遥感与很多种技术有关，广泛地应用来造福于人类。所采用的技术可以是“被动”式的，也可以是“主动”式的。“被动”式的技术用于获得环境特征参数局部变化的信息，例如，环境中自然电磁辐射的发射和反射。“主动”式的技术则采用搜索光束（如激光雷达系统和测距装置）或X射线、超声波来“照明”景色以便获得用于医学诊断或非破坏性检验的图像。
要在这篇简短的评论中对整个遥感领域作一综合评论是不可能的。因此，这里仅就像增强和热像这两种“被动”式环境遥感技术的新近进展作一讨论。它们对于照度极低的情况是非常重要的。
微光下的视觉
白天，由于光子流强度远远超过其统计涨落的强度，因此眼睛的视觉敏锐度受到视网膜锥状细胞的密度和眼球透镜的像差的限制。夜晚，当入射光减小到只有星光、气辉和不常出现的月光时，眼睛接收到的光子数已经和光子的统计涨落值一样小，因而光子涨落成了限制因素。眼睛之所以能看出景色中目标的细节，是由于眼睛视网膜上与目标细节相对应的两个相邻小面积上的照度存在差别。视网膜有一定的积分时间，每一个小面积所记录的是平均光子数。平均光子数的差别与积分周期内光子数的统计涨落引起的光子噪声一起构成了光子“信号”。假如接收到的光子数很少，以致光子信号不能从光子噪声中分辨出来，这时，眼睛就不能看出目标的细节。
当光强减小到光子噪声变得重要时，眼睛可以用大家熟知的方法来补偿接收光子密度的减小。第一个方法是增大瞳孔，使眼睛从景色中接收更多的光子，当亮度为104烛光 · 厘米-2时，瞳孔直径为0.2厘米；当亮度低于10-4烛光 · 厘米-2时，瞳孔接近于0.8厘米（104烛光 · 厘米-2相当于明亮夏天的一张白纸上的亮度；10-4烛光 · 厘米-2相当于晚上阴云无月天空的亮度）。
第二个方法是进行黑暗修正：白天起作用并具有颜色视觉的视网膜传感元——锥状细胞，在景色照度低于10-3烛光 · 厘米-2时停止作用。这时，白天过载并对颜色不灵敏的杆状细胞便慢慢恢复并进行接收。这一过程的一个重要方面，大约是神经对杆状细胞的联想能力。当亮度降低时，联想作用使视网膜大面积上的杆状细胞所产生的光信号累积起来。因此，当与视网膜上较大面积相对应的景色的亮度降低几个数量级时，探测图像所需的最小信噪比仍可维持，但同时分辨能力却降低了。
第三个可以降低亮度，而又能使眼睛观察景色的方法是让视网膜在较长的时间间隔内对信号积分。积分时间只要长达0.2秒，便又可达到维持感觉细胞所需的最小信噪比。但这是以牺牲对运动的感觉为代价的。可以规定一个临界闪变频率，它在很宽的亮度范围内与刺激亮度的对数呈线性关系。这个现象在亮度大时更为明显，例如电视接收机的荧光屏，当屏幕亮度调得太强时，刺眼的50赫闪烁变得很显著。
跟任何成像仪器一样，人眼的特性可以用敏锐度曲线来描述，这一曲线在对数坐标中是分辨能力（由此可得出探测范围）同亮度和对比度的关系。假如亮度很低，光子噪声是主要限制，则这些敏锐度曲线可以用下式表示：
式中Deff是仪器物镜的有效孔径（厘米），θ是传感器的量子效率，P是相当于1朗伯辐射的每秒光子数。θ和P与光的光谱分布有关（在白色表面上，1烛光 · 厘米-2=π朗伯/厘米2）。(S/N)min是探测目标细节所需要的最小信噪比，它的数值决定于探测器必须分辨的目标细节类型。对于某些试验目标，(S/N)min值可以用随机理论立刻计算出来。布莱克韦尔测定了眼睛的敏锐度曲线。他采用周期很短的光照明屏幕上的八个点中的任何一个，然后询问观察者，正确的回答要求有50%。用这一方法可以得出(S/N)min约为1.5。
图1给出了布莱克韦尔所作的眼睛的典型敏锐度曲线，它是在高对比度（C=1）下的黑暗背景中，由亮光刺激所得的数据。这一曲线已接近由式（1）得出的、表明光子噪声限制的直线。当Lmα2约为10-2时，光子噪声比Lm小几个数量级。当直径为0.76厘米时，如按照布莱克韦尔的实验，假定双眼累积因子为1.26，则Deff可取0.85厘米。对于τ=0.2秒和(S/N)min =1.5的情况，布莱克韦尔的数据表明，在相当于每秒有1.3×1016光子的1朗伯白光中，适应黑暗的眼睛的量子效率低于1%。
年轻人的眼睛在适当黑暗环境时，量子效率最高的波长为0.507微米，在这个波长下1瓦能量相当于1766朗伯。这时，P=1.45×1015光子/秒，因此，按式（1），在波长为0.507微米时，眼睛在适应黑暗环境时的最大量子效率为8%以上。为了进一步提高眼睛观察低光强的能力，我们可以利用像增强器。
像增强器
这类仪器采用的方法，是借助比人眼适应黑暗条件时的孔径大得多的透镜（达到10厘米），从景物中收集更多的光子。由于量子效率比视网膜感受器大，而且光谱灵敏度延伸到红外区域（如图2所示），因此这类仪器对光子的利用更为有效。这就使得仪器在利用夜空辐射强度方面大为有利（如图2所示）。
像增强管这种传感器最初于1928年以专利提出，其结构在图3中作了说明。输出图像可以比投射到阴极上的像明亮几千倍。它的一个重要条件是像增强管应具有足够高的亮度增益，以保证光阴极产生的很多光电子在管子输出荧光屏上，在并非完全黑暗的情况下，可以为观察者感觉到。
仪器的性能也可以用类似图4所示的敏锐度曲线来描述。当亮度很低时，仪器接近光子噪声限，且其对图像微小细节的分辨能力受到光学不完整性的限制。光学不完整性可用光学调制传递函数来描述。在亮度低时，由于方程（1）中乘积D2effθP很大，因而仪器比较人眼有显著改进。
有两种型号的像增强器已用于现代夜视设备，两者都有很高的亮度增益，并满足上述公式的条件。已经有产品的一种称为串联管，示于图5中。三个单级像增强器组件应用光纤耦合的办法串联地叠积起来，一个组件的输出屏和下一个组件的光阴极采用光纤维来耦合。每一个纤维光学窗包含几百万根直径小于10微米玻璃纤维。三个组件围绕高压供电单元封装在一起而构成一个小型化设备。
高的亮度增益也可以采用图6所示的通道电子倍增的办法来实现。空腔管子或通道是用具有适当电导的玻璃制成的。当两个端电极加有高压时，在通道长度方向就形成加速电场。一个进入通道阴极端的电子撞击通道壁而释出几个二次电子。这些电子将被加速电场重又拉入通道并撞击对面电位更高的壁。这样，便进一步释出二次电子。这一过程重复多次，最后形成一个大的电子束。这好像是单个原始电子在通道出口处发生了雪崩效应似的。
由于电子增益决定于通道长度与直径之比以及所加的电压，因此可以将通道做得很细，并互相堆积起来形成镶嵌结构，或者制成直径为几厘米、厚度小于1毫米的通道板。这种包含近百万个直径为10~15微米的通道的通道板放在单级像增强管荧光屏前，很容易得到100000以上的亮度增益。这类成像管的像质比串联堆来得好，而且可制成小型轻便的仪器。同时，由于每一通道的壁所能提供的有效二次电子有一定的限制，因而通道倍增具有对强光局部饱和的优点。这一特点有利于消除视场中明亮光源的干扰，使之不影响景色中黑暗部分的增益。但是，在光电子通路中插入通道板必然会引起损失，因为原始电子未击中通道入口，而撞击在每个通道周围的固体网状物上。
通道电子倍增管可用于小型轻便眼镜，如图7所示。这种管子还有一些其他应用。比如，它与光导型电视摄像管配合可以制成简单的低光强电视。在这种情况下，通道管由于具有强光抑制特性，故也很容易达到自动亮度控制，从而显示出很重要的优点。图8给出了在两个不同的照明和亮度增益条件下，从通道管的输出荧光屏上得到的照片。照片是在星光下拍摄的，它显示出与近于单个光子相对应的闪烁。
热成像
一个可供选择的环境遥感手段是利用景物的自然热辐射。黑体辐射能量的光谱分布由普朗克定律给出。
室温黑体辐射能量的峰值位于10微米波长处，低于2微米处还有很小的能量。图2所示的用于像增强管的光阴极，对波长在1微米以上的辐射是不灵敏的。因此，不可能借助像增强管来将热像转换成可见光。这就必须恢复到原来的光发射器那样，采用对波长大于1微米的辐射敏感的探测器。它可以是光导型的，也可以是光伏型的。吸收红外光子后，可以在半导体材料的探测器中产生相应的电荷载流子。此外可供选用的探测器还有测热辐射器，所吸收的辐射在探测器材料中引起局部温度变化。每一个像元都可以通过具有高温度系数的物理参数加以测量。
自然景色中的大多数目标是温度接近290°K的黑体，它在直至20微米的波段内的发射率约为1018光子 · 秒-1 · 厘米-2（在阳光中天空发射的可见光为1017光子 · 秒-1厘米或在月光下为5×109光子 · 秒-1厘米-2）。实际上，热成像可供利用的光子数比晚上被天空照明的物体的反射光大得多，甚至还超过了由太阳光照明的物体的反射光。
在反射光中，像的对比度可以很大（大于0.99）。但是，夜间景色中不同自然物体的黑体温度差通常不超过1°C。因而，热像的对比度是很低的。此外，还与所用的波段有关。例如，当所有光子都在3微米波长范围内时，对于1°C的温差，对比度是0.06。如果到6微米波长，则对比度降到0.03；如果到10微米，则降到0.02；如果到16微米，则降到0.015。
对于这样低的对比度，如果采用由大量小的传感器构成二维阵列靶，则由于灵敏度的微小变化和个别传感器中的暗电流所引起的输出电流可以和上述热辐射信号所引起的电流相比拟，因而很容易在探测器输出中产生与“肮脏窗口”影响相似的严重的空间噪声。解决这一问题的最简单方法是采用单个传感器，并用机械方法使像被传感器扫描。采用这种做法，虽然可以忽略空间变化，但是由于使用入射辐射和需要用高速机械扫描，因此是很不经济的。
折中的解决方法是应用阵列传感器，并用机械方法使景色热像被这个阵列扫描。机械扫描采用摆动光学系统进行一次或多次扫描，从而构成帧扫描。每个传感器的输出按产生通常的视频信号的要求，在高频下依次采样。传感器的数目最多为几百个，这样就有可能挑选出暗电流与灵敏度差别小的阵列，并且也便于进行修正。
按照恰利和杰里斯通过计算所推导出来的关系式，应用n个传感器的阵列热像系统的性能，主要受噪声限制：
ΔTNα=常数
式中ΔTN为噪声等效温度差，它是当信号电流刚好等于所有传感元的噪声电流时，景色中两相邻目标元之间的黑体温度差。α是角分辨力（弧度）。常数系描述系统的特性，它可以写成4(f/D2)(P/h)?(1/M*)，其中D是物镜的孔径（厘米），f是物镜焦距，P是每秒钟扫过的传感元数目（与视频带宽相对应），M*是探测器材料的优值因数，它表征探测器对景物中不同温度部分的灵敏度。优值因数还包含大气对红外辐射的吸收。
表1给出个几种阵列制成的探测器系统的M*的典型值。它是根据2公里范围内的典型透射率计算的。当α较小时，由式（2）给出的景物中，刚好可觉察到的温度差受光学部件所引起的分辨力的衰减的限制。然而，等式（2）表明，采用阵列传感器来获得高性能热像是可行的，当温差不超过1°C时，自然景物的可辨别像能够形成。例如，当M*n?为3.76×109以上时，对于f=30厘米、D=20厘米的物镜，完全有可能得到温度分辨力为0.1°C，角分辨率为0.2毫弧，总视场大于7°时包含400×600个像素以及帧速率为25帧/秒的电视型图像，这可以采用在77°K下工作的150元碲镉汞阵列（光导型）（M* ~ 3×106）来实现，这时光学部件尚未限制分辨力。
现已可以制造这种传感器，陈列由几百个典型尺寸约50微米的单个元件构成。30元和192元碲镉汞传感器阵列示于图9。载体边缘处用导线将接合基板直接与元件相连。
劳森提供的照片（图10）例示了利用冷却到77°K的30元碲镉汞阵列在8—13微米所得到的热像。设备的角分辨率为0.25毫弧度，视场为10°×4°，帧速率为25帧/秒。实际上，用温度分辨力和角分辨力低的阵列和单个元件热成像系统现在商业上也有供应。它包括在中等温度（193到233°K）下工作的碲镉汞元件。这一温度可采用小巧的热电致冷器来获致。
带线性传感器阵列的热成像系统只要作些改进，便特别适用于机载摄影。这种情况下，地形图像被传感器扫描，即传感器扫描图像的行。飞机的运动则是沿另一个方向进行很慢的连续扫描。一般采用连续移动胶卷的方法来记录视频信息。这样可以用很高的温度和空间分辨力来逐渐建立有关地形的条状图像。
冷却光电管阵列的一个令人感兴趣的替换物是将热像转换成二维靶上的电荷图像，并借助扫描电子束读出它们，就像光导型电视摄像管那样（图11）。凡在光导材料（如碲化铅）接收红外辐射的地方，电荷都可以从半透明正电极向下漏到表面。电子束通过逐次扫描而取走这种电荷，于是，产生的信号电流便与局部光强成正比。
光导材料也可以采用具有热释电效应的一些材料来代替，例如硫酸三甘肽及其任何一种衍生物。每当材料温度发生变化时，用这些材料制成的薄片的表面便产生电荷。利用这种现象，已研制出了热释电摄像管。这种管子能将自然景色的热像转变成有用的视频信号。对于100线图像，温度分辨力已经降到0.2°C。
进一步提高性能的途径，是改进靶的设计和选用合适的热释电材料。这使它可以和一些元件数较少的冷却碲镉汞阵列相匹敌。而且，它还有一些另外的优点，即更为简单，室温工作和不需要高速机械扫描。
夜视像增强器性能的改进，现已十分接近其光子噪声限的最佳理论值；但就热成像技术而言，可以预期还将取得大幅度的提高。可以预料，这将部分地来源于探测器制造工艺的进一步进展，例如在单晶材料片上制成单片传感器阵列，甚或带集成电荷耦合读出的二维陈列。
其次是信号处理技术的最新发展。这些工作也列入美国空间计划，对改进热像质量有较大意义。所用的处理方法有边缘增强、模糊消技术对比度控制和从噪声中提取微弱的图像信号。
热成像遥感技术多半应用于军事和安全方面的夜视。它在很大范围内比像增强器优越。
这部分地是由于景物中特别令人感兴趣的目标，像机动车辆和人员通常总比自然环境要热几十度的缘故。
热成像的其他应用
今天与像增强器的夜视仪一样，热成像进一步发展的主要动力也是军事应用。但是，从景物中接收到的热像提供了与通常用可见光反射图像时完全不同的信息。这证明它可以有很多其他应用，其中包括地质、水文资源、油和矿物的勘探、农业中作物长势监视以及警告由于细菌生长或其他原因作物将变坏的早期信息。
此外，还有提供医学上有用的等温轮廓图（热像）。同时，在气象、城市规划、能源保存、住宅保温最佳化、环境的化学和热污染监视、海洋学、天文学等领域中也都有应用。在有些情况下，热带被分成几个分立的通道以提供多光谱资料，这适合于进行处理，并可用于复现可见光谱段的彩色图像，从而进一步便利了利用各各迥异的光谱特性来识别地面的细节。
[本文选Nature 1977年266卷5599期。赛文译 征人校]