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、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。輻射強度與物體的溫度和其他物理性質(zhì)有關，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，反射強度與物體的性質(zhì)有關。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,有可能反應出物體的某些特征,借以識別物體。

2　種類

　　種類按設計時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和紫外掃描儀兩種。近紫外波段的多光譜照相機也屬于這一類。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，以及可見光波段的多光譜照相機、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，如紅外攝影機采用的波段（0.7～0.9微米），多光譜照相機中的近紅外波段,“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。機載紅外輻射計和紅外行掃描儀，“陸地衛(wèi)星”4號和5號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、散射計、高度計、真實孔徑側(cè)視雷達和合成孔徑側(cè)視雷達等。

　　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用的電磁波發(fā)射源來劃分，遙感器分為有源（主動式）遙感器和無源(被動式)遙感器兩類。

　　還有更多的檢測環(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和氣象雷達，以及正在研制中的超短脈沖地下探測器等。

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)：遙感應用技術是建立在地物的電微波譜特性基礎之上的，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行聚集，然后關往探測系統(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成分光之件，例如：濾光片、棱鏡、光柵等。

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

　　(3)信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)：除了攝影照相機中的感膠片，電廣從光輻射輸入到光信號記錄，無須信號轉(zhuǎn)化之外，其它遙感器都有信號轉(zhuǎn)化問題，光電敏感元件，固體敏感元件和波導等輸出的都是電信號，從電信號轉(zhuǎn)換到光信號必須有一個信號轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，這個轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以直接進行電光轉(zhuǎn)化，也可進行間接轉(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

　　(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?shù)姆绞捷敵觯敵霰仨氂幸欢ǖ挠涗浵到y(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　光學遙感器的特性

　　光學遙感器所獲取的信息中最重要的特性有三個，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遙感器的性能。

　　(1)光譜特性主要包括遙感器能夠觀測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元件及分光元件的特性來決定。

　　(2)光學遙感器的輻射度量特性主要包括遙感器的探測精度（包括所測亮度的絕對精度和相對精度)、動態(tài)范圍(可測量的最大信號與遙感器的可檢測的最小信號之比)，信噪比(有意義的信號功率與噪聲功率之比)等等，除些之外，還有把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量時所產(chǎn)生的量化等級，量化噪聲等。

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

5　典型遙感器

　　當前，航天遙感中掃描式主流傳感器有兩大類：光機掃描儀和掃帚式掃描儀。

　　(1)光機掃描儀：光機掃描儀是對地表的輻射分光后進行觀測的機械掃描型輻射計，它把衛(wèi)星的飛行方向與利用旋轉(zhuǎn)鏡式擺動鏡對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、探測元件,參照信號等部分構(gòu)成。光機發(fā)描儀所搭載的平臺有極軌衛(wèi)星及飛機陸地衛(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(AVHRR)都屬這類遙感器。這種機械掃描型輻射計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，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器作為敏感元件，線列探測器在光學焦面上垂直于飛行方向作橫向排列，當飛行器向前飛行完成縱向掃描時，排列的探測器就好像刷子掃地一樣掃出一條帶狀軌跡，從而得到目標物的二維信息，光機掃描儀是利用旋轉(zhuǎn)鏡掃描，一個像元一個像元地進行采光，而掃帚式掃描儀是通過光學系統(tǒng)一次獲得一條線的圖像，然后由多個固體光電轉(zhuǎn)換元件進行電掃描。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掃描那樣的機械運動部分，所以結(jié)構(gòu)上可靠性高，因此在各種先進的遙感器中均獲得應用，但是由于使用了多個感光元件把光同時轉(zhuǎn)換成電信號，所以當感光元件之間存在靈敏度差時,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MESSR等上。

6　特點

　　各類遙感器的特點各種遙感器都有各自的特點和應用范圍，可以互相補充。例如，光學照相機的特點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不能使用。多光譜掃描儀的特點是工作波段寬，光譜信息豐富，各波段圖像容易配準，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的特點是能晝夜使用,溫度分辨力高,但也常受氣候條件的影響，特別是微波輻射計的空間分辨力低更使它在應用上受到限制。側(cè)視雷達一類有源微波遙感器的特點是能晝夜使用，基本上能適應各種氣候條件(特別惡劣的天氣除外)。在使用波長較長的微波時，它還能檢測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)視雷達的空間分辨力很高，分辨力不會因遙感平臺飛行高度增加而降低，在國防和國民經(jīng)濟中都有許多重要用途。