遙感傳感器

1　原理

　　通常安裝在各種不同類型和不同高度的(如飛機(jī)、高空氣球和航天器)上一切物體都在不斷地發(fā)射和吸收電磁波。向外發(fā)射電磁波的現(xiàn)象通常稱為熱輻射。輻射強(qiáng)度與物體的溫度和其他物理性質(zhì)有關(guān)，并且是按波長分布的。一切物體都能反射外界來的、照射在它表面上的電磁波，反射強(qiáng)度與物體的性質(zhì)有關(guān)。利用各種波段的不同的遙感器可以接收這種輻射的或反射的電磁波，經(jīng)過處理和分析,有可能反應(yīng)出物體的某些特征,借以識(shí)別物體。

2　種類

　　種類按設(shè)計(jì)時(shí)選用的頻率或波段來劃分，常用的遙感器有紫外遙感器、可見光遙感器、和紅外遙感器等。①紫外遙感器：使用近紫外波段，波長選在0.3～0.4微米范圍內(nèi)。常用的紫外遙感器有紫外攝影機(jī)和紫外掃描儀兩種。近紫外波段的多光譜照相機(jī)也屬于這一類。②可見光遙感器:接收地物反射的可見光,波長選在0.38～0.76微米范圍內(nèi)。這類遙感器包括各種常規(guī)照相機(jī)，以及可見光波段的多光譜照相機(jī)、多光譜掃描儀和電荷耦合器件(CCD)掃描儀等;此外，還包括以及可見光波段的激光高度計(jì)和激光掃描儀等。③紅外遙感器：接收地物和環(huán)境輻射的或反射的紅外波段的電磁波已使用的波段約在0.7～14微米范圍內(nèi)。其中0.7～2.5微米波長稱為反射紅外波段，如紅外攝影機(jī)采用的波段（0.7～0.9微米），多光譜照相機(jī)中的近紅外波段,“陸地衛(wèi)星”上多光譜掃描儀(MSS)中的第6波段（0.7～0.8微米）和第7波段（0.8～1.1微米），專題制圖儀(TM)中的第4波段（0.76～0.9微米）、第5波段（1.55～1.75微米）和第7波段(2.08～2.35微米)等3～14微米波長稱為熱紅外波段。機(jī)載紅外輻射計(jì)和紅外行掃描儀，“陸地衛(wèi)星”4號(hào)和5號(hào)上多光譜掃描儀中第8波段（10.2～12.6微米）和專題制圖儀的第6波段（10.4～12.5微米）等部分，都屬熱紅外波段。④微波遙感器：通常有微波輻射計(jì)、散射計(jì)、高度計(jì)、真實(shí)孔徑側(cè)視雷達(dá)和合成孔徑側(cè)視雷達(dá)等。

　　按記錄數(shù)據(jù)的不同形式劃分，遙感器又可分為成像遙感器和非成像遙感器兩類。成像遙感器又細(xì)分為攝影式成像遙感器和掃描式成像遙感器兩種。

　　按遙感器本身是否帶有探測(cè)用的電磁波發(fā)射源來劃分，遙感器分為有源（主動(dòng)式）遙感器和無源(被動(dòng)式)遙感器兩類。

　　還有更多的檢測(cè)環(huán)境信息的儀器也可稱為遙感器，如聲納、大氣遙感中常用的安裝在地面的微波輻射計(jì)和氣象雷達(dá)，以及正在研制中的超短脈沖地下探測(cè)器等。

3　組成

　　遙感器的組成無論哪一種傳感器，它們基本是由收集系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng),信息轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)四部分組成。

　　(1)收集系統(tǒng)：遙感應(yīng)用技術(shù)是建立在地物的電微波譜特性基礎(chǔ)之上的，要收集地物的電磁波必須要有一種收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能在于把接收到的電磁波進(jìn)行聚集，然后關(guān)往探測(cè)系統(tǒng)。不同的遙感器使用的收集元件不同，最基本的收集元件是透鏡、反射鏡或天線。對(duì)于多波段遙感，收信系統(tǒng)還包括按波段分波束的元件，一般采用各種散元個(gè)成分光之件，例如：濾光片、棱鏡、光柵等。

　　(2)探測(cè)系統(tǒng)：遙感器中最重要的部分就是探測(cè)元件，它是真正接收地物電磁輻射的器件，常用的探測(cè)元件有感光膠片，光電敏感元件，固體敏感元件和波導(dǎo)等。

　　(3)信號(hào)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：除了攝影照相機(jī)中的感膠片，電廣從光輻射輸入到光信號(hào)記錄，無須信號(hào)轉(zhuǎn)化之外，其它遙感器都有信號(hào)轉(zhuǎn)化問題，光電敏感元件，固體敏感元件和波導(dǎo)等輸出的都是電信號(hào)，從電信號(hào)轉(zhuǎn)換到光信號(hào)必須有一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，這個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以直接進(jìn)行電光轉(zhuǎn)化，也可進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換，先記錄在磁帶上，再經(jīng)磁帶加放，仍需經(jīng)電光轉(zhuǎn)換，輸出光信號(hào)

　　(4)記錄系統(tǒng)：遙感器的最終目的是要把接收到的各種電磁波信息，用適當(dāng)?shù)姆绞捷敵?，輸出必須有一定的記錄系統(tǒng)，遙感影像可以直接記錄在攝影膠片等上，也可記錄在磁帶上等。

4　光學(xué)遙感器的特性

　　光學(xué)遙感器所獲取的信息中最重要的特性有三個(gè)，即光譜特性，輻射度量特性和幾何特性，這些特性確定了光學(xué)遙感器的性能。

　　(1)光譜特性主要包括遙感器能夠觀測(cè)的電磁波的波長范圍，各通道的中心波長等。在照相膠片型的遙感器中，其光譜特性主要由所用的膠片的感光特性和能用濾光片的透射特性率決定；而在掃描型的遙感器中，則主要由所用的探測(cè)元件及分光元件的特性來決定。

　　(2)光學(xué)遙感器的輻射度量特性主要包括遙感器的探測(cè)精度（包括所測(cè)亮度的絕對(duì)精度和相對(duì)精度)、動(dòng)態(tài)范圍(可測(cè)量的最大信號(hào)與遙感器的可檢測(cè)的最小信號(hào)之比)，信噪比(有意義的信號(hào)功率與噪聲功率之比)等等，除些之外，還有把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量時(shí)所產(chǎn)生的量化等級(jí)，量化噪聲等。

　　(3)幾何特性是用光學(xué)遙感器的獲取的圖像的一些幾何學(xué)特征的物理量的描述的，主要指標(biāo)有視場(chǎng)角，瞬時(shí)視場(chǎng)，波段間的配準(zhǔn)等，視場(chǎng)角(FieldOfView-FOV)指遙感器能夠感光的空間范圍，也叫立體角，它與攝影機(jī)的視角掃描儀的掃描寬度意義相同；瞬時(shí)視場(chǎng)(IntantaneousFieldOfView-IFOV)是指探測(cè)系統(tǒng)在某一瞬時(shí)視場(chǎng)輻射列成像儀的總的輻射通量，而不管這個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)有多少性質(zhì)不同的目標(biāo)。也就是說，遙感器不能分辯出小于瞬時(shí)視場(chǎng)的目標(biāo)。因此，通常也把遙感器的瞬時(shí)視場(chǎng)稱為它的“空間分辨率”，即遙感器所能分辨的最小目標(biāo)的尺寸；波段面的配準(zhǔn)用來衡量基準(zhǔn)波段與其它波段的位置偏差。

5　典型遙感器

　　當(dāng)前，航天遙感中掃描式主流傳感器有兩大類：光機(jī)掃描儀和掃帚式掃描儀。

　　(1)光機(jī)掃描儀：光機(jī)掃描儀是對(duì)地表的輻射分光后進(jìn)行觀測(cè)的機(jī)械掃描型輻射計(jì)，它把衛(wèi)星的飛行方向與利用旋轉(zhuǎn)鏡式擺動(dòng)鏡對(duì)垂直飛行方向的掃描結(jié)合起來，從而收到二維信息。這種遙感器基本由采光、分光、掃描、探測(cè)元件,參照信號(hào)等部分構(gòu)成。光機(jī)發(fā)描儀所搭載的平臺(tái)有極軌衛(wèi)星及飛機(jī)陸地衛(wèi)星Landsat上的多光譜掃描儀(MSS)，專題成像儀(TM)及氣象衛(wèi)星上的甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)都屬這類遙感器。這種機(jī)械掃描型輻射計(jì)與推帚式掃描儀相比具有掃描條帶較寬，采光部分的視角小，波長間的位置偏差小，分辨率高等特點(diǎn)，但在信噪比方面劣于像面掃描方式的掃帚式掃描儀。

　　(2)掃帚式掃描儀：掃帚式掃描儀也叫刷式掃描儀，它采用線列或面陣探測(cè)器作為敏感元件，線列探測(cè)器在光學(xué)焦面上垂直于飛行方向作橫向排列，當(dāng)飛行器向前飛行完成縱向掃描時(shí)，排列的探測(cè)器就好像刷子掃地一樣掃出一條帶狀軌跡，從而得到目標(biāo)物的二維信息，光機(jī)掃描儀是利用旋轉(zhuǎn)鏡掃描，一個(gè)像元一個(gè)像元地進(jìn)行采光，而掃帚式掃描儀是通過光學(xué)系統(tǒng)一次獲得一條線的圖像，然后由多個(gè)固體光電轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行電掃描。推帚式掃描儀代表了新一代遙感器的掃描方式，人造衛(wèi)星上攜帶的推帚式掃描儀由于沒有光機(jī)掃描那樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，所以結(jié)構(gòu)上可靠性高，因此在各種先進(jìn)的遙感器中均獲得應(yīng)用，但是由于使用了多個(gè)感光元件把光同時(shí)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所以當(dāng)感光元件之間存在靈敏度差時(shí),往往產(chǎn)生帶狀噪聲，線性陣列遙感器多使用電荷偶合器件CCD，它被用于SPOT衛(wèi)星上的高分辨率遙感器HRV,日本的MOS-1衛(wèi)星上的可見光－紅外輻射計(jì)MESSR等上。

6　特點(diǎn)

　　各類遙感器的特點(diǎn)各種遙感器都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，可以互相補(bǔ)充。例如，光學(xué)照相機(jī)的特點(diǎn)是空間幾何分辨力高,解譯較易,但它只能在有光照和晴朗的天氣條件下使用，在黑夜和云霧雨天時(shí)不能使用。多光譜掃描儀的特點(diǎn)是工作波段寬，光譜信息豐富，各波段圖像容易配準(zhǔn)，但它也只能在有日照和晴朗天氣條件下使用。熱紅外遙感器和微波輻射計(jì)的特點(diǎn)是能晝夜使用,溫度分辨力高,但也常受氣候條件的影響，特別是微波輻射計(jì)的空間分辨力低更使它在應(yīng)用上受到限制。側(cè)視雷達(dá)一類有源微波遙感器的特點(diǎn)是能晝夜使用，基本上能適應(yīng)各種氣候條件(特別惡劣的天氣除外)。在使用波長較長的微波時(shí)，它還能檢測(cè)植被掩蓋下的地理和地質(zhì)特征。在干燥地區(qū)，它能穿透地表層到一定深度。合成孔徑側(cè)視雷達(dá)的空間分辨力很高，分辨力不會(huì)因遙感平臺(tái)飛行高度增加而降低，在國防和國民經(jīng)濟(jì)中都有許多重要用途。