空間光學(xué)遙感儀器的十項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)淺析

空間光學(xué)是利用航天飛機(jī)、衛(wèi)星、飛船、空間實(shí)驗(yàn)室、空間站等空間飛行器，利用光學(xué)手段對目標(biāo)進(jìn)行遙感觀測和探測的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。主要手段是把光波作為信息的載體收集、儲(chǔ)存、傳遞、處理和辨認(rèn)目標(biāo)信息的光學(xué)遙感技術(shù)。

空間光學(xué)的優(yōu)勢有很多，一是對地觀測優(yōu)勢，空間光學(xué)可以對地球環(huán)繞觀測地球的每一個(gè)角落，可以對地表成非常清晰的像，對于大氣觀測，災(zāi)害預(yù)報(bào)，環(huán)境監(jiān)測，資源探測等方面有很大的優(yōu)勢。二是太空沒有國界的限制，地表100公里以上的區(qū)域還是一片各方都可以涉足的無主之地。三是對外觀測，過去人們曾經(jīng)建過很多地面望遠(yuǎn)鏡，但是地面望遠(yuǎn)鏡受到大氣擾動(dòng)的影響，達(dá)不到望遠(yuǎn)鏡的衍射極限分辨率?？臻g望遠(yuǎn)鏡處于真空環(huán)境下，受到大氣擾動(dòng)小，更有利于達(dá)到望遠(yuǎn)鏡的衍射極限分辨率。

空間光學(xué)遙感儀器的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：

1）空間分辨率

空間分辨率是指遙感圖像上能夠詳細(xì)區(qū)分的最小單元的尺寸或者大小，是用來表征影響分辨地面目標(biāo)細(xì)節(jié)的指標(biāo)。空間分辨率所表示的尺寸、大小，在圖像上是離散的、獨(dú)立的，它反映了圖像的空間詳細(xì)程度?？臻g分辨率越高，其識(shí)別物體的能力越強(qiáng)。

目前的空間遙感儀器基本上都是采用CCD或者CMOS作為探測器收集信息的，如果地面分辨率為1m，意味著CCD的一個(gè)像元對應(yīng)地面寬度是1m。

空間分辨率示意圖（資料來源：上帝之眼）

2）調(diào)制傳遞函數(shù)MTF

從信息角度來看，光學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)信息系統(tǒng)，輸出的信息相對于輸入的信息肯定會(huì)丟失一部分。我們常常使用對比度來表征這種信息，即MTF=（輸出圖像的對比度）/（輸入圖像的對比度），由于輸出圖像的對比度總是小于輸入圖像，所以MTF總是處于0-1之間。再根據(jù)不同的空間頻率，即可獲得系統(tǒng)的MTF圖。

調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）示意圖

3）地面覆蓋寬度

對于面陣凝視成像CCD相機(jī)來說，地面覆蓋寬度等于垂直飛行方向的CCD靶面尺寸所對應(yīng)的地面寬度。對線陣CCD推掃成像相機(jī)來說，地面覆蓋寬度等于線陣CCD總長度所對應(yīng)的地面覆蓋寬度。對于反射鏡擺掃成像的相機(jī)來說，地面覆蓋寬度等于反射鏡擺掃角度所對應(yīng)的地面覆蓋寬度。

通常來說，地面覆蓋寬度和地面分辨率是有沖突的，地面覆蓋越寬，相機(jī)單次成像所得到的信息量越大，但同樣的空間分辨率就越差。簡單來說，就是看的范圍越大，看的越不清楚。因此需要根據(jù)要求，來對這些矛盾進(jìn)行合理的分配和解決。

根據(jù)要求大致粗略分級(jí)：

a、用于全球普查、全球環(huán)境變化研究，觀測云層海洋氣象等——地面分辨率為幾公里——地面覆蓋寬度幾千公里級(jí)別。

b、用于觀測海岸線、沿海、資源探測等——地面分辨率幾百米——地面覆蓋寬度幾百公里級(jí)別。

c、用于軍事探測、城市規(guī)劃、觀測特定區(qū)域——地面分辨率幾米——地面覆蓋寬度數(shù)十公里級(jí)別

d、用于軍事詳查、觀測特定目標(biāo)——地面分辨率零點(diǎn)幾米——地面覆蓋寬度十幾公里級(jí)別。

4）光譜分辨率

光學(xué)遙感儀器收集光信息是具有一定光譜范圍的，有些遙感器，如高光譜成像光譜儀，會(huì)從光譜的角度分析物體的目標(biāo)特性。因此，我們需要光學(xué)遙感器具有一定的光譜分辨率。光譜分辨率主要體現(xiàn)在光譜成像的最小波長間隔，我們在使用光譜的過程中，不可能提取出單一光譜，總會(huì)具有一定的寬度，其中最小的波長區(qū)分度就是光譜分辨率。光譜分辨率和空間分辨率也有一定的矛盾，當(dāng)光譜分辨率分的越細(xì)的時(shí)候，單個(gè)通道的能量就越少，因此需要的總能量越多，也就越需要更大的地面覆蓋面積，即需要對空間分辨率進(jìn)行一定的妥協(xié)。

5）輻射分辨率

輻射分辨率（英文名Radiometric Resolution）是指傳感器能分辨的目標(biāo)反射或輻射的電磁輻射強(qiáng)度的最小變化量。對于可見光輻射計(jì)，輻射分辨率表示能分辨物體的微小反射率差的本領(lǐng)；而對于紅外輻射計(jì)，輻射分辨率表示能分辨物體的微小溫度差的本領(lǐng)。

6）信噪比

信噪比又稱訊噪比，是指一個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比例，信號(hào)指的是來自設(shè)備外部需要通過系統(tǒng)處理的信號(hào)，噪聲是指該系統(tǒng)后產(chǎn)生的原信號(hào)中不存在的無規(guī)則額外信號(hào)。信噪比是光學(xué)遙感器輻射性能的重要指標(biāo)。信噪比與目標(biāo)的輻射和反射特性、背景特性、大氣的透過率，光學(xué)系統(tǒng)的口徑、相對空間、透過率，探測器的響應(yīng)度、量子效率、比探測率等因素有關(guān)。

7）時(shí)間分辨率

時(shí)間分辨率是指對同一個(gè)觀測目標(biāo)的重訪周期，為了觀測目標(biāo)隨時(shí)間的變化情況，這個(gè)重訪周期越短越好。重復(fù)觀測同一個(gè)目標(biāo)的時(shí)間間隔是時(shí)間分辨率。

時(shí)間分辨率在遙感中意義重大，利用時(shí)間分辨率可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，可以監(jiān)測植被動(dòng)態(tài)、土地利用、城市變遷、沙洲累積等等，為公共事業(yè)提供實(shí)踐服務(wù)。

8）定位精度

定位精度是指光學(xué)遙感器所獲得的影像和目標(biāo)真實(shí)位置之間的對應(yīng)關(guān)系的精確程度。它決定于衛(wèi)星姿態(tài)精度和穩(wěn)定性，遙感器與衛(wèi)星的相對位置的標(biāo)定精度，遙感器內(nèi)方位元素的標(biāo)定精度等。

9）體積、重量、功耗

空間遙感器是要搭載航天飛行器的，而航天飛行器如航天飛機(jī)、火箭、空間站，其載荷能力都是有限的，所以對遙感器的體積、重量都有嚴(yán)格的要求。但是，另一方面為了實(shí)現(xiàn)空間遙感器的各項(xiàng)指標(biāo)，如空間分辨率、光譜分辨率、地面覆蓋范圍等等，空間遙感器的體積和重量必然是非常大的，因此如何根據(jù)要求在其中取舍，也是一個(gè)需要思考的點(diǎn)。

10）壽命

空間遙感器的使用壽命要有嚴(yán)格的規(guī)定，在元器件選取、失判依據(jù)、故障分析以及備份替換、運(yùn)轉(zhuǎn)模式控制等方面要進(jìn)行嚴(yán)格的論證，必須在壽命之內(nèi)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。