下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
遥感传感器是测量和记录被探测物体的电磁波特性的工具，是遥感技术系统的重要组成部分，通常由收集器、探测器、信号处理和输出设备四部分组成。收集器由透射镜、反射镜或天线等构成；探测器指测量电磁波性质和强度的元器件；典型的信号处理器是负荷电阻和放大器；输出包括影像胶片、扫描图、磁带记录和波谱曲线等。
针对不同的波段，使用的传感器是不一样的。摄影机主要用于可见光波段范围。红外扫描器、多谱段扫描器除了可见光波段外，还可记录近紫外、红外波段的信息。雷达则用于微波波段。
按传感器本身是否带有电磁波发射源可分为主动式（有源）传感器和被动式（无源）传感器两类。主动式传感器是指向目标物发射电子微波，然后收集目标物反射回来的电磁波的传感器，目前，在主动式传感器中，主要使用激光和微波作为辐射源；被动式传感器是一种收集太阳光的反射及目标自身辐射的电磁波的传感器，主要用在紫外、可见光、红外、微波等波段，目前，这种传感器占太空传感器的绝大多数。
按传感器记录数据的不同形式，又可分为成像传感器和非成像传感器，前者可以获得地表的二维图像；后者不产生二维图像。在成像传感器中又可分细分为摄影式成像传感器（相机）和扫描式成像传感器，相机是最古老和常用的传感器，具有信息储存量大、空间分辨率高、几何保真度好和易于进行纠正处理的特点。扫描方式有空间扫描方式和物空间扫描方式两种。前一种方式的代表是电视摄像机，后一种方式的代表是光机扫描仪。推帚式扫描仪（固体扫描仪，也叫CCD摄影机）是两种方式的混合，即在行进的垂直方向上是图像平面扫描，在行进方向上是目标平面扫描。从可见光到红外区的光学领域的传感器统称光学传感器，微波领域的传感器统称微波传感器。
地表物质的组成极为复杂多样，要充分探测它的各方面特性，最理想的办法无疑是全波段探测，因为单一波段的探测只能反映某几个方面的特性，常常遗失掉可能是主要信息的内容，不能反映出目标的全貌，对以后的目标识别造成困难等，但全波段探测需要的设备太多太复杂，在实践中未必可能，也不一定必要，目前的做法是将地物辐射电磁波分割成若干个典型的波段，对同一个目标同时进行探测获得不同波段的信息，可以充分了解它的特性，而又避免了设备太庞大太复杂，这就是所谓多光谱遥感技术，这是当前传感器的主要工作方式之一。多波段摄影相机或扫描仪，无论是装在遥感飞机上或是人造卫星上，都能获得光谱分辨率较高、信息量丰富的图像和数据。
无论哪一种传感器，它们基本是由收集系统、探测系统、信息转换系统和记录输出系统四部分组成。
1.收集系统
遥感应用技术是建立在地物的电磁波谱特性基础之上的，要收集地物的电磁波必须要有一种收集系统，该系统的功能在于把接收到的电磁波进行聚集，然后送往探测系统。不同的传感器使用的收集元件不同，最基本的收集元件是透镜、反射镜或天线。对于多波段遥感，收集系统还包括按波段分波束的元件，一般采用各种散光分光元件，如滤光片、棱镜、光栅等。
2.探测系统
传感器中最重要的部分就是探测元件，它是真正接收地物电磁辐射的器件，常用的探测元件有感光胶片、光电敏感元件、固体敏感元件和波导等。
3.信号转换系统
除了摄影照相机中的感光胶片，电光从光辐射输入到光信号记录，无须信号转换之外，其他传感器都有信号转换问题。光电敏感元件、固体敏感元件和波导等输出的都是电信号，从电信号转换到光信号必须有一个信号转换系统，这个转换系统可以直接进行电光转换，也可进行间接转换，先记录在磁带上，再经磁带加放，仍须经电光转换，输出光信号。
4.记录输出系统
传感器的最终目的是要把接收到的各种电磁波信息，用适当的方式输出，输出必须有一定的记录系统，遥感影像可以直接记录在摄影胶片上，也可记录在磁带上等。
光学传感器最重要的特性有三个，即光谱特性、辐射度量特性和几何特性，这些特性确定了光学传感器的性能。
光谱特性主要包括传感器能够观测的电磁波的波长范围，以及各通道的中心波长等。在照相胶片型的传感器中，其光谱特性主要由所用胶片的感光特性和能用滤光片的透射率决定；而在扫描型的传感器中，则主要由所用的探测元件及分光元件的特性来决定。
辐射度量特性主要包括传感器的探测精度（包括所测亮度的绝对精度和相对精度）、动态范围（可测量的最大信号与传感器的可检测的最小信号之比）、信噪比（有意义的信号功率与噪声功率之比）等，除此之外，还有把模拟信号转换为数字量时所产生的量化等级、量化噪声等。
几何特性是用光学传感器获取的图像的一些几何学特征物理量来描述的，主要指标有视场角、瞬时视场、波段间的配准等。视场角是指传感器能够感光的空间范围，也叫立体角，它与摄影机的视角扫描仪的扫描宽度意义相同；瞬时视场是指在扫描成像过程中，一个光敏探测元件通过望远镜系统投影到地面上的直径或边长，通常也把传感器的瞬时视场称为它的“空间分辨率”，即传感器所能分辨的最小目标的尺寸；波段间的配准用来衡量基准波段与其他波段的位置偏差。
当前，航天遥感中扫描式主流传感器有两大类：光机扫描仪和扫帚式扫描仪。
光机扫描仪是对地表的辐射分光后进行观测的机械扫描型辐射计，它把卫星的飞行方向与利用旋转镜式摆动镜对垂直飞行方向的扫描结合起来，从而收到二维信息。这种传感器基本由采光、分光、扫描、探测元件、参照信号等部分构成。光机扫描仪所搭载的平台有极轨卫星及飞机，陆地卫星Landsat上的多光谱扫描仪（MSS）、专题成像仪（TM）及气象卫星上的甚高分辨率辐射计（AVHRR）都属这类传感器。这种机械扫描型辐射计具有扫描条带较宽、采光部分视角小、波长之间位置偏差小、分辨率高等特点。
扫帚式扫描仪采用线列或面阵探测器作为敏感元件，线列探测器在光学焦面上垂直于飞行方向作横向排列，当飞行器向前飞行完成纵向扫描时，排列的探测器就好像刷子扫地一样扫出一条带状轨迹，从而得到目标物的二维信息。光机扫描仪是利用旋转镜扫描，一个像元一个像元地进行采光，而扫帚式扫描仪是通过光学系统一次获得一条线的图像，然后由多个固体光电转换元件进行电扫描。扫帚式扫描仪代表了新一代传感器的扫描方式，人造卫星上携带的扫帚式扫描仪由于没有光机扫描那样的机械运动部分，所以结构上可靠性高，因此应用在各种先进的传感器中，但是由于使用了多个感光元件把光同时转换成电信号，所以当感光元件之间存在灵敏度差时，往往产生带状噪声。线性阵列传感器多使用电荷耦合器件CCD，它被用于SPOT卫星上的高分辨率传感器HRV，和日本MOS-1卫星上的可见光—红外辐射计MESSR等上。
遥感图形是各种传感器获取信息所得的产物，是遥感探测目标的信息载体。遥感解译人员需要通过遥感图形获取三方面的信息：目标地物的大小、形状及空间分布特点；目标地物的属性特点；目标地物的变化动态特点。这三方面特征的表现参数即为空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率和时间分辨率。
空间分辨率是指数字图像像元所能分辨目标的尺寸大小，即每个像元对应地面的大小。对传感器或图像而言，指图像上能详细区分的最小单元的尺寸或大小；对地面而言，指可以识别的最小地面距离或最小目标物的大小。对于摄影影像，通常用单位长度内包含可分辨的黑白“线对”数表示（线对/毫米）；对于扫描影像，通常用瞬时视场角（ IFOV）的大小来表示（毫弧度mrad），即像元，是扫描影像中能够分辨的最小面积。空间分辨率数值在地面上的实际尺寸称为地面分辨率。对于摄影影像，用线对在地面的覆盖宽度表示（米）；对于扫描影像，则是像元所对应的地面实际尺寸（米）。空间分辨率大小的决定因素是采样密度，如图2-19所示，采样间隔越小，空间分辨率越高，图像越清晰。空间分辨率是评价传感器性能和遥感信息的重要指标之一，也是识别地物形状大小的重要依据。
图2-19 不同空间分辨率的图像
波谱分辨率是指传感器在接受目标辐射的波谱时能分辨的最小波长间隔，间隔越小，分辨率越高。不同波谱分辨率的传感器对同一地物探测效果有很大的区别。例如，在0.4~0.6μm波长范围内，当一目标地物在波长0.5μm左右有特征值时，如果将波分为两个波段，地物不能被分辨；如果分为三个波段则可以体现0.5μm处的谷或峰的特征，因此，地物可以被分辨。成像光谱仪在可见光至红外波段范围内，被分割成几百个窄波段，具有很高的波谱分辨率，从其近乎连续的光谱曲线上，可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异，有利于识别更多的目标，甚至有些矿物成分也可被分辨。此外，传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值，如探测人体应选择8~12μm的波长范围，而探测森林火灾等则应选择3~5μm的波长，才能取得好效果。
辐射分辨率指探测器的灵敏度——传感器感测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力。一般用灰度的分级数来表示，即最暗至最亮灰度值（亮度值）间分级的数目——量化级数。决定辐射分辨率大小的是量化能力，如图2-20所示，量化级越多，图像层次越丰富，辐射分辨率越高。它对于目标识别是一个很有意义的元素。
图2-20 不同辐射分辨率的遥感图像
时间分辨率是关于遥感影像间隔时间的一项性能指标。遥感探测器按一定的时间周期重复采集数据，这种重复周期又称回归周期。它是由飞行器的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数所决定的。这种重复观测的最小时间间隔称为时间分辨率。遥感的时间分辨率范围很大。以卫星遥感来说，静止气象卫星的时间分辨率为1次/0.5小时，时间分辨率对于动态监测尤为重要，天气预报、灾害监测等需要短周期的时间分辨率，植物、作物的长势监测需要较长的时间分辨率，而城市扩展等更需要更长的时间分辨率。总之，要根据不同的遥感目的，采用不同的时间分辨率。时间分辨率的决定因素与卫星的回归周期有关，即由遥感卫星决定。如图2-21（a）、（b）所示为同一地区不同时期的影像图，可以看出不同时期水面的范围也有所不同。
图2-21 不同时期的遥感图像