《遥感技术与应用原理》第2章 遥感的物理基础

n n 第二章 遥感的物理基础遥感卫星传感器接受的电磁辐射n 遥感图像是电磁辐射与地表相互作用的一种记录。为了更好地理解与认识这些图像，我们必须首先了解电磁辐射原理以及它通过大气层再被地表反射辐射的过程，这是遥感的物理基础。第二章 遥感的物理基础n 电磁波和电磁波谱n 电磁波辐射规律n 太阳辐射n 地球辐射第一节 电磁波与电磁波谱电磁波电磁波的性质电磁波谱波的概念 ： 波是振动在空间的传播。机械波： 声波、水波和地震波等，振动的是弹性媒质中质点的位移矢量电磁波 （ ElectroMagnetic Spectrum )由振源发出的电场矢量和磁场矢量在空间的传播。1.1 电磁波电磁辐射 :这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射）称为电磁辐射。n 电磁波 :根据麦克斯韦电磁场理论 ,变化的电场能够在它的周围引起变化的磁场 ,这个变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场 ,并在更远的区域内引起新的变化磁场 .这种变化的电场和磁场交替产生 ,以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为 电磁波 .1.2 电磁波的特性电磁波是横波在真空中以光速传播电磁波具有 波粒二象性： 电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这就是电磁波的波粒二象性。v波动性：电磁波是以波动的形式在空间传播的，因此具有波动性v粒子性：它是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性，使得电磁辐射的能量具有统计性v波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。电磁波的波动性电磁波在传播中遵循波的干射、衍射、散射等规律n 波长n 频率电磁波的波动性波长 wavelenthn 波长指波在一个振动周期内传播的距离即沿波的传播方向，两个相邻的同相位点(如波峰或波谷 )间的距离，波长常用人们熟悉的长度单位来度量，只是往往将之划分得很小，n 如米 (m)、厘米 (cm)、毫米 (mm)、微米n (m)、纳米 (nm)等。n 频率 (Frenquency)n 频率指单位时间内（秒）、完成振动或振荡的次数或周期。即在给定时间内，通过一个固定点的波峰数，它常以赫兹 (Hz)为单位，n 在真空少电磁波以光速传播，是它们的波长 ()与频率 ()满足如下关系：n n C 电磁波的衍射n 波在传播过程中通到障碍物时，在障碍物的边缘一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的 “阴影区 ”的现象称为衍射现象。它是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度重新分布的现象，也是波的重要特性之一。如，声波可传到拐角后而；光通过小孔，在孔后的屏上出现的不是一个亮点，而是一个亮斑。其亮班周围有逐渐减弱的明暗相间的圆环。电磁波的小孔衍射亮斑的大小电磁波的小孔衍射亮斑的大小 (衍射衍射角角 6)与小孔的直径与小孔的直径 d成反比成反比(设计遥感器地空间分辨率具有重要意义。 )最小分辨角 :d 物镜的有效孔径 电磁波的偏振n 电磁波遇到 “狭缝 ”的障碍物时，能够通过狭缝地振动分量，称为电磁破的偏振。n 非偏振光，偏振光，部分偏振电磁波的叠加原理当两列波在同一空间传播时，空间尚各点的振动为各列波单独振动的合成。任何复杂的电磁波都可以分解成许多比较简单的电磁波；比较简单的电磁波也可以合成为复杂的电磁波。（ 白光的色散和合成，计算机显示器的工作原理， 混合像元的分解 ）n 一列波在空间传播时，将引起空间各点的振动，两列 (或多列 )波在同一空间传播时，每列波对各点的振动都有贡献，因此空间各点的振动就是各列波单独在该点产生的振动的矢量和。多普勒效应n 在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高变低 . 为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低 .这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安 多普勒的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家 .他于 1842年首先发现了这种效应。 n 物体 辐射 的波长因为 光源 和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短， 频率 变得较高 (蓝移 (blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。电磁波的多普勒效应电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。 类似声波的多普勒效应。（ 合成孔径雷达的工作原理 ）电磁波的粒子性n 电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它的连续波动状态外还能以离散形式存在。其离散单元称为光子 (photo)或量子 (quanta)。大量实验证明，光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。且光电子的能量与光的强度、光照的时间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。即光强仅增加光电子的数量，而光电子的动能只与入射光的频率有关。动量： P能量： Eh : 普朗克常数， 6.626075510 34 J sc : 光速； v : 频率 ：波长能量和动量是粒子属性电磁波的粒子性n 辐射能量与它的波长成反比。即电磁辐射波长越长，其辐射能量越低。这对遥感是有重要意义的如地表待征的微波发射要比波长相对短的热红外辐射更难感应。因此对于长波的低能辐射，遥感系统必须采取相应的对策，以尽