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大家好

今天我们来学习光学成像系统

光学成像系统主要由四部分组成

一是采集器

主要用于采集地物的反射或辐射的能量

一般由透镜系统组成

对于多波段系统而言

还需要分光系统

即将光分解为不同波长的光波分别成像

对于某些扫描系统而言

还需要配以扫描器

从而实现对物空间中不同地物能量的收集

二是检测器

检测器的作用是将采集到的光信号转变为电信号

根据探测器件类型的差异

就对应了不同类型的成像系统

当探测器件使用Film（即胶片）时

对应的成像系统是摄影成像系统

当探测器件为CCD 等光敏器件时

对应扫描成像系统

当探测器件为热敏器件时

对应热成像系统

紧接着通过信号处理器

对转换后的电信号进行进一步的滤波 放大等

将目标的信息凸显出来

输出器可以将最终处理的目标信息以数据的形式进行记录

还可以以图像形式进行显示

从而实现对物空间目标的成像

摄影系统是一种分幅成像系统

即一幅像片的所有内容都是瞬间同时获得的

不存在成像时间的差异

当感光膜只使用单一感光乳胶层时

可获得黑白片

包括黑白全色片和黑白红外片

黑白全色片对整个可见光波段的各感光乳胶层具有均匀的响应

黑白红外片仅对近红外波段的感光乳胶层具有响应

当感光膜使用多种不同的感光乳胶层时

可获取彩色片

包括天然彩色片和彩色红外片

天然彩色片的三层感光乳胶层

分别为感红 感绿 感蓝层

所得图像近似于人眼的视觉效果

彩色红外片的三层感光乳胶层

分别为感红 感绿 感近红外层

所得图像色彩更鲜艳

层次更丰富

地物对比更明显

扫描成像系统分为光机扫描成像系统

和推扫式扫描成像系统两种

光学机械扫描成像系统通过扫描镜

改变成像的区域

通过分光系统

可以获取多个不同波段的图像

若将该成像设备放置于机载平台

随着平台的运动

可实现对地面的逐行扫描

对每一行实现逐像素的扫描

由于成像系统的瞬时视场角

在扫描过程中始终不变

在对每一行进行扫描时

两端几何失真明显

导致空间分辨率差

同时在帧时间固定时

每一像素的成像驻留时间比较短

因为对该成像系统而言

驻留时间等于帧时间除以像素总数

导致幅度分辨率也比较差

美国对地观测卫星Landsat7上的MSS成像数据

就是采用光学机械扫描成像原理获得的

从表中可以看出

空间分辨率只有80m

因此只能用于地物目标的粗分类

下面我们来看推扫式扫描成像系统

与光机机械成像系统相比

该系统发生了两点变化

一是没有了扫描镜

对地面的扫描必须随着平台的运动来实现

二是焦平面阵列

不再是单一的检测单元

这时候焦平面上的多个检测单元可以排成行阵列或面阵列

此时每个检测单元对应地面固定大小的单元

行阵列可以实现对地面的一行分辨单元同时成像

面阵列可以同时实现对地面的一个条带分辨单元同时成像

可见几何失真问题不存在了

因此该成像系统从理论上得到的图像空间分辨率比较高

左侧图是行阵列扫描的推扫式成像系统

右侧是面阵列扫描的推扫式系统

和光机扫描系统一样可以通过分光系统得到多个波段的图像

法国的SPOT星是世界上最早的高分辨率卫星

这个表里显示的是目前在轨运行的SPOT4和SPOT5两颗星的数据

其上的HRG数据就是采用推扫式成像得到的

可以看出与Landsat星相比

分辨率的提高是非常明显的

目前在对地观测 目标侦察等领域

基本上都倾向于推扫式成像

下面就让我们思考一个问题

与光机扫描成像系统相比

推扫式成像系统有哪些优点呢

很明显前者的缺点就是后者的优点

针对前者的几何失真问题

推扫式采用成行 成条带扫描

因此没有几何失真

空间分辨率高

如果二者成像的帧时间是一样的

那么推扫式系统每个像素的驻留时间显然大于光机扫描系统

可见每个像素有更强的记录信号

因此呢幅度分辨率也好

另外从成像结构上

推扫式少了扫描镜

因此体积小 重量轻 能耗低

而且系统稳定性更好

结构的可靠性也高

正是由于这些优点

使得推扫式系统得到了普遍的应用

目前扫描成像系统发展的趋势就是成像光谱

也就是利用刚才我们介绍的成像技术加更加先进的分光谱技术

就可以同时得到同一区域几十甚至几百个波段的图像

利用这些成像波段就可以详细的绘制出地物逼真的光谱曲线

从而实现对地物细微差异的识别

当前人们把光谱分辨率优于10nm的成像光谱

又称为高光谱或超光谱

热成像系统又称红外成像系统

与扫描成像系统相比

成像结构和扫描方式相同

主要的差异是热成像系统

主要采用热敏器件接收目标辐射的红外辐射能量

从而提供景物的热图像

将不可见的辐射图像转变为人眼可见的清晰的图像

由于目标红外辐射的能量依赖于温度

因此这种成像称为热成像

本讲到此结束

谢谢大家