第三章电磁波与媒质的相互作用(2)

1、微波遥感技术2022-4-301第三章第三章 电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用授课老师：李亚超授课老师：李亚超2022-4-302电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 教学内容教学内容u 有耗均匀媒质的电磁波传输特性有耗均匀媒质的电磁波传输特性u 电磁波分界面的反射与透射电磁波分界面的反射与透射u TE波和波和TM波波u 全反射和全透射全反射和全透射u 面散射和体散射面散射和体散射2022-4-303电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 有耗均匀媒质传输特性有耗均匀媒质传输特性n电磁波与物质（例如分子和原子结构）的相互作用有众多的机电磁波与物质（例如分子和原子结构）

2、的相互作用有众多的机制制决定于电磁波的频率（即光子能量）和物质的能级结构；决定于电磁波的频率（即光子能量）和物质的能级结构；n电磁波与物质的相互作用从本质是电磁波与物质之间的能量交电磁波与物质的相互作用从本质是电磁波与物质之间的能量交换引起物质的电子、分子等的运动状态变化。换引起物质的电子、分子等的运动状态变化。u 微波遥感要从接收的电磁回波信号中提取被探测目标的信息。微波遥感要从接收的电磁回波信号中提取被探测目标的信息。2022-4-304电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 有耗均匀媒质传输特性有耗均匀媒质传输特性u 电磁波在有耗均匀媒质中穿透深度可以定义为电磁波在有耗均匀媒质中穿

3、透深度可以定义为1PIdkIk为媒质复介电常数的虚部为媒质复介电常数的虚部l 电导率极大时电导率极大时l电导率极小时电导率极小时2Pd2Pd为媒质复介电常数为媒质复介电常数 为磁导率为磁导率 为电导率为电导率 电磁波在有耗媒质中的传播电磁波在有耗媒质中的传播2022-4-305电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 有耗均匀媒质传输特性有耗均匀媒质传输特性结论结论1： a)媒质的复介电常数的虚部与电磁波传播的幅度有关；媒质的复介电常数的虚部与电磁波传播的幅度有关； b)媒质的复介电常数的实部与电磁波传播的相位有关；媒质的复介电常数的实部与电磁波传播的相位有关； c)虚部表示导电媒质的损耗

4、，使在媒质中传播的电磁波发生衰减。虚部表示导电媒质的损耗，使在媒质中传播的电磁波发生衰减。结论结论2： a)电导率越大，电磁波传播衰减越大，穿透深度越小；电导率越大，电磁波传播衰减越大，穿透深度越小； b)电导率越小，电磁波传播衰减越小，穿透深度越大。电导率越小，电磁波传播衰减越小，穿透深度越大。2022-4-306电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 电磁波分界面的反射与透射电磁波分界面的反射与透射n成像遥感（主动和被动）成像遥感（主动和被动） 作用作用 散射与发射散射与发射 地面上层间相互作用（辐射传输）地面上层间相互作用（辐射传输） 冰雪覆盖冰雪覆盖 植被植被 作物作物 土壤土壤

5、 主动遥感（雷达）主动遥感（雷达） 主要是散射；主要是散射； 要考虑吸收；要考虑吸收； 发射可忽略（与入射相比）；发射可忽略（与入射相比）；n辐射强度媒质中的传播，媒质辐射强度媒质中的传播，媒质的作用的作用吸收吸收发射发射散射散射2022-4-307电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 电磁波分界面的反射与透射电磁波分界面的反射与透射不同媒质下电磁波反射与透射示意图不同媒质下电磁波反射与透射示意图u 电磁波在有界空间传播中，在电磁波在有界空间传播中，在不同媒质之间传输时，分界面上不同媒质之间传输时，分界面上发生反射和透射；发生反射和透射；u 良导体电磁场主要存在于导体良导体电磁场主要存

6、在于导体表层的深度内；表层的深度内；u 完美良导体电磁波穿透深度为完美良导体电磁波穿透深度为零，电流主要集中在导体表面，零，电流主要集中在导体表面，叫表面电流。叫表面电流。2022-4-308电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 TE波和波和TM波波TE波与波与TM波波n具有任意极化的电磁波都可以分解为具有任意极化的电磁波都可以分解为TE（Electric field ）波和）波和TM（Magnetic field ）波。）波。nTE波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，称水平极化波（波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，称水平极化波（H波）；波）；TM波是电场矢量平行于入射平面的极化波，

7、称垂直极化波（波是电场矢量平行于入射平面的极化波，称垂直极化波（V波）；波）；当这两种波入射到两种当这两种波入射到两种均匀介质的光滑界面上均匀介质的光滑界面上时，产生反射和折射。时，产生反射和折射。Snell定律定律sinsinitttiiknkniiinctttnc折射指数折射指数2022-4-309电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 全反射和全透射全反射和全透射u 全反射全反射u 全透射全透射电磁波折射角大到临界值电磁波折射角大到临界值90 时时arcsintiinn此时，此时，入射角入射角TE波：同类媒质中传输会发生全透射现象；波：同类媒质中传输会发生全透射现象；在不同类媒质分

8、界面上不会出现全透射现象。在不同类媒质分界面上不会出现全透射现象。TM波：在不同类媒质中传输，当波：在不同类媒质中传输，当 。 会发生全透射现象。会发生全透射现象。arctantii2022-4-3010电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射u 面散射面散射u 体散射体散射电磁波在进入均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来，一电磁波在进入均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来，一部分在媒质内部衰减直到消失，称该散射为面散射。部分在媒质内部衰减直到消失，称该散射为面散射。电磁波在进入非均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来，电磁波在进入非均匀有耗煤

9、质分界表面时，一部分能量反射回来，一部分在媒质内部又散射回去，称由媒质非均匀引起的散射为体散一部分在媒质内部又散射回去，称由媒质非均匀引起的散射为体散射。射。2022-4-3011电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射n散射：由于目标引起的入射电磁波的方向改变散射：由于目标引起的入射电磁波的方向改变入射波的相关扰动入射波的相关扰动随机扰动：单方向随机扰动：单方向多方向多方向n散射的定量描述：散射的定量描述：RCS（雷达散射界面，（雷达散射界面，Radar Cross Section）n前向散射：散射波与入射波在同一方向；（辐射传输）前向散射：散射波与入射波在

10、同一方向；（辐射传输）n后向散射：散射波与入射波方向相反。（雷达）后向散射：散射波与入射波方向相反。（雷达）后向散射截面后向散射截面2022-4-3012电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的

11、散射能用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的散射能量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体辐射的总功率与入射功率密度的比值。辐射的总功率与入射功率密度的比值。n 雷达散射截面（雷达散射截面（RCS）2022-4-3013电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射)(44/)4/)()(22222121Wm

12、WSEERWmWTis入射波功率密度（总散射功率总散射截面：（入射波功率密度率上单位立体角的散射功在指定方向雷达散射截面：2022-4-3014电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射n对于理想散射体，总散射界面等于目标的实际截面积对于理想散射体，总散射界面等于目标的实际截面积n对于非理想散射体，总散射界面小于目标实际截面积对于非理想散射体，总散射界面小于目标实际截面积吸收截面总散射截面总截面入射波功率密度（总吸收功率吸收截面：)(2WmWan目标的雷达散射截面（目标的雷达散射截面（RCS） 目标特性：目标特性： 形状形状 介电特性介电特性 取向取向 表面粗糙

13、度表面粗糙度 观测条件：观测条件： 入射角入射角 频率频率 极化极化2022-4-3015电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射n 瑞利粗糙度标准瑞利粗糙度标准(表面光滑程度判读准则表面光滑程度判读准则)不同平面发射路径差带来的相位差不同平面发射路径差带来的相位差04cos2h hNhahaaQQaaQRayleighVeevolvolVesVvols23)cos/211 (43coscos430/)(1 (43cos232高透明度：小指数近似低透明度：单散射反照率近似：n 瑞利近似体散射系数瑞利近似体散射系数( 单个粒子的总散射截面单个粒子的总散射截面 单

14、个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面)SQeQ2022-4-3016电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 面散射和体散射面散射和体散射n被动微波遥感：被动微波遥感： 传感器与被观测目标之间的散射体可以引起目标辐射特性的测量误差传感器与被观测目标之间的散射体可以引起目标辐射特性的测量误差（信号、干扰）（信号、干扰）n主动微波遥感：主动微波遥感： 方向性；方向性； 前向与后向。前向与后向。n大目标和小目标极限散射大目标和小目标极限散射 大目标：大目标：波长波长几何光学近似（与波长无关，直接决定于物理截面）几何光学近似（与波长无关，直接决定于物理截面） 小目标：小目标：波长波长Raleigh近似（与形状无关，决定于尺寸和取向）近似（与形状无关，决定于尺寸和取向）2022-4-3017电磁波与媒质的相互作用电磁波与媒质的相互作用 作业作业本章课后作业本章课后作业1.在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？2.假设发射电磁波工作在假设发射电磁波工作在2.16GHz，在，在 穿透无磁物质时，其电导率穿透无磁物质时，其电导率和介电常数关系为和介电常数关系为 ，则电磁波穿透深度为多少，则电磁