第三章 电磁辐射源

第二章热辐射与电磁辐射源第一节表征电磁辐射的物理量第一节热辐射第二节太阳辐射源第三节地球辐射源第四节人工辐射源第一节表征电磁辐射的物理量辐射能量Q辐射通量(radiantflux)Φ辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M辐射强度(radiantintensity)I辐射亮度(radiance)L分谱辐射通量波数

ν辐射能量Q电磁辐射是具有能量的，它表现在：•使被辐照的物体温度升高•改变物体的内部状态•使带电物体受力而运动……辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）1/11辐射通量(radiantflux)Φ在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量：

Φ=dQ/dt辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2/11辐射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。自放射面射出的辐射通量密度为辐射度（辐出度，radiantexitance）；也称辐照度；到达接收面上的辐射通量密度称为辐照度（irradiance）：

E=dΦ/dAM=dΦ/dA辐射通量密度的单位是瓦/米²（W/m²）辐射源辐照度辐射出射度被辐照物辐射体法向3/11辐射强度(radiantintensity)I辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量：I=dΦ/dΩ辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）辐射强度点辐射源Ω=A/R²2π、4π各向同性源？4/11分谱辐射通量辐射通量是波长λ的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量：Φλ=dΦ/dλ分谱辐射通量的单位是瓦/微米（W/μm）λ1-λ2间隔内的Φ(λ1-λ2)?总辐射通量Φ？辐射通量波长5/11分谱？？？分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐射强度“分谱”两字可以忽略6/11辐射亮度(radiance)L单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：L=³Φ/AλΩ辐射亮度（L）的单位是瓦/米²•微米•球面度（W/m²

•

μm•Sr）通量Φ面辐射源θ立体角ΩA图中出射辐射亮度是多少？6/11波数ν单位长度（CM）内所包含的波长数：单位：cm-1小结辐射度量一览表辐射量符号定义单位辐射能量Q焦耳(J)辐射通量ΦdQ/dt(λ)瓦(W)辐照度EdΦ/dA瓦/米²(W/m²)辐射出射度MdΦ/dA瓦/米²(W/m²)辐射强度IdΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)辐射亮度L2Φ/AΩ瓦/米²•球面度(W/m²•Sr)光谱辐照度EdE/d瓦/米²•微米(W/m²•um)光谱辐出度MdM/d瓦/米²•微米(W/m²•um)光谱辐亮度LdL/d瓦/米²•球面度•微米(W/m²•Sr•um)7/11基本辐射量总结：表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）……需要注意的是：文献中的称谓不尽相同，关键看单位最重要的是密度（辐照度）和亮度凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cosθ11/11第二节热辐射概念普朗克公式史蒂芬—玻尔兹曼公式维思位移定律基尔霍夫定律一、概念热辐射自然界中一切物体。当温度高于绝对零度（-273℃）时，都会不断向四周空间辐射电磁波，这种现象称为热辐射。热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身的温度。吸收系数：物体吸收能量与入射总能量之比。绝对黑体：任何温度、频率和波长条件下吸收系数恒等于1的物体称为“绝对黑体”，简称黑体。绝对黑体任何温度、频率和波长条件下吸收系数恒等于1的物体称为“绝对黑体”，简称黑体。对于黑体，有：显然，黑体的反射率和透射率均为0：灰体：各波长吸收率近似为一小于1的常数的物体一、普朗克公式1、普朗克公式：绝对黑体在波长为，绝对温度为T时的辐射通量密度为式中：C—31010cm

/秒，光速；h—6.625610-34瓦.秒2，普适恒量；K—1.3810-23瓦.秒.K-,玻尔兹曼常数；—波长；T—绝对温度;普朗克量子假说物体中分子、原子等的振动可视作带电的线性谐振子。这些谐振子只能存在于一些分离的状态中这些分离的状态所对应的能量是不连续的，其相应的参量是某一最小能量的整数倍。辐射或吸收参量时，振子从这些状中之一跃迁到另一个状态。所以能量是不连续的，存在着最小单元（能量子hv)物体发射或吸收能量必须是小单元的整数倍，且是一份一份不连续的方式进行的。二、史蒂芬—玻尔兹曼公式对普朗克公积分得：式中：0(T)—绝对温度时，黑体单位时间和单位面积上发出的总辐射能;=（5.6697,为史蒂芬—玻尔兹曼常数;T—绝对温度.上式可见：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的关系三、维思位移定律对普朗克公式对微分后求极大植，即得出黑体后最大辐射能的波长（m）与其对应绝对温度（T）的关系式为:上式说明：黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的波段向短波方向移动。据此可对特定的目标选择红外遥感的最佳波段。四、基尔霍夫定律基尔霍夫发现：任何物体在任一给定的温度和波长条件下，它的辐射通量密度和吸收系数之比是一个常数，并且等于同一温度波长下，绝对黑体的辐射通量密度。一个好的吸收体也是一个好的发射体。温度相同的两物体，对于某波长的的辐射，如果甲比乙吸收得多，则甲比乙发射得也多物体不吸收某波长的辐射，也就不发射该波长的辐射一般物体的热辐射出射度小于同温度的绝对黑体的辐射出射度定义物体的辐射能力与黑体辐射能力之比为物体的比辐射率或发射率，即：故有：即物体的吸收率就是它的比发射率第三节太阳辐射源一、概述二、太阳辐射能量组成三、太阳辐射在大气中的损耗四、太阳辐射与日地距离及天顶角(一)太阳是地球环境中，最强大天然电磁辐射源，是当前航天、航空可见光及近红外遥感的主要辐射源是一个表面温度约5900K的炽热发光球体。太阳是地球上除核能外一切有用能量的源泉地球距太阳1.5亿KM，太阳辐射能经500秒方到达地球，地球反接收太阳辐射能约二十二亿分之一。太阳辐射是一种十分复杂的连续电波光谱，从波长10-4或更短的X射线延伸到大于100m的无线电波，但辐射能主要集中在0.31-5.6um波段内。(一)太阳辐射与太阳光谱1太阳电磁辐射强度用太阳常数表示。太阳常数：日地距离等于地球平均半径时，指大气层顶部平均日—地距离处，垂直于太阳入射光线的单位面积上，单位时间内接收到的太阳辐射的总能量.太阳常数=135.3毫瓦/厘米2=1352w/m2太阳辐射太阳发射的电磁辐射在地球大气顶层随波长的分布称为太阳光谱。极大值位于0.47μm，维恩位移定律λmaxT=2.897810-3mK，色温Tsun?8/11Wien’sdisplacementlaw夫琅和费(Fraunhofer)吸收线(一)太阳(3)2太阳辐射能量的组成(一)太阳(4)3太阳辐射在大气中的损耗大气及其它成份反射：30%大气吸收：17%大气散射：22%到达地面:31%地球太阳大气层四、太阳辐射与日地距离及天顶角地球公转轨道为椭圆形；太阳辐射能（太阳常数）是在平均日地距离的情况下测得，故任一时刻的太阳辐射能需考虑日地距离的变化大气层外太阳辐照度：为太阳辐亮度，为日地距离任一时刻太阳辐照度：为太阳常数，为平均日地距离可从天文年历中查获出（在应用时取其倒数）太阳常数也随太阳活动的强弱而稍有变化，由于变化很小，一般应用时不予考虑。太阳辐射与天顶角的关系地面太阳辐照度与天顶角的关系为：太阳常数在日地平均距离处通过与太阳光束垂直的单位面积上的太阳辐射通量称为太阳常数。F0=1353(±21)W/m2(1976,NASA)太阳常数是对太阳光谱的积分。太阳表面辐出度是多少？太阳对地球的张角很小(<9)，因此太阳光可以认为是平行光束。θ大气顶的通量密度为F=F0(dm/d)2cosθ00.9674<(dm/d)2<1.03449/11太阳常数与太阳辐射亮度立体角定义：Ω=σ/r2，半球？(极坐标中)微分立体角元：dΩ=dσ/r2=sinθdθdφ太阳在光学波段可以看作各向同性，因此太阳常数与太阳辐射亮度的关系为：F0=πL0辐射亮度的法向分量对整个球面立体角积分：对于各向同性辐射，辐照度：Fλ=πLλLλ=³Φ/AλΩFλ=²Φ/Aλ比较公式：10/11第四节地球辐射源

地球是目前热红外遥感的主要辐射源.1.地球电磁辐射的特性:能量集中在远红外和中红外谱段，峰值在9.7um处，大部分集中在8-14的范围内。这是由于地球表面平均温度约270C，接近（不超过）3000K，故为3000K黑体光谱曲线所包围。(二)地球(2)2.与太阳辐射的关系地球辐射曲线与太阳辐射曲线在5.5处相交，3处地球辐射减弱至接近于0，6处，太阳辐射减至接近于0。(二)地球(3)波长0.3-3um，主要是反射太阳辐射能，地球热辐射可忽略不计。波长3-6um中红外波段太阳与地球辐射均不能忽略.作该波段的红外遥感时，常选择在清晨时分，经减少太阳辐射影响波长>6um，主要是地球表面的热辐射。(三).人工辐射源用于主动遥感之中，辐射直接安装在传感器里，产生所需波长和功率的电磁辐射。如侧视雷达系统中心微波脉冲发生器，激光雷达中使用的脉冲输出激光器等.1.微波属无线电波中波长最短的部分，这种高频电磁震荡主要由微波谐振器产生。(三).人工辐射源(2)微波特点：1)似光性，传播特性与光相似。2)频率高，可用频带宽，信息容量大。4)具有一定的穿透性：如3.2cm的微波束可穿透4000m厚的云层，只衰减1dB，大气影响可忽略不计