第二章电磁波及电磁波谱

第二章电磁波及电磁波谱第1页，共57页，2023年，2月20日，星期三②电磁波的波动性形成光的干涉、衍射、偏振等现象。（2）粒子性：光电效应：光子作为一种基本粒子，具有能量和动量。能量：动量：第2页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.2电磁波谱1）电磁波谱按电磁波的波长的大小，依次排列画成图表，这个图表叫做电磁波谱。2）电磁波谱序列按波长递增的序列依次为：γ射线—X射线—紫外线—可见光—红外线—微波—无线电波。第3页，共57页，2023年，2月20日，星期三电磁波谱第4页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.2电磁波谱近红外：0.76-3μm，中红外：3-6μm，远红外：6-15μm，超远红外：15-1000μm。任何温度高于绝对零度(即-273.15℃)的物体都能产生红外辐射，例如太阳、大地、云雾、冰块、建筑物、车辆等，由于其内部分子热运动的结果，都会产生红外辐射。人眼却无能感知红外辐射。微波：波长在1mm-1m的波段范围内。该范围内可再分为：毫米波、厘米波、分米波。用特定的字母表示，如Ka，K，Ku，X，C，S，L，P。第5页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波传播的基本性质1）电磁波的叠加电磁波的独立传播原理：数列波在传播过程中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性（频率、波长、振幅、振动方向等）不变。电磁波可以用无穷个正弦波叠加构成，每个正弦波有它自己的振幅、频率和相位。第6页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质2）干涉定义：频率、振动方向、相位相同或相位差恒定的两（或数）列波相遇时，合成波某些地方振动始终加强，另一些地方振动始终减弱的现象。干涉的条件：电磁波必须是单色波。例如：激光，雷达。优点：能量增大，使图像清晰，方向性强。缺点：同一物质，表现性质不同。第7页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质3）衍射定义：电磁波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续前进，这种现象称为电磁波的衍射。主要用于传感器的设计和提高图像分辨率。（1）发生衍射时，电磁辐射通量的数量、质量、方向发生变化，测量结果不准，对目标解译带来困难。（2）影响遥感所用仪器的分辨能力。（θ：最小分辨角，λ：波长，D：仪器孔径）（3）缩小阴影区域。第8页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质4）极化（偏振）定义：当电磁波在空间传播时，其电场强度矢量振动方向的瞬时取向，这种现象称为的极化（偏振）。表示：通常用电场强度矢量端点随着时间在空间描绘出的轨迹来表示电磁波的极化。分类(根据轨迹)：平面极化（线极化）、圆极化、椭圆极化。第9页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质平面极化（也称线极化）：电磁波的极化方向保持在固定的方向上的极化。水平极化和垂直极化都是平面极化的特例。平面极化方式分为：（1）垂直（V）极化：极化面与地面垂直的极化。（2）水平（H）极化：极化面与地面平行的极化。第10页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质极化的组合类型：HH极化：发射波为水平极化，接收回波为水平极化；VV极化：发射波为垂直极化，接收回波为垂直极化。正交极化：

VH极化：发射波为垂直极化，接收回波为水平极化。

HV极化：发射波为水平极化，接收回波为垂直极化。第11页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质极化方式不同，微波遥感影像不同。具体应用中，须经过测试，才能知道地物对雷达回波的极化特性的影响。极化的产生：通过偏振器产生。极化的效应：遥感影像便于立体观察。第12页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.1.3电磁波的基本性质5）多普勒效应电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。式中：

f：电磁波辐射源的频率

f1：观察者接收到的频率

c：波速

v：辐射源相对于介质的速度

v1：观察者相对于介质的速度例如：雷达测速仪第13页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2物体的发射辐射2.2.1黑体辐射1）绝对黑体（简称黑体）对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体。2）黑体辐射定律普朗克定律在给定温度、单位时间、面积、波长范围内黑体的辐射通量密度为：

第14页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射式中：Mλ：波长为λ的辐射通量密度。（W/cm2·μm）λ：波长。（μm）h：普朗克常数（6.6256×10-34J·s）c：光速（3×108m/s）k：玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）T：绝对温度（绝对温度=摄氏温度+273.15）（K）第15页，共57页，2023年，2月20日，星期三几种温度下黑体辐射通量密度第16页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射斯忒藩-玻尔兹曼定律（普朗克公式积分）式中：σ：斯忒藩-玻尔兹曼常数（5.6697×10-12W/cm2·K4）T：黑体的绝对温度（K）对遥感来说，红外探测装置能探测出0.01℃的温度变化。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射维恩位移定律（普朗克公式微分，求极值）解得：λmaxT=2897.8式中：λ：波长。（μm）T：绝对温度（K）常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。

第18页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射2）物体的发射基尔霍夫定律在给定温度下，物体对任一波长的发射和吸收成正比，比值与物体的性质无关，只是波长和温度的函数。即有：

式中：Mλ：物体在波长为λ的辐射通量密度。（W/cm2·μm）αλ：物体在波长为的吸收率

第19页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射黑体的辐射通量密度发射率（ελ）：物体辐射通量密度与同温度的黑体辐射通量密度之比。物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率。第20页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑体辐射根据物体光谱发射率，将物体分为：绝对黑体：ελ＝ε=1，总辐射通量密度：M0=εT4灰体：ελ=ε为常数，0＜ελ＜1，总辐射通量密度：M=εσT4选择性辐射体：ελ=f（λ），为变化值，0＜ελ＜1，辐射通量密度：Mλ=

ελ·Mλ0绝对白体（理想反射体）ελ＝ε＝0，M=0。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.2太阳辐射1）遥感辐射源辐射源：凡是能够产生电磁辐射的物体。分为两大类：人工辐射源（主动遥感）和天然辐射源（被动遥感）。天然辐射源：太阳和地球。（1）太阳的电磁辐射主要能量集中在0.2-3μm。

第22页，共57页，2023年，2月20日，星期三太阳的电磁辐射第23页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.2太阳辐射遥感最常用的波段为：0.32-1.1μm，占太阳对地面辐射总通量密度的85%以上。（2）地球的电磁辐射大部分能量集中在4-30μm之间。地球辐射也被大气强烈吸收。地面物体的电磁辐射信息包括两部分：一部分是反射信息，它只能白天接收；一部分是发射信息，既能白天接收，又能在夜间接收。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响1）大气分层大气厚度约1000km，垂直自下而上分为：

对流层：<12km。飞机。平流层：在12-80km，在25-30km处为臭氧层。气球、喷气式飞机。电离层：在80-1000km。150-200km为侦查卫星，800-900km为资源卫星、气象卫星。外大气层：1000km以上。36000km为通讯卫星和气象卫星。第25页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响2）对流层大气变化规律温度随高度上升而下降，每上升1km下降6℃。空气密度和气压也随高度上升而下降。地面空气密度为1.3×10-3g/cm3，气压105Pa。对流层顶部空气密度仅为0.4×10-3g/cm3，气压下降到0.26×105Pa左右。空气中相对不变成分：氮、氧、惰性气体，相对变化成分：臭氧、水蒸气、烟尘微粒。

第26页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响3）大气对太阳辐射的吸收、散射及反作用（1）在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减的主要原因是大气吸收。引起大气吸收的主要成分是水蒸气、臭氧、二氧化碳、氧气等。水蒸气：对电磁辐射的吸收最为显著。主要吸收峰为1.38μm、1.87μm、2.7μm、6.3μm、15μm-1mm间的超远红外区，以及微波中0.164cm和1.348cm处。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响臭氧：主要吸收带<0.3μm、而在9.6μm、4.75μm和14μm处有弱吸收。二氧化碳：主要吸收峰为2.70μm、4.3μm、10.0μm、14.4μm，以及全在红外区。氧气：在<0.2μm、0.69μm、0.76μm、0.253cm和0.5cm处吸收都很弱。第28页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响（2）可见光波段，引起电磁波衰减的主要原因是分子散射。瑞利散射：大气中不均匀的颗粒直径远小于入射电磁波波长时，发生的散射。散射强度:I∝sin2θ/λ4例如：①天空呈蓝色，蓝色波长短，散射强。②对于微波来说，微波波长比大气中粒子的直径大得多，属于瑞利散射，微波有最小散射，最大透射，而被称为具有穿云透雾的能力。

第29页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响米氏散射：大气中不均匀颗粒的直径与入射波长同数量级时，发生的散射。例如：当天气不好或者有大气污染的时候，空气中主要发生米氏散射，这个时候的天就是灰蒙蒙的。均匀散射：大气中不均匀颗粒的直径远大于入射电磁波波长时，发生的散射。

例如：当天空有云层或雨层时，云中水滴粒子的直径比波长大很多，发生均匀散射，各个波长的可见光散射强度相同，因而云呈现白色。

第30页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响折射：电磁波传过大气层时出现传播方向的改变，大气密度越大，折射率越大。反射：电磁波在传播过程中，通过两种介质的交界面时会出现反射现象，反射现象出要出现在云顶（云造成的噪声）。太阳辐射经过大气传输时，反射，吸收和散射共同衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。第31页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响在可见光和近红外波段，太阳辐射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，到达地面能量31％。由于大气层的反射、散射和吸收作用，使得太阳辐射的各波段受到衰减的作用轻重不同，因而各波段的透射率也各不相同。第32页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响4）大气窗口

电磁波通过大气层时较少被反射，吸收和散射的，透射率较高，对遥感十分有利，的波段称为大气窗口。0.30-1.15μm大气窗口：这个窗口包括全部可见光波段、部分紫外波段和部分近红外波段，是遥感技术应用最主要的窗口之一。1.3-2.5μm大气窗口：属于近红外波段。其中1.55-1.75μm透过率较高，主要应用于地质遥感。第33页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.2.3大气对辐射的影响3.5-5.0μm大气窗口：属于中红外波段。用来探测高温目标，例如森林火灾、火山、核爆炸等。8-14μm大气窗口，属于热红外波段。主要探测地物的发射率及温度。1.0mm-1m大气窗口：属于微波波段。

辐射传输方程（略）热传导理论（略）第34页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射2.3.1地物的反射类别镜面反射：是指物体的反射满足反射定律，反射波和入射波在同一平面内，入射角等于反射角。例子：水面是近似的镜面反射，在遥感图像上水面有时很亮，有时很暗，就是这个原因造成的。漫反射：指不论入射方向如何，反射方向却是“四面八方”。其反射面又叫朗伯面。方向反射：实际物体表面由于起伏不同，在某个方向上反射最强烈。第35页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射太阳辐射透过大气并被地表反射（有用的）；太阳辐射被大气散射后被地表反射（纠正后有用）；太阳辐射被大气散射后直接进入传感器；太阳辐射透过大气被地物反射后又被地表发射进入传感器；被视场以外地物反射后进入视场的交叉辐射项第36页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射2.3.2光谱反射率以及地物的反射光谱特性１）光谱反射率反射率：物体的反射辐射通量与入射辐射通量之比。ρ=Eρ/E光谱反射率：物体在某波长λ的反射辐射通量与入射辐射通量之比。ρλ

=Eρλ/Eλ反射波谱：物体的反射率随波长变化的规律。反射波谱特性曲线：以波长为横坐标，物体的反射率为纵坐标所得的曲线。物体的反射波谱限于紫外、可见光和近红外，尤其是后两个波段。

第37页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射2）地物的反射率光谱以及地物的反射波谱曲线（1）同一地物的反射率波谱特性时间效应：同一地物的光谱特征一般随时间季节的变化。空间效应：同一地物的光谱特征在不同地理区域的有不同响应。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射第39页，共57页，2023年，2月20日，星期三（2）不同地物的反射率波谱特性第40页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射城市道路、建筑物道路材料：水泥>土路>沥青。建筑屋顶材料：石棉瓦屋顶>沥青粘砂屋顶>水泥屋顶>铁皮屋顶>塑料顶棚。绿色顶棚与植被通过近红外区分。水体

水体反射主要集中在蓝绿波段，其他波段吸收都很强。近红外波段水体呈黑色。水中含泥沙时，可见光波段反射率会增加。

第41页，共57页，2023年，2月20日，星期三第42页，共57页，2023年，2月20日，星期三第43页，共57页，2023年，2月20日，星期三第44页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射土壤土壤的反射光谱曲线受：土壤的机械组成（颗粒的粗细）、颜色、土壤含水量、土壤类型等的影响。土质越细反射率越高，有机质及含水量越高反射率越低。岩石岩石的反射光谱曲线受：矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、颜色等的影响。

第45页，共57页，2023年，2月20日，星期三第46页，共57页，2023年，2月20日，星期三第47页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射植被植物的反射光谱曲线

叶绿素：引起0.45μm、0.67μm为吸收带，0.55μm反射峰。植物含水量：引起1.45μm、1.95μm、2.7μm吸收带。第48页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射第49页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射不同植物类型、植物生长状况（生长季节、病虫害、含水量的多少）影响植物的反射光谱曲线。第50页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射辐射红边

一般为680-750nm波长范围内反射率光谱的一阶微分最大值对应的波长。红边位移红移：植株生长旺盛时，红边向波长长的方向移动几个-十几个纳米。蓝移：营养缺乏或病虫害时，红边向波长短的方向移动几个-十几个纳米。用于植被的定量遥感分析长势、估产、病虫害、施肥量、污染程度等。其实质是测叶绿素的含量。红边结构红边用一定的曲线表示其结构。第51页，共57页，2023年，2月20日，星期三2.4地物波谱特性的测定植被指数

近红外和红波段反射率的线性或非线性组合。

植被指数主要有：比值植被指数RVI：RVI=NIR/RED归一化植被指数NDVI：NDVI=(NIR-RED)/（NIR+RED）差值植被指数DVI：DVI=NIR-RED其中，NIR表示近红外波段反射率，RED表示红光波段反射率。NDVI是目前应用最广泛的一种植被指数。第52页，共57页，202