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1、1,第3节 高光谱遥感成像原理武汉大学遥感信息工程学院龚 龑,高光谱遥感第二章 地物光谱数据的获取与分析,2,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式四、成像光谱仪的光谱成像方式,3,1.光谱仪、成像仪、辐射计之间的关系,一、高光谱遥感成像的基本概念,光谱仪,成像仪,辐射计,4,一、高光谱遥感成像的基本概念,光谱仪（光谱信息）,成像仪（空间信息）,辐射计（辐射信息）,5,2.光谱分辨率,一、高光谱遥感成像的基本概念,光谱分辨率（Spectral Resolution）指探测器在波长方向上的记录宽度，又称波段宽度（Band
2、width）。,6,下图所示，纵坐标（Y轴）为探测器的光谱响应，它是横坐标（X轴）所代表的波长的函数。光谱分辨率被严格定义为仪器在达到 50%光谱响应时的波长宽度。,一、高光谱遥感成像的基本概念,2.光谱分辨率,7,一、高光谱遥感成像的基本概念,空间分辨率(Spatial Resolution),成像光谱仪的空间分辨率是由仪器的角分辨力（Angular Resolving Power）,即仪器的瞬时视场角（Instantaneous Field of View,IFOV）决定的。,3.空间分辨率,8,瞬时视场角IFOV 以毫弧度（m rad）为计量单位。IFOV所对应的地面大小被称为地面分辨单
3、元（Ground Resolution Cell）。,一、高光谱遥感成像的基本概念,pixel,GRC=2.tg(IFOV/2).H,9,地面扫描幅宽_仪器的视场角（Field of View，FOV）仪器的视场角是仪器扫描镜在空中扫过的角度，它与系统平台高度决定了地面扫描幅宽（Ground Swath，GS）,一、高光谱遥感成像的基本概念,4.仪器的视场角,10,一、高光谱遥感成像的基本概念,GS=2.tg(FOV/2).H,4.仪器的视场角,11,line,一、高光谱遥感成像的基本概念,仪器的视场角(FOV)与瞬时视场角(IFOV)的关系？,12,一、高光谱遥感成像的基本概念,瞬时视场角(
4、IFOV)较小，可以获得较高的空间分辨率。,仪器的视场角(FOV)较大，可以获得较宽的地面扫描幅宽。,因此，在仪器设计时，FOV和IFOV是必须考虑的重要参数。,4.仪器的视场角,13,5.调制传递函数,一、高光谱遥感成像的基本概念,高光谱成像仪光学成像中既有普通意义上的光学系统，如望远镜系统、光谱仪系统。也有如线列光纤狭缝和面阵探测器一类的离散采样系统。还存在系统之间的耦合等因素。,如何评价遥感成像环节对遥感图像的影响?,14,调制传递函数(MTF)是从谐波分析的角度研究光学系统的成像性质，能够定量描述系统对正弦信号输入的振幅响应，被广泛用于遥感器的成像过程研究。,一、高光谱遥感成像的基本概
5、念,实际的遥感成像链路系统一般比较复杂，但是，可以认为是由若干个独立成像的分系统组成的复合成像链路系统。（满足相乘律条件）,5.调制传递函数,15,若干个独立成像的分系统组成的复合成像链路系统满足相乘律条件。,一、高光谱遥感成像的基本概念,5.调制传递函数,16,6.信噪比,信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）是传感器所采集到的信号和噪声之比，是传感器的一个极其重要的性能参数。,一、高光谱遥感成像的基本概念,信噪比的高低直接影响图像的分类和图像目标的识别等处理效果。,信噪比与空间分辨率、光谱分辨率是相互制约的，提高空间分辨率或者光谱分辨率都会降低信噪比，须综合取舍。,17,7
6、.探测器凝视时间,探测器的瞬时视场角扫过地面分辨单元的时间称为凝视时间（dwell time）。,一、高光谱遥感成像的基本概念,探测器的凝视时间在数值上等于行扫描时间除以每行的像元个数。,探测器的凝视时间长短对成像质量有哪些影响？,凝视时间越长，进入探测器的能量越多，光谱响应越强，图像信噪比越高。,18,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式四、成像光谱仪的光谱成像方式,19,高光谱成像的关键技术包括图像的获取传输和处理等技术。成像光谱仪是集探测器技术、精密光学机械、微弱信号探测、计算机技术、信息处理等技术为一体的综合
7、性技术。,二、高光谱遥感成像关键技术,1.探测器焦平面技术2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术3.高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术4.成像光谱仪的光谱与辐射定标技术,20,1.探测器焦平面技术,成像光谱仪的发展首先依赖于焦平面技术的发展。,二、高光谱遥感成像关键技术,焦平面是指经过焦点与主光轴垂直的平面,目前世界上硅焦平面探测技术十分成熟。,大面阵和长线阵的硅电感耦合器件(charge coupled device)已经商品化。从CCD 的角度来讲，在可见光、近红外光谱的间隔可以细分为1-2nm.,21,2.各种新型的光谱仪技术和精密光学技术,二、高光谱遥感成像关键技术,光栅器件色
8、散器件滤光片技术精准机械动力技术,狭缝、光纤 空间扫描,光谱技术,22,3.高速数据采集、传输、记录和实时无损压缩技术,二、高光谱遥感成像关键技术,巨大的数据量引起的采集速率问题（星载情况）,大数据量的记录、存储问题（采集值-输出值）,数据的实时压缩、处理技术（FT）,23,4.成像光谱仪的光谱与辐射定标技术,二、高光谱遥感成像关键技术,目的：建立影响相应值与辐射值之间的关系,定标是定量分析和反演的基础,整机的实验室光谱定标 实验室辐射定标 机上光谱校正 机上辐射量校正,光谱定标,辐射定标,24,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱
9、仪的空间成像方式四、成像光谱仪的光谱成像方式,25,三、成像光谱仪的空间成像方式,空间成像方式与光谱成像方式,空间成像方式是指从影像二维空间形成的角度考察成像光谱仪的工作方式。光谱成像方式是指从光谱维数据形成的角度考察成像光谱仪的工作方式。,26,1.摆扫型成像光谱仪,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型(Whisk broom)成像光谱仪由光机左右摆扫和飞行平台向前运动完成二维空间成像，其线列探测器完成每个瞬时视场像元的光谱维获取。,27,原理,三、成像光谱仪的空间成像方式,45斜面的扫描镜（Rotating Scan Mirror）电机(Electric Motor)进行 360旋转旋转水
10、平轴与遥感平台前进方向平行扫描镜扫描运动方向与遥感平台运动方向垂直,1.摆扫型成像光谱仪,28,三、成像光谱仪的空间成像方式,光学分光系统形成色散光源再汇集到探测器(Detectors)上。这样成像光谱仪所获取的图像就具有了两方面的特性：光谱分辨率与空间分辨率。,1.摆扫型成像光谱仪,原理,29,可以达到很大的视场角(FOV可达90度),三、成像光谱仪的空间成像方式,像元配准好，不同波段在任何时刻都凝视同一像元。,在每个波段只有一个探测器元件需要定标，增强了数据的稳定性。,进入物镜后再分光，波段范围可以做得很宽。,视场角像元配准定标波段范围,1.摆扫型成像光谱仪,优点,30,由于采用光机扫描，
11、每个像元的凝视时间很短，要进一步提高光谱分辨率和信噪比比较困难。,三、成像光谱仪的空间成像方式,1.摆扫型成像光谱仪,不足,31,2.推扫型成像光谱仪,推扫型成像光谱仪采用一个面阵探测器，其垂直于运动方向在飞行平台向前运动中完成二维空间扫描；平行于平台运动方向，通过光栅和棱镜分光，完成光谱维扫描。它的空间扫描方向就是遥感平台运动方向（Along-track Scanning）。,三、成像光谱仪的空间成像方式,为什么用面阵探测器？（HRV）,32,三、成像光谱仪的空间成像方式,垂直于运动方向完成空间维扫描。,2.推扫型成像光谱仪,原理,33,三、成像光谱仪的空间成像方式,平行于运动方向完成光谱维
12、扫描。,原理,2.推扫型成像光谱仪,34,三、成像光谱仪的空间成像方式,2.推扫型成像光谱仪,原理(指向镜),35,三、成像光谱仪的空间成像方式,凝视时间空间分辨率和光谱分辨率 仪器体积,像元凝视时间仅仅取决于平台运动的地速，因而凝视时间大大增强。相对于摆扫型成像光谱仪，凝视时间可提高近千倍。,由于像元凝视时间增强，空间分辨率和光谱分辨率也得到提高。,由于没有光机扫描运动设备，仪器的体积较小。,2.推扫型成像光谱仪,优点,36,三、成像光谱仪的空间成像方式,视场角定标,由于探测器件尺寸和光学设计的困难，总视场角不可能很大，一般只能达到30度左右。,一次需要对上万个探测器元件进行定标，增加了处理
13、负荷和不稳定因素。,2.推扫型成像光谱仪,不足,37,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比,OMIS（摆扫）,PHI（推扫）,38,三、成像光谱仪的空间成像方式,摆扫型与推扫型成像光谱仪实例对比,39,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,一、高光谱成像的基本概念二、高光谱遥感成像关键技术三、成像光谱仪的空间成像方式四、成像光谱仪的光谱成像方式,40,四、成像光谱仪的光谱成像方式,将进入探测器的能量分解为不同波长的电磁波。,光谱成像方式要解决的问题是什么？,主要的光谱成像方式：色散型（简单）干涉型（难点）其它类型,41,1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪,四、成像光谱仪的光
14、谱成像方式,色散型成像光谱技术出现较早，技术比较成熟。,入射的辐射能经过光学系统准直后，经棱镜和光栅狭缝色散，由成像系统将色散后的光能按照波长顺序成像在探测器的不同位置上。,42,四、成像光谱仪的光谱成像方式,摆扫条件下光谱色散原理,二维影像空间上一个点,1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪,43,四、成像光谱仪的光谱成像方式,推扫条件下光谱色散原理,二维影像空间上一条线,附图ZKY P52-2,1.棱镜、光栅色散型成像光谱仪,44,色散型光谱成像方式的特点,原理直接，结构简单（折射率不同）光谱维信息易于确定（色散像按波长线性分布在像面上）,四、成像光谱仪的光谱成像方式,1.棱镜、光栅色散型成像光谱
15、仪,45,2.干涉成像光谱仪,四、成像光谱仪的光谱成像方式,干涉成像光谱仪并不直接分光，而是生成各种光程差条件下的干涉图，再根据干涉图与光谱图之间的傅里叶变换关系，得到光谱图。,已知什么？不同光程差条件下的干涉图要得到什么？不同波长对应的光谱图,46,a.时间调制型,时间调制 与 空间调制基本原理干涉与光谱的转换获得干涉影像的方法不同,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,47,傅立叶变换,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,48,四、成像光谱仪的光谱成像方式,傅里叶变换对,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,傅立叶变换,49,迈克尔逊型干涉成像光谱仪
16、结构,四、成像光谱仪的光谱成像方式,附图ZKY P53,二光束是从同一入射光束分割出来的,振幅相差不悬殊,同频率,振动方向不正交,有固定相位差,必要条件,充分条件,二光束在探测器上相遇时，必然会产生干涉图样。,固定镜,动镜,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,50,干涉图生成光谱图的原理,四、成像光谱仪的光谱成像方式,固定镜,动镜,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,51,其中R和T就是反射比和透射比，为常数，是输入光束强度，为相位差，为光程差。,波数、光程差与相位差之间的关系？,波数：单位距离内电磁波的周期数,相位差：相位周期数的差值（无量纲）,光程差：光传播的路程差（距离）,四、成像光谱仪
17、的光谱成像方式,信号强度,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,干涉图生成光谱图的原理,52,相当于对于干涉仪平面镜2处于某一个位置x时，探测器所接收到的所有能量。,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,干涉图生成光谱图的原理,53,分析下式,去除掉已知的直流信号（与x无关的常数），得到干涉图的一般表达式：,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,干涉图生成光谱图的原理,54,将下式,根据欧拉公式扩展为复数形式：,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,干涉图生成光谱图的原理,55,最终，得到光谱图：,已知 不同光程
18、差条件下的干涉图要得到 不同波长对应的光谱图,四、成像光谱仪的光谱成像方式,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,干涉图生成光谱图的原理,56,迈克尔逊型干涉成像光谱仪特点,四、成像光谱仪的光谱成像方式,可获得较大的光程差，从而实现相当高精度的光谱测量。,需要一套高精度的动镜驱动系统，对扰动和机械扫描精度都很敏感，工艺复杂、成本高。,由于物面像元的干涉图是时间调制的，所以，难以测量空间和光谱迅速变化的物面的光谱，仅适合较慢状态。,2.干涉成像光谱仪,a.时间调制型,57,四、成像光谱仪的光谱成像方式,通过起偏器，棱镜和检偏器形成干涉图 干涉图与光谱图转换原理与时间调制型一样,2.干涉成像光谱仪,
19、b.空间调制型,58,双折射型干涉成像光谱仪原理,四、成像光谱仪的光谱成像方式,由于棱镜折射原因，产生光程差，形成干涉图。,2.干涉成像光谱仪,b.空间调制型,59,空间调制型干涉成像光谱仪特点,四、成像光谱仪的光谱成像方式,探测器所探测的不是像元辐射中的单个窄波段成分，而是整个光谱的傅里叶变换，因此具有改善信噪比的作用。,无运动部件，结构紧凑，抗扰动能力和抗震性能好。,实时性较好，在凝视时间较短的情况下也可获得较好的观测结果。,信噪比,仪器结构,实时性,2.干涉成像光谱仪,b.空间调制型,60,3.其它类型成像光谱仪,四、成像光谱仪的光谱成像方式,滤光片型成像光谱仪 二元光学成像光谱技术,6
20、1,滤光片型成像光谱仪,四、成像光谱仪的光谱成像方式,图zky p57,3.其它类型成像光谱仪,62,二元光学成像光谱技术,四、成像光谱仪的光谱成像方式,二元光学元件既是成像元件又是色散元件，与棱镜垂直于光轴色散不同，二元光学元件沿轴向色散，利用面阵CCD沿光轴对所须波段进行探测，不同位置对应于不同波长的成像区。,焦平面不同,不同波长色散位置不同,3.其它类型成像光谱仪,63,小结,一、基本概念 光谱仪 成像仪 辐射计 之间的关系 光谱分辨率 空间分辨率 仪器的视场角 信噪比 探测器凝视时间二、成像光谱仪的空间成像方式 摆扫型成像光谱仪 推扫型成像光谱仪三、成像光谱仪的光谱成像方式 棱镜、光栅色散型成像光谱仪 干涉成像光谱仪（干涉图生成光谱图的原理）其它类型成像光谱仪（滤光片型、二元光学器件）,第二章 第3节 高光谱遥感成像原理,
