采样红外光敏探测器和滤色镜测量特定波长的辐射，通常采用8-14μ m 波段。工作原理：将地面接收的辐射能被压缩到一个内部标定源上，通过一个断电器控制，使来自目标的辐射与辐射参考源的数据流交替投射到探测器上，通过测量两者的辐射差异来估算目标的辐射。 热红外扫描仪 热红外扫描仪是对地物目标自身的红外辐射进行扫描成像或显示的一种仪器，热红外遥感应用最多的成像仪器。 光电类型的传感器，以热敏探测元件为探测器，一般多采用确﹣镉﹣汞（ Te - Cd - Hg ）型热探测器，将光能转化为电信号，沿飞行线路获得地物辐射特征差异的数字或模拟图像。 由于地面分辨率随扫描角发生变化，而使红外扫描影像产生畸变，其形成的原因与全景摄影机类似。同时，红外扫描仪还存在温度分辨率的问题，温度分辨率与探测器的响应率和传感器系统内的噪声有直接关系。 热红外像片上的色调深浅与地物的温度、 发射能力密切相关。 地物发射电磁波的功率与地物的发射率成正比，与地物温度的四次方成正比。 热红外扫描仪对温度比对发射本领的敏感性更强，温度的微小变化可能产生较大的色调差别。
微波传感器
非成像微波传感器
一般为主动式遥感系统，不以成像为目的，通过发射装置发射雷达信号，再接收回波信号测定参数。
微波散射计
为被动式的传感器，主要用于探测地面各点的亮度温度，生成亮度温度图像。
雷达高度计
成像微波传感器
成像微波传感器能够获取在地面扫描中得到的地物信息电磁辐射信号并形成图像。
雷达
是一种常用的主动式微波传感器。雷达成像的基本条件为雷达发射的波束照在目标不同部位时，要存在时间先后差异，这样从目标反射的回波也同时出现时间差，才有可能使目标的不同部位得以区分。
测视雷达
侧视雷达是在飞机或卫星平台上由传感器向平台行进的垂直方向的侧面发射微波，覆盖地面上这一侧面的一个条带，再接收该条带上的目标所反射或散射回来的微波，并形成一个图像带的雷达。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其他特性。
真实孔径测视雷达
是向平台行进方向的测方发射宽度很窄的脉冲电波波束，然后接收从目标返回的向后散射波。
合成孔径测视雷达
是在飞机或者卫星平台上由传感器向飞行方向垂直的侧面发射信号。
激光雷达系统
激光雷达
激光雷达是激光探测及测距的简称，也称为三维激光扫描技术，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。本质上属于主动式遥感。
优势
速度分辨率高；具有较大的有效绝对带宽，可产生极宽脉冲，实现高精度测距；抗有源干扰能力强、隐蔽性好，在对抗电子干扰和反隐身方面十分有利；良好的低空探测性能；体积小、质量轻。
分类
按平台不同
地面激光雷达
按工作方式分
固定式激光雷达扫描仪
移动式激光雷达扫描仪
机载激光雷达
星载激光雷达
按测距原理
脉冲式
相位式
按回拨的波长
波形激光雷达；离散激光雷达
按光斑大小
大光斑激光雷达；小光斑激光雷达