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5 遥感传感器及其成像原理 ​

遥感器：收集、探测、处理和记录物体电磁波辐射信息的工具。

几何特性 ​

焦距 ：决定拍摄的成像大小、视场角大小、景深大小和画面的透视强弱

总视场（field of view, FOV）：遥感成像过程中，扫描带在地面上所覆盖的实际宽度。

总视场角（也称总扫描角）：从遥感平台观测点出发，分别指向地面扫描带两侧外侧端点的两条视线所构成的夹角。总视场角不宜过大，否则图像边缘的畸变太大。

其中 为覆盖宽度， 为轨道高度， 为传感器半视场角。

扫描倾角：视场角主光轴沿侧摆方向产生偏移的角度，主光轴和铅垂线方向的夹角。

瞬时视场角 （instantaneous field of view, IFOV）：遥感探测器在某一瞬间探测单元对应的视场范围，以毫弧度（）计量。IFOV 越小，最小可分辨单元越小，图像空间分辨率越高。

刈yì幅（swath）：卫星单一传感器扫过的条带宽度。

光学特性 ​

波长范围：传感器能够探测的电磁波波长区间。据此可分为光学传感器、微波传感器、热红外传感器、雷达传感器等。不同的地物在不同波长范围内的反射特性不同，因此选择合适的波长范围对目标地物的识别至关重要。

中心波长：卫星在获取遥感影像时所使用的光谱波长范围的中心值。

动态范围：指传感器能够探测的辐射强度的最大与最小值的比值，反映了成像系统在单次曝光中能够捕捉到的亮度级别的宽度。

调制传递函数（modulation transfer function, MTF）：输入对比度与输出对比度之比，描述光学系统对输入图像的响应能力，反映系统在不同空间频率下保持对比度的能力。MTF 值介于 0 到 1 之间，1 表示输入对比度完全保留，0 表示完全丢失。

信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）：传感器输出的有用信号与背景噪声强度的比值。高信噪比意味着图像中的噪声相对较少，图像质量更高。

分辨率 ​

传感器有四大分辨率：空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率。

空间分辨率 ：一定高度下遥感探测器的瞬时视场角 所对应的地面范围大小。瞬时视场角在仪器设计时已经确定，因此空间分辨率的变化只与航高 有关。

光谱分辨率：传感器观测所用的中心波长的位置、波长间隔及波段总数。

辐射分辨率：衡量遥感器区分不同目标光谱反射、发射能量最小变换的能力，也称为传感器的灵敏度。常用噪声等效反射率差 或噪声等效温差 来表示。从信息量角度，也可以用量化等级 来反映，例如一般图像的 量化等级为 0 至 255 的 256 阶。

时间分辨率：指在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔。对轨道卫星，亦称覆盖周期。时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高。

一般地，四种分辨率相互制约，难以同时提升。应根据不同遥感应用目的，采用不同的遥感分辨率组合。

光学卫星成像模式 ​

框幅式成像 ​

框幅式成像：在某一摄影瞬间获得一张完整的面状影像，一张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面，共用一组外方位元素。

扫描式成像 ​

扫描式成像依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时现场为单位进行的逐点或逐行采样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谐段的图像。

  • 光学机械扫描系统：沿扫描线逐点扫描成像，又称物面扫描系统。结构上通过扫描镜旋转实现。扫描宽幅大但是空间分辨率较低。
  • 推扫式扫描系统：广角光学系统在整个视场内成像，记录的多光谱图像数据是沿着飞行方向的条幅。通过飞行器与探测器成正交方向的移动活动目标的二维信息。
  • 侧摆/多线阵成像：推扫式传感器沿旁向或沿前进方向倾斜。可用于立体成像，获取更大的范围，缩短重访周期，使遥感卫星的效率更高；但侧摆方式带来了影像的畸变和地面像元分辨率的下降，需要在图像预处理中纠正。
    • 旁向倾斜：需要到达侧向位置才能拍到第二张形成立体像对，即异轨立体
    • 沿前进方向倾斜：运动过程中即可实现同轨立体

凝视成像 ​

凝视成像仪利用面阵探测器获取空间信息。卫星在沿轨道运动过程中，虽然目标区域和卫星的相对位置不断变化，但通过调整卫星的姿态角度和姿态角速度，可使卫星中的光学有效载荷的光轴始终指向目标区域。

常用于实时提取运动目标信息，例如气象卫星等。

敏捷成像 ​

让卫星携带云台，实现在较短时间内实现姿态大角度快速机动成像，实现单轨道周期内完成多点目标成像、立体成像、条带拼接成像等。

特点是轨道低、质量低、成本低，分辨率高、姿控水平高。