第二章 遥感物理基础

第二章 遥感物理基础第一节 电磁波 的一般特征根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一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。 射线、 X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。电磁波是一种横波，这些电磁波有的可以被感受到，有些可以被仪器测量到。一 电磁辐射 的基本特征（ 一 ） 电磁波 的传播电磁波 的传播是能量存在的一种形式，在传播过程中与其它物质发生作用，可产生反射、折射、吸收、散射、偏振等现象，从尔使得描述 电磁波 的四个物理量：波长（频率）、强度、传播方向和偏振面发生变化。从尔带来各种信息，如波长的变化产生颜色的变化，试想若无散射天空的颜色。（二） 电磁波 的 叠加和相干由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。结果使得探测器在某一位置接受到更多的能量，产生亮的效果，而在另一位置接受到更少的能量，产生暗的效果，（三） 电磁波 的 衍射 光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现象称为光的衍射。从夫朗和费衍射装置的单缝衍射实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单缝衍射实验图样中，中间有特别明亮的亮纹，两侧对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝变成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑，它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹。（四） 电磁波 的 偏振 电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散射光、反射光、透射光是部分偏振光。偏振在微波技术中称为 “极化 ”。遥感技术中的偏振摄影和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。偏振可以影响地物的反射率。生活中的偏振如立体电影、偏光显微镜。（五） 电磁波 的多普勒效应由观测者和辐射源的相对运动引起 电磁波 频率的改变。如声波的改变，天文学中的红移现象形成大爆炸理论的基础。遥感中运载工具与观测物之间的相对运动也会引起电磁波 频率的改变，但飞行速度与光速相差很大。 多普勒效应不明显。（六） 电磁波 的波粒二象性电磁波具有波动性和粒子性两方面特性（似乎矛盾）波动性可由 波长、频率、速度、周期、 相干、衍射、偏振、 多普勒效应来表征。粒子性可由光电效应 来表征。不同波长的 电磁波波动性和粒子性表现的程度 不同，短波长的 电磁波主要表现为粒子性，而 长波长的 电磁波主要表现为波动性。二 电磁波谱不同的电磁波由不同的波源产生。 射线、 X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都属于电磁波。如果我们按电磁波在真空中传播的波长或频率递增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱图。电磁波波长范围非常宽无线电波 :长波 : 大于 3000m 中波和短波 : 10 - 3000m 超短波 : 1 - 10m 微波 : 1mm - 1m （ 能进行全天候全天时的遥感探测。微波遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质具有一定的穿透能 力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层覆盖物。 ） 可分为：毫米波 :1mm - 10mm、 厘米波 :1cm 10cm :分米波 : 1dm 10dm 红外波段 : 0.76 - 1000m （ 范围宽，为遥感主要 波段，白天夜间均可成像） 其中近红外； 0.76 - 3m 中红外： 3 - 6m 远红外： 6 - 15m 超远红外： 15 - 1000m （ 也有其它划分）可见光： 0.38 0.76m （ 范围窄，遥感主要波段） 其中紫 ： 0.38 0.43m 蓝 ： 0.43 0.47m 青 ： 0.47 0.50m 绿 ： 0.50 0.56m 黄 ； 0.56 0.59m 橙 ； 0.59 0.62m 红 ； 0.62 0.76m 紫外线 ： 0 .001 0.38 m （ 紫外线在通过大气层时，波长小于0.3m 的紫外线几乎都被吸收，只有 0.3 0.4m 波长的紫外线部分能 穿过大气层到达地面，且能量很少。紫外波段从空中可探测的 高度大致在 2000m以下，对高空遥感不宜采用。） X射线 ： 10-6 10-3m 射线 ： 小于 10-6m 特点电磁波波长范围非常宽。 射线到 -无线电波的波长之比高达 1022倍以上。遥感波段：紫外 -微波。传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的发射、反射辐射而成像，电磁波的存在是获取图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的波谱段。第二节 电磁辐射源一 电磁辐射的有关概念1 辐射能量（ Q）： 电磁波辐射的能量。单位：焦耳（ J）2 辐射通量（辐射功率， ）： 单位时间内通过某一表面的辐射能量。单位：瓦（ W ， 焦耳 /秒）。 =dQ/dt3 辐射出射度（辐射通量密度 W ）： 面辐射源在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。单位：瓦 /米 2。 W= d/dA4 辐射照度（ E）： 面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。单位：瓦 /米 2。 M= d/dA5 辐射强度（ I）： 点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量。单位：瓦 /球面度。 I=d /d6 辐射亮度 (L)： 面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。 单位：瓦 /米 2.球面度。 L=d/d.dA cos二 物体的热辐射宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源，这个参照源就是绝对黑体。一般物体的发射率小于绝对黑体的发射率，因而，物体的辐射温度小于它的实际温度。为了求出一般物体的辐射温度，必须采用与绝对黑体进行比较的方法。（一）黑体辐射1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。绝对黑体：对于任何波长的电磁辐射全部吸收的物体。绝对黑体是没有的，实验上理想的绝对黑体为空腔壁由不透明的材料制成的、对辐射只有吸收和反射作用的物体。最接近黑体的辐射源是恒星和太阳。（示空腔壁）不同类的物体具有不同的吸收率 和反射率 。1 绝对黑体：吸收率 (,T)1, 反射率 （ ,T ） 0 ；2 绝对白体：吸收率 (,T)0 ， 反射率 （ ,T ） 1 ， 与温度和波长无关。3 一般物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，吸收率 (,T) +反射率 （ ， T） =1普朗克公式：1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度 W 和其温度的关系以及按波长 分布的辐射定律：式中： W 分谱辐射通量密度 单位 W（ cm2m ）； 波长 单位是 m ； h 普朗克常数 (6.625610-34 .Js)c 光速 (31010cm/s)；k 玻耳兹曼常数 (1.3810 -23J K) 不同温度下黑体辐射波谱曲线图中可直观地看出黑体辐射的三个特性： （ 1）与曲线下的面积成正比的总辐射通量密度 W 是随温度 T的增加而迅速增加。总辐射通量密度 W 可在从零到无穷大的波长范围内。对普朗克公式进行积分，即 （ 2）维恩位移定律 分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动。它表明：黑体的绝对温度增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。max=2886/T微米 .K若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的波段。将太阳、地球的温度代入，可得峰值波 0.47m 和 9,6 m 如果辐射最大值在可见光波段，物体的颜色会随着温度的升高而变化，波长变短。（如星体）（ 3）每根曲线彼此不相交，故温度 T越高，所有波长上的波谱辐射通量密度也越大。一般物体的发射辐射自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都比相同条件下绝对黑体的要低。实际物体的辐射不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材料、表面状况等因素有关。发射率 来表示它们之间的关系：= W/ W发射率 就是实际物体与同温度的黑体在相同条件下辐射功率之比。分类： 绝对黑体 1 灰体 在各波长处的光谱发射率 相等即： 但 0 1 选择性辐射体 在各波长处的光谱发射率 不同 () 理想反射体（绝对白体） 0材料 温度 (C) 发射率 人皮肤土壤 (干 )水石英岩大理石铝铜铁钢沙混凝土32202020201001004010020200.98-0.990.920.960.630.940.050.030.210.070.900.92几种主要地物的发射率同一种物体的发射率与温度有关温度 -20oC 0oC 20oC 40oC石英岩花岗岩0.6940.7870.6820.7830.6210.7800.6640.777（二 ） 物体的热惯量热惯量（ P） 是物体对环境温度变化的热反映灵敏性的一种量度， P值越大，对环境温度变化的反映越迟钝。热惯量与物体的密度及热学参量的关系为：P =（ k.c ) 1/2 P 热惯量 焦尔 /厘米 2 .秒 1/2 k 热扩散系数 厘米 2 /秒 （表示温度变化速率） 密度 克 /厘米 2 c 比热 焦尔 /克 .度热传导方程可证明，当物体吸收或损失的热量相同时，其温度的变化幅度与热惯量的大小成反比。三种岩石的 热惯量值P白云岩 =0.0962 P灰岩 =0.0765 P花岗岩 =0.0593图中可见花岗岩对环境温度最敏感，而白云岩最迟钝。全天花岗岩的温差最大，白云岩的温差最小。可以推测，不同物体温差最大时，遥感图象上反映的光谱特征差别最大，最容易将不同物体区分开来。中午一点和黎明时分物体温差最大，是利用热红外成象的有利时机。（三 ） 太阳辐射和地球辐射1 太阳辐射传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要是来自太阳辐射的一种转换形式。1）太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内，垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间里所接收的太阳辐射能量：平均常数为 1400W/m2远地点常数为 1345W/m2近地点常数为 1438W/m2太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量。2）太阳温度： 5900K， 可近似的看作黑体辐射