ch1电磁波与遥感物理基础

1一、 电磁波与电磁波谱二、 物体的电磁波特性三、 地物波谱特性的测定第一章 电磁波及遥感物理基础2一、电磁波与电磁波谱o 电磁辐射产生于各种形式的能量（机械能、化学能、热能、电能、磁能、核能）o 凡是温度高于绝对零度（ -273.16摄氏度 )的物体都发射电磁波，波长由物质内部状态的变化决定电磁波的特性o 电磁波是 横波o 电磁波具有 波粒二象性电磁波的来源3电磁波谱把各种电磁波（包括无线电波、微波、红外波、可见光、紫外线、 x射线、伽玛射线等）按照波长或频率的大小依次排列，就形成了电磁波谱。遥感中所用的电磁波段：微波、红外波、可见光4物体的电磁波特性o 物体的发射辐射 地物的辐射波谱 热红外遥感的理论基础o 物体的反射辐射 地物的反射波谱 可见光和近红外遥感的理论基础o 物体的微波后向散射辐射 地物的后向散射波谱 微波遥感的理论基础51、 黑体辐射2、 实际地物的发射辐射物体的发射辐射6黑体辐射黑体是一种理想的辐射体。能够完全吸收任何波长入射能量的物体，称为黑体。黑体是一种理想的模型，在自然界里则很难找到。自然界里有些物质的性质接近黑体，如黑色的烟煤、恒星和太阳等。7黑体辐射定律（ 1）普朗克定律：其中： h为普朗克恒量K为波耳兹曼常数普朗克定律表明：黑体的单色辐射度是温度和波长的函数。 8黑体的辐射度曲线9（ 3）基尔霍夫定律：好的吸收体一定是好的辐射体。 （ 2）斯忒藩 -波耳兹曼定律：对普朗克公式积分得-斯忒藩 -波耳兹曼常数：10（ 4） 瑞利 -琴斯定律 ：当波长大于 1mm时，普朗克定律可以近似为：（ 5） 维恩位移定律 ：为分谱辐射通量密度曲线的峰值所对应波长；b为常数 2898m.k 。黑体的微波辐射亮度与温度的一次方成正比。11实际地物的发射辐射o 发射率o 太阳辐射与大气窗口o 地球辐射o 地物的辐射波谱特性12（ 1）发射率为无量纲纯数根据发射率可将实际地物分为三类：（ 1）黑体（ 2）灰体（ 3）选择性辐射体发射率随波长 变化而变化。13（ 2）太阳辐射与大气窗口 太阳辐射大气层对太阳辐射的作用大气窗口大气透射的定量分析14被动遥感最主要的辐射源太阳辐射接近 6000K的黑体辐射，能量集中在 0.32.5微米的波段之间。太阳常数：不受大气影响， 距太阳一个天文单位，垂直太阳光入射方向上，单位时间单位面积黑体所接受的太阳辐射能量。 I太阳光谱太阳辐射1516大气层次结构与成分大气层对太阳辐射的作用吸收作用散射作用反射作用折射作用大气层对太阳辐射的作用17大气层次结构与成分大气物理状况的物理量一般有气压、大气温度和大气湿度。它们在垂直方向上的变化远远大于水平方向上的梯度，所以在研究大气效应问题时可以假定大气具有水平均一、垂直的分层结构。对流层 ：（ 012KM）温度、密度、气压随高度的增加而降低，空气明显垂直对流，上界随季节和温度而变化。 平流层 ：（ 1280KM），空气密度继续随高度增加而降低，几乎没有对流和天气现象。其中 2530KM处，臭氧含量较大，为臭氧层。电离层 ：（ 801000KM）， 空气稀薄，分子被太阳辐射作用而电离成离子和自由电子状态。该层对无线电波可全反射。外大气层 （ 1000KM以外的大气层）， 大气厚度一般认为约 1000KM。18大气成分大气是由多种 气体 及 气溶胶 所组成 的混合物大气的气体成份可分为常定成份和可变成份两部分19 吸收作用 主要是气态分子的吸收。可使电磁辐射的能量衰减。大气中含量最高的氮气对电磁波的作用都在紫外光以外的范围。大气上层臭氧的存在，对小于 的电磁波具有极强的吸收能力，所以到达地面的太阳短波辐射中，很少存在波长小于 的短波辐射。对电磁波 传播 起重要吸收作用的是一些非常少量的气体，其中作用最为显著的有臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽。大气层对太阳辐射的作用20大气在 015 波长的吸收21 散射作用 主要是气体分子和气溶胶的散射 散射是由于电磁辐射与物质相互作用导致部 分能量再辐射到其他方向而引起的，散射使入射波束的能量有所衰减。 与吸收作用不同的是，散射并未引起能量的损失，而只是导致能量在其他方向上重新分配。 三种散射： Rayleigh 散射 Mie 散射 Nonselective 散射22Rayleigh散射u 是气态分子的散射u当气体分子的尺度远小于光波的波长时会发生 Rayleigh散射。uRayleigh散射属于小颗粒散射。u 散射光强度与波长的 4次方成反比，由此可以解释天空为什么呈蓝色。23Mie 散射u云滴、气溶胶的散射。u当颗粒的直径与入射光的波长相当时，往往发生 Mie散射。uMie散射是强烈的前向散射。u属于大颗粒散射。大颗粒散射的特征： 电磁波可以穿透介质表面而深入到散射颗粒内部。 由于颗粒的尺寸与波长相当，所以颗粒的不同部位往往处在不同的电场强度下，导致诱发电流的产生，一方面这种高度电流会产生高变的磁场，另一方面电流的存在意味着焦耳热损耗的出现 电磁波的吸收。 24Nonselective 散射u 大气中云、粒子的散射。u当颗粒的直径远大于入射波的波长时，会发生无选择性 散射。由此可解释雾为什么呈现白色。u散射强度与波长无关。25大气散射的特点； 群体散射强度是个体散射强度之线性和。大气散射系数与高度的关系：p 大气散射系数由分子散射和气溶胶散射两部分组成；p气溶胶颗粒密度随高度呈指数衰减；p就平均状况而言， 4KM以下气溶胶的 Mie散射占优势，4KM以上的分子散射相对占优势。分子散射与气溶胶散射光强之比随角度的变化而变。实际上，当大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。如云层中的小雨滴，对可见光可发生无选择性散射，而对微波则发生瑞利散射。26反射作用电磁波传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象。反射现象主要发生在云顶。折射作用电磁波穿过大气层时出现传播方向改变的现象 。大气密度越大，折射率越大。27大气窗口吸收作用散射作用折射作用对太阳辐射有衰减作用透过率小：大气屏障透过率大： 大气窗口大气窗口改变太阳辐射传输方向电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段称为 大气窗口 。反射作用 对太阳辐射有 衰减作用28可用做遥感的大气窗口0.3-1. 3微米：紫外、可见光和近红外波段1.5-1.8微米， 2.0-3.5微米：近中红外波段3.5-5.5微米：中红外波段8-14微米：热红外波段0.8-2.5厘米：微波波段2930太阳辐射进入传感器前的