1、目 录第 6 章 扫描成像 .16.1 扫描探测器工作原理 .16.1.1 探测器主要性能参数 .16.1.2 半导体导电机理 .26.1.3 扫描探测器的工作原理 .56.2 电子扫描成像 .66.2.1 电视摄像机基本构造 .66.2.2 电子扫描成像过程 .66.3 光学机械扫描成像 .86.3.1 光机扫描仪的结构组成 .86.3.2 光机扫描仪的成像过程 .116.4 固体自扫描成像 .136.4.1 CCD 的基本结构与工作原理 .136.4.2 CCD 成像原理 .146.4.3 CCD 探测器类型 .151第 6 章 扫描成像受胶片感光范围的限制，摄影胶片一般仅能记录波长在 0
2、.31.4m 间的电磁波辐射，加之由于在航天遥感时采用摄影型相机的卫星所带的胶片有限，因此，摄影成像的应用范围受到了较大的限制。扫描成像是 50 年代以来产生、形成的一种新兴探测技术，它主要依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时视场为单位进行的逐点、逐行取样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，利用光电效应和光热效应，将辐射能转换成电能(电流、电压)，或者是其它物理特性(体积，压力等)的变化，从而对物体进行探测。扫描成像探测波段可包括紫外、红外、可见光和微波波段，数据可采用视频传输方式来回收，应用领域广泛，是遥感的重要成像方式和发展方向。6.1 扫描探测器工作原理6.1.1 探测器主要性能参数与其它
3、器件一样，探测器也有一套根据实际应用的需要而制定的特性参数。用这些参数可以评价一个探测器的优劣，图 6-1 为探测器功能示意图，输入的是辐射能，输出的是电压，下面介绍几个主要特性参数。图 6-1 探测器的功能图 图 6-2 探测器光谱响应曲线1 响应率响应率是到达探测器上的单位辐射功率所产生的电压，即输出电压与输入辐射能量之比，表达式是： （6-1）：输出电压(伏)，：输入的辐射能量(瓦)。2 响应波长范围探测器的响应率与入射辐射的波长有一定关系，图是探测器的光谱响应曲线。2一般情况下，响应曲线有一最大响应峰，对应波长为 p，从 p 向两边响应率都有所下降，我们把下降到峰值的一半所在的波长 c
4、1、 c2叫做截止波长，探测器的使用范围波长，只能在 c1和 c2之间。3 噪声电压（n）和等效噪声功率（NEP）探测器在工作时本身所固有的一些毫无规律的，事前无法预测的随机电压起伏，叫噪声电压，简称噪声（n） 。如果投射到探测器上面的辐射通量产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射量就叫做等效噪声功率（NEP） ，意思是说，它对探测器所产生的效果与噪声相等。NEPnn（s） （6-2）显然等效噪声功率 NEP 就是信噪比（sn）等于的入射辐射通量。要真正肯定辐射信号的存在，入射辐射功率应为 NEP 的 26 倍。NEP 基本能表达一个探测器的探测能力，但它的大小依赖于探测器的面积
5、 A，也依赖于放大器带宽 f，为了比较探测器的优劣，须用探测灵敏度 D*来衡量。D *是与 NEP 成反比的量，由下式求出：（6-3 ）NEPf式中：D *为探测灵敏度，A 为元件的面积，NEP 为等效噪声功率，f 为频带宽度，当元件面积为 1cm2、频带宽度为 1Hz、照射光的入射功率为 1W 时，D *的值等于探测器输出信号与其噪声之比，即信噪比（S/N） 。另外，还常用光谱分辨率来表达传感器的光谱探测能力。它包括传感器总的探测波谱的宽度、波段数、各波段的波长范围和间隔。若传感器所探测的波段愈多，每个波段的波长范围愈小，波段间的间隔愈小，则它的光谱分辨率愈高。传感器的光谱分辨率高，它取得的
6、图像就能很好地反映出地物的光谱特性，不同地物间差别在图像上就能很好地体现出来，传感器探测地物的能力就强。4 响应时间当一定能量的辐射突然到达探测器的敏感面上时，探测器的输出电压要经过一定的时间才能上升到与这一辐射通量相对应的稳定值；当辐射突然除去后，输出电压也要经过一定的时间，才能下降到辐射之前原有值。一般而论上升下降所需时间是相等的，这一段时间就称为探测器的响应时间。6.1.2 半导体导电机理我们知道，物体可分为导体、半导体和绝缘体。导体传导电流，绝缘体隔离电流，半导体传导电流的能力介于它们两者之间。1 物体导电机理由物体微观结构知，物质由原子核和电子组成，电子成层分布在核周围，靠核较近的电
7、子，受核吸引力较大，一般不能脱离开核；离核远的电子，受核吸引力较小。物体的原子中离核最远的那些电子，受力最小，结合最松，很容易受到相邻原子核的作用，从而脱3离它原来的原子，成为不属于某一个原子而是整个晶体的电子。由于它能在晶体中自由运动，所以称为“自由电子” 。金属物体自由电子浓度非常高，这些自由电子在晶体内的运动是杂乱无章的，但是，如果有外加电压作用于导体上，自由电子的运动就受到电场力的牵引，有一个顺电场作用力方向的加速运动。也就是说，自由电子都会以一定的速度从导体的一端迁移到另一端，这就是导体传导电流的过程。2 半导体的导电机理半导体的物体在组成晶体时，相邻的两个原子各以一个电子相结合(称
8、键合)而形成属于这两个原子的一对键合电子。如果没有其它因素干扰，原子最外层的电子都分属于各对原子，没有自由电子，这时导电率为零(不导电)。但是当有干扰存在时，如温度变化，杂质的加入，就产生了自由电子，其浓度随温度、杂质的变化而变化。(1)温度的影响半导体晶体结构中，相邻两原子之间的键合电子与原子的结合并不很强。晶体的温度升高后，热振动可能使某一个电子摆脱原子的束缚成为自由电子，自由电子的浓度随温度升高而迅速增长。当一个键合电子变成自由电子离开了它所属的原子对后，就在它原来原子对处留下了一个空位置，这时，附近的键合电子很可能脱离它所属的原子对而来填补这个空位置，这就相当于空位置换了一个地方。键合
9、电子变成自由电子带的是负电荷，所以它逆电场方向运动，而它留下的空位置，在电场作用下，由于键合电子的不断填补，就象一个带阳电荷的粒子顺电场方向运动，这两种运动，都传导电流。通常我们称这种空位置为自由“空穴” ，它所传导的电流就叫“空穴导电” 。载流子：自由电子和自由空穴都是电流的负载者，通称“载流子” 。(2)杂质的影响半导体中的杂质对载流子的浓度有很大影响，下面分两种情况讨论。第一，如果把高价电子的杂质原子掺到低价半导体中，杂质原子取代原半导体原子的位置后，在那里就多了一个电子，这个电子很容易脱离原杂质原子的束缚，变成自由电子，就能传导电流。杂质原子失去一个电子就变成了带一个单位正电荷的“离子
10、” ，但已不能在晶体中自由运动，因此，没有传导电流的能力。第二，如果把低价电子的杂质原子掺到高价半导体中，以杂质原子代替原原子，在那个位置上就少了一个键合电子，也可以说是一个空穴，这时别的原子的键合电子就可能填补这个空穴，因而空穴会转移到别的位置上，这样的空穴也是自由空穴，能传导电流。在杂质原子处，由于填补了一个电子，杂质原子就变成了带有一个单位负电荷的阴离子，它不能传导电流。上述第一种，以自由电子作为主要载流子的半导体称型半导体，第二种以自由空穴作为主要载流子的半导体，称 P 型半导体。在半导体中只要掺入很少一点杂质，就可以使载流子的浓度大为增加。由上可见，半导体与金属导体的导电机理的本质区
11、别在于，金属由于形成晶体时就已经有大量的自由电子，人们无法改变它，温度及掺杂仅稍影响其迁移率，对其导电率的影响非常有限。而半导体通过温度的改变、掺杂或者其它方法，可以大大改变其载流子浓度，因而人们可以有意识地控制它的导电率。这就使半导体具备了各种用途的可能性。3 半导体的能带结构下面我们用能级的概念进一步说明半导体的导电机理。4固体的能带结构是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法。前面讲过，在简单的玻尔原子模型中，绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上。它们各有各的轨道。除非原子被激发，否则电子都占据着较低的能级。对于固体来说，与气体、液体不同，它的原子靠得很近，由于量子作用的结果，单个原
12、子的分立能级扩展成近于连续的能带。这些能带被电子的禁带隔开。所谓禁带，就是禁止电子存在的地带。虽然这些能带看起来是连续的，但详细研究表明，其能级仍是分开的，不过能量间隔很小，只有 1014 电子伏特。最高的能带是完全充满的，称为价带或满带；下一个较高的能带，不管是占据还是未占据有电子，都称为导带，只有导带中的电子对材料的导电率才有贡献。如图-所示，是导电体的能带结构，其特征是导带内没有被电子全部占满，并且禁带很窄，所以各能级上的电子在电场作用下，可以发生跃过禁带的跃迁。绝缘体是指在电场作用下不能发生电子定向运动(电流)的物体，如所示，它的电子刚好占满了价带中的全部能级，导带是空的，禁带很宽，价
13、电子不可能获得足够的能量升到导带中去。半导体介于导体和绝缘体之间，禁带较窄，在室温条件下，某些价电子就能获得足够的能量，跃过禁带到达导带，这些电子原来占据的位置成了正电荷，称空穴，在存在电场时，空穴会像电子一样流过材料，而与电子流动的方向相反，如所示，根据半导体中有无杂质，可将其分成本征半导体(无杂质)和非本征半导体(有杂质)。图 6-3 固体能带示意图光电导：在入射光子的能量大于禁带宽度 E 这个条件下，用辐射照射半导体产生截流子，从而增加半导体的导电率的过程，称为光电导，h。根据电磁辐射理论，产生光电导的辐射存在一个波长界限(截止波长)为 c.24。式中用电子伏特表示，c 用微米，所以要增
14、大截止波长，必须减少禁带宽度，减小禁带宽度目前要用的方式主要是降低半导体的温度和掺入少量杂质两种。56.1.3 扫描探测器的工作原理在扫描探测器中，根据其探测过程的物理机制，可分为光子或电子探测器与热探测器两类。1 光子或电子探测器光子或电子探测器包括光电探测器，光电导探测器，光生伏打探测器和光磁电探测器等多种类型。(1)光电探测器根据光电效应，由金属材料制成的探测器称光电探测器。由前面已知，光电效应的产生，取决于材料表面的脱出功 A 和入射光的频率 ，截止波长 1.24，碱金属最低，如铯：1.9 伏。0.65，金属化合物的更低，使得 变大。然而，由金属制造的普通光电管所产生的光电子的能量相当
15、弱，很难记录与显示，因此在遥感中，常采用光电倍增管。经过多次激发，电子数目不断增加，目前用的光电倍增管中增级可达 13 级。所以，光电倍增管是非常灵敏的，可以探测到极其微弱的光辐射。(2)光电导型探测器根据光电导现象，由半导体材料制成的探测器称光电导型探测器，目前做成的光电导型红外探测器的半导体有：硫化铅、砷化铟、锑化铟、碲镉汞，以及锗(硅)掺杂等。截止波长 1.24，禁带宽度。(3)光生伏特型探测器根据光生伏特效应由结半导体材料制成的探测器，称光生伏特型探测器。在该探测器中入射辐射必须能激发出电子空穴对。从目前的工艺水平看光导型和光伏型两类探测器所达到的探测基本相同，光导型的与响应时间成正比
16、，而光伏型的则与时间无关，所以后者的响应时间可以很短，增加了可能使用的范围。综上所述，光电探测器是利用物体中的电子吸收入射辐射能而改变运动状态的光电效应。因为物体的电学性质是由电子运动来决定的，电子运动状态的改变就是物体电学性质的改变。因此，光电探测器的物理过程是外界辐射照射直接引起探测元件电学性质的改变。2 光热效应与热敏类探测器利用光热效应原理做成的探测器称做热敏类探测器，与遥感关系密切的主要有两类。(1)热敏电阻型探测器辐射照射产生的热效应，可以引起半导体电阻的改变，从而把入射的辐射能量转变成输出电压，据此而制造的探测器，称为热敏电阻型探测器。热敏电阻在受到辐射照射时，首先是温度升高，而
17、后引起电阻改变，随着照射进行，半导体的温度达到一个稳定值，电阻也随之达到一个稳定值。半导体电阻的改变，就引起电路中输出电压的改变，它反映了入射辐射能量的大小。所以要使热敏电阻探测器具有大的响应率，一方面探测器的结构必须使热敏感元件有较大的温度升高，另一方面探测器的材料必须具有较大的电阻温度敏感性，而这些又6与响应时间有关。(2)热释电型探测器电介质在外加电压的情况下，内部带电粒子受电场力的作用，正电荷趋向阴极，负电荷趋向阳极，结果使电介质的一个表面带正电，相反表面带负电，即产生电极化，电压除去后多数极化状态随即消失。但是有一类叫做“铁电体”的电介质，电压除去后仍保持着极化状态“自发极化” ，其
18、极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减弱，升高到一定温度，自发极化消失，这个温度叫“居里温度” 。在居里温度以下，利用极化强度与温度的关系，可制成探测器热释电型探测器。当辐射照射到已极化好的铁电体上时，引起温度升高，因而表面电荷减少，这就相当于“释放”了一部分电荷，释放的电荷可用放大器转变成输出电压，表面温度升高到新的平衡值后，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，没有信号输出。此外，利用气体胀缩性原理可制成探测器，该类探测器称为气动型探测器。6.2 电子扫描成像电子扫描成像包括聚焦、摄像、传送和显像四个过程。物体反射光经透镜聚焦后，进入摄像管，摄像管把得到的影像转换成电信号，用超短波
19、无线电传送出去，以接收天线电信号进入显像管，通过显像管在荧光屏上重显影像，或者是用磁带记录下来。现代电视摄像机就是电子扫描成像的典型代表。6.2.1 电视摄像机基本构造电视摄像机是像面电子扫描成像传感器。它与光学摄影机一样，利用物镜构像，但影像聚焦在光导靶面上，提取影像信息的方法是利用电子枪对靶面的扫描来实现。电视摄像机的种类很多，卫星上使用的摄像机，要求分辨力高，能在低照度的情况下工作。图 6-4为一种反束光导摄像管的结构示意图。图 6-4 反束光导管结构示意图76.2.2 电子扫描成像过程1 聚焦过程电子扫描成像是使用透镜聚焦的，物体反射光线经过滤色镜、透镜，在焦平面上形成倒立的光学实像，
20、进入摄像系统。透镜有定焦距的物镜，也有变焦距的物镜。滤色镜的作用，主要是获得分波段的信息资料。2 摄像过程摄像过程主要用摄像管进行，以反束光导摄像管为例来阐述其原理。如图 64 所示，反束光导摄像管前壁上是涂有 AgCs 的光电阴极，进入系统的光像到达光电阴极后，在光像照射下，产生光电效应，由光子激发出电子来，光电阴极表面上各点发出来的电子数目正比于光像的光照强度，这样在光电阴极上就形成了一幅电子密度像。激发电子受到加速极的加速穿过金属栅栏的空隙打到靶极上，靶极受高速电子的轰击又被打出电子，称为二次电子发射。二次电子逸出靶极后，因为栅网的电位高，立即被左面的金属栅网所捕获。靶极因逸出了带负电的
21、二次电子而带正电，靶上正电多电位就高，反之电位就低，于是形成了一幅电位像。靶上电位高处对应于景物的亮点，电位低处对应于景物的暗点。电子束从电子枪中射出，准确地瞄准靶极上的点并对靶面进行扫描(所以又称电子扫描成像为像面扫描成像)。由于靶面上各处都带正电，所以就从电子束中摄取电子，使靶极达到零电位。这就是说，靶面上带正电多的点缺的电子就多，反之就少，但都能从电子束中得到充足的电子，使靶面呈现零电位。从电子枪中射出的电子束的电子数目是固定不变的，但靶面各点吸收电子的数目却因各点的电位高低而不同，那么返回的剩余电子数刚好形成了图像信号，即图像的亮点，使靶面上对应点的电位高，则从电子束中吸收的电子数就多
22、，剩余返回的电子数少；反之，电子数多。于是，返回电子数的多少就反映了图像上各点的暗亮程度。为了提高输出信号的强度，在电子枪外套有一组电子倍增器。返回的电子被收集极吸取后，再一次利用二次电子发射效应，将电流逐级倍增。假如一个返回电子撞击收集极打出个二次电子，那么有个倍增级就可把信号放大 倍。最后输出的信号，即输出的图像信息称为视频信号。3 传送过程摄像管输出的图像信号通过无线电波，从天线发射出去，再由接收天线接收，这就是传送过程。射频振荡：由发射机的振荡器产生稳定的高频振荡信号称为射频振荡。调制：将视频信号载到射频振荡(载波)上去的过程称调制，常用的调制方式有两种。一种是调幅：载波频率保持不变，
23、让振幅随视频信号变化而变化；另一种是调频：载波振幅保持不变，让频率随视频信号变化而变化。调制过的射频振荡载上了视频信号，就可由天线把图像信息发射出去。视频信号的调制一般采用调幅方法，由于图像信号的频带很宽，可达 104赫，因此要用超短波或微波作为载波。84 显像过程电视接收机天线接收到调制过的视频信号，经变频、中放、检波、视放，由显像管的电子枪发射出随视频信号而变化的电子束，电子束轰击荧光屏，就会把高速电子的动能转变为光能，在屏上出现亮点，而受高速电子轰击打出的二次电子被栅极捕获。电子束在荧光屏上迅速扫描，由于荧光屏的余辉和人的视觉暂留，因此可以看到整幅画面，还可将此画面用照相机翻拍下来，成为
24、照片。彩色显像管，则有红、绿、蓝三支电子枪，荧光屏上任意相邻三点都必定包括红绿蓝各一点，由于每点非常小，靠得又很紧密，当电子轰击它们而发光时，对于红点、绿点、蓝点位置上的差别人眼分辨不清，而产生彩色视觉。6.3 光学机械扫描成像6.3.1 光机扫描仪的结构组成光机扫描仪全称是光学机械扫描仪，它是借助于遥感平台沿飞行方向运动和遥感器本身光学机械横向扫描达到地面覆盖，得到地面条带图像的成像装置。光机扫描仪主要有红外扫描仪和多光谱扫描仪两种，它们主要由收集器、分光器、探测器、处理器和输出器等几部分组成（如图 6-5） 。1 收集器在航天遥感中常用透镜系统或反射镜系统做为光机扫描仪收集地面电磁波辐射信
25、息的器件。在可见光和近红外区，可用透镜系统也可用反射镜系统作为收集器。但在热红外区，电磁波的大部分被透镜介质吸收，透过率很低，因此一般采用反射镜系统。制作反射镜的常用材料有熔凝石英和特种金属（如铍） 。使用熔凝石英材料可以降低光学表面的变形，但空间用的大反射镜要求质量高、重量轻，因此其骨架做成蜂窝状结构而不做成实体。用金属反射镜可满足重量轻、尺寸稳定和硬度强的要求，但它的晶体特性妨碍了满意的光学抛光。因此，一般在抛光前，镀一层非结晶的镍混合物，抛光后在反射镜上镀一层铝膜或金膜，以得到最大的反射系数。图 6-5 光机扫描仪结构示意图电信号 光信号地物的红外辐射光学扫描系统分光器 成像光学扫描系统
26、致冷磁带记录 发送 胶片同步控制系统氖灯探测器92 分光器分光器的目的是将收集器收集的地面电磁波信息分解成所需要的光谱成份。常用的分光元器件有分光棱镜、衍射光栅和分光滤光片。分光棱镜是依据物质折射率随波长变化的原理来进行分光的。当光波从物质表面入射到其内部时，物质对光波的折射率会随波长改变。所以入射到棱镜上的光经棱镜透射或经其内部反射出来后，就会按不同波长向不同的方向传播出去，从而实现分光。常见的分光棱镜有 60o棱镜、30 o棱镜等。图 6-6（a）为 60o棱镜的分光原理，当一束白光通过棱镜后，在不同的方向透射出不同波长 1， 2， n的光，且有 1 2 n的规律。光线照射到光栅上就会引起
27、衍射，若将光栅设计为使相邻光栅的衍射光的相位差为某波长的整数倍，则光栅在某方向的衍射光均为该波长的光。形成不同波长的衍射光分布在不同方向的现像，这种分光元件叫衍射光栅。由于光栅也存在对入射光的镜面反射现像，所以在镜面反射方向上光的光谱与入射光一致。为了便于分光，反射型的衍射光栅常设计为反射面略带倾斜的光栅。图 6-6（b）为进行红外分光的衍射光栅，衍射后的光波波长依箭头方向逐渐减小。常用的衍射光栅有红外光栅、阶梯光栅、薄片光栅等。分光滤光片是能从某一光束中透射或反射特定波长的元件。从其分光功能上看，可分为三种形式：长波通滤光片、短波通滤光片和带通滤光片。长波通滤光片和短波通滤光片是仅让某波长以
28、上的光通过或仅让某波长以内的光通过的滤光片。常用的短波通滤光片是热红外区的热反射镜和吸收滤光片。热反射镜反射特定的短波波段，供探测器探测使用，而长波被透射出去。吸收滤光片是用玻璃或在明胶基板上涂抹着色剂或染料制作而成的，它可以吸收某些特定波长的光。常见的长波通滤光片是吸收滤光片和热红外区用的低温反射镜。低温反射镜反射大于某波长的波段，供探测器探测使用，而短波被透射掉。带通滤光片的作用是便让特定波段电磁波通过，常见的有干涉滤光片、偏振光干涉滤光片。干涉滤光片的原理是：如果光入射到薄膜上，就会在薄膜内发生多重反射，形成光的干涉，从而让特定波长间隔的光透射出去。偏振光干涉滤光片仅透射特定波长的光，并且它可以得到较窄波段的透射光。另外，对长波通和短波通滤光片进行组合也可得到带通滤光片。白光 60o 1 2 n（a）60 o棱镜 （b）衍射光栅 图 6-6 分光器的分光原理示意图
