基本介紹
- 中文名：航天光學遙感
- 所屬學科：信息科學
- 定義：從高空探測地面或天體
- 載體：人造衛星、空間站、太空梭等
- 作用：探測地面或天體獲得有關信息
- 成像方式：凝視、掃描
基本原理,光學系統,全色成像,光譜成像,發展趨勢,
基本原理
地球表面接受太陽光的輻照後，帶有地表圖像信息的反射光經過大氣層，進入光學遙感器，在光學系統像面上，形成目標景物的像，並被接收器接收，經進一步處理後便可得到圖像產品。航天光學遙感的成像方式、圖像信息的類別和用途等如圖1所示。圖1中的GSD為地面像元解析度，是英文ground sample distance的縮寫，即接收器上的像元間距對應於地面上的尺寸。GSD大於1m時，作為軍事偵察普查用；小於1m時，則可作為詳查之用。按圖像信息的類別，航天光學所用光學儀器分為兩類：一類用以獲得地面目標的黑白圖像，稱為全色相機或全譜相機，主要提供目標的空間特徵；另一類用以獲取在多個不同波段處的圖像，稱為超/多光譜成像或成像光譜技術。常用的成像方式有凝視和掃描兩類。掃描方式又分為全景式、刷掃式及推掃式三種。全景式掃描每次曝光得到目標局部的二維圖像，隨著相機與地物間的相對運動，在感光快門控制下，獲取多幅局部圖像，經拼接處理後，得到完整圖像。使用最多的是刷掃式和推掃式，都是線視場掃描方式。推掃和刷掃相機都只需要一維探測器，也只需要光學鏡頭僅線上視場內具有好的成像質量。光學系統和探測器的結構較簡單，特別是推掃方式成像不需要機械掃描，而是藉助平台的飛行和地球的自轉來實現掃描，用一維線陣探測器就能得到物體的二維時間信息。在這種方式下，若採用二維探測器將易於實現高解析度的光譜成像。
圖1
航天光學遙感的主要參數指標為：
1、軌道高度，即飛行器在工作時離地面的高度，100～ 1000km為低、中軌道，1000km以上為高軌道；
2、刈幅寬度，為一次照相時能拍攝到的地面範圍，這取決於軌道高度和遙感器的視場角；
3、工作譜段，這需由用途決定；
4、地面像元解析度，這是很重要的指標，與像元尺寸、軌道高度和光學系統焦距有關；
5、質量和體積；
6、功耗。
光學系統
全色成像
全色遙感相機的光學原理如圖2所示。航天相機的焦距遠小於衛星軌道高度，可認為相機離地面目標物體無窮遠，因而可認為是一種望遠物鏡。地面物點發出的光以平行光進入望遠物鏡，經會聚後，在焦平面形成目標的像，形成的光學像可用多種探測器接收、記錄。
圖2
全色相機使用的光學系統有折射式、折射-反射式、純反射式等三種類型。折射式光學系統較適用於可見光和近紅外光，全部由反射光學元件組成的純反射系統適用於全波段。在紫外和中、遠紅外波段，使用含有折射元件的光學系統時，需要考慮折射材料對光的吸收。
地面物體在望遠照相物鏡焦面上所成像的大小與其焦距成正比，焦距越長，地面目標看得越清楚。然而，由於衍射效應，點物的像不是一個點，而是一個斑，為了看清物體的細節，必須使點物的像斑足夠小，以使兩相鄰物點的像能分開。由於像斑的大小正比於光學系統的F數或相對孔徑的倒數，因此增大焦距的同時，必須增大口徑，才能保證具有足夠高的空間解析度。但另一方面，口徑和焦距的增大會使光學系統的體積、質量增大，發射成本提高，光學設計和製造難度加大，所以，必須綜合考慮，選擇適當的光學系統和成像方式。
折射式光學系統較適合於視場大、解析度要求低、焦距較短及通光口徑不大的場合。圖3是地面反射光偏振和取向特性探測儀的光學系統，為折射式光學系統。
圖3
隨著解析度要求的不斷提高，要求光學系統的焦距越來越長，對於折射系統來說，存在著一些難以克服的困難。元件的通光口徑、系統的體積和質量要相應地增大，獲得大尺寸光學均勻的材料較困難；二級光譜正比於焦距，隨著焦距變長，其影響難以消除。因此，越來越多地採用折射-反射混合式或純反射式結構。
折射-反射式系統具有外形尺寸小、孔徑和視場較大的優點。主要由反射鏡產生所需的光焦度，而用無光焦度的多塊折射元件校正像差，擴大視場，因此，不會帶來色差。
光譜成像
由光學成像和分光技術相結合形成的一種新的探測技術，不僅能提供地面目標的空間信息，還能提供光譜信息。光譜成像的目的就是要得到（x，y，λ）三維空間中每一點的光強值I（x，y，λ）。這樣的三維分布可看出由一系列λ為常數的三維單色像I（x，y）構成。
圖4
圖4是一種稜鏡式分光成像光譜儀的光學系統，主要由前置望遠成像和兩個成像光譜儀子系統組成。前置望遠鏡使用無遮攔消像散齊明五球面反射系統，在望遠鏡的焦平面上實現光譜段分離，將可見-近紅外和短波紅外譜段分別耦合到兩台結構相似的成像光譜儀上。
發展趨勢
當前航天光學遙感技術呈現出主要向兩個方向發展的趨勢，一方面為了降低製造和發射成本，提高可靠性，向微、小型化方向發展，衛星的重量在幾十到幾百公斤之間；另一方面，為了提高地面解析度和增加地面刈幅寬度，要求增大光學系統焦距和擴大視場角，光學遙感器向大型或巨型化方向發展。天際作為除陸、海、空以外的第四個領域，是各國探索、研究和競爭的一個重要領域。航天光學遙感技術是當今世界獲取信息的重要手段，它涉及到國計民生，涉及到宇宙的探索和新的物理現象的研究，也涉及到國家安全，各國都競相研發，未來航天遙感技術必將有更大的發展。
