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微波遥感理论与技术基础 （第三周）,董晓龙 国家863计划微波遥感技术实验室 中国科学院空间科学与应用研究中心,提纲,第二章：电磁波及其与物质的相互作用（2-4） 电磁波的基本参数与性质 电磁波与物质相互作用简介 电磁波波谱及其与物质相互作用的特点 物体的微波散射特性（面散射与体散射） 物体的微波发射特性 微波遥感中的天线系统,五、物体的微波发射特性,概念、定义和单位 黑体辐射定律,1. 概念、定义和单位,立体角 基本辐射量 散射和吸收的概念,立体角,立体角： 定义为锥体所拦截的球面积A与球面半径r平方的比值。,Solid Angle： The angle that, seen from the center of a sphere, includes a given area on the surface of that sphere. The value of the solid angle is numerically equal to the size of that area divided by the square of the radius of the sphere.,The shape of the area doesnt matter at all. Any shape on the surface of the sphere that holds the same area will define a solid angle of the same size. The solid angle is the quantitative aspect of the conical slice of space, that has the center of the sphere as its peak, the area on the surface of the sphere as one of its spherical cross sections, and extends to infinity. The maximum solid angle is 12.57, corresponding to the full area of the unit sphere, which is 4*Pi. Standard unit of a solid angle is the Steradian (sr). (Mathematically, the solid angle is unitless, but for practical reasons, the steradian is assigned.),基本辐射量,能量 能量密度 功率（辐射通量） 功率密度（辐射通量密度）,亮度（辐射强度） 谱亮度 与亮度有关的其它量,辐射能量（Energy）与辐射能量密度（Energy Density）,辐射能量E 电磁波所携带的能量。它是波做功，如用力移动物体、给物体加热或改变物体状态能力的高度。 辐射能的单位为J（焦耳），量纲为ML2T-2 单位体积内的辐射能量称为辐射能量密度（Energy Density）Ev。 辐射能量密度的单位为Jm-3（焦耳米-3）,辐射功率（Power）,功率（辐射通量、发光度）Power（Radiant Flux） 单位时间通过空间某处的辐射能。 辐射通量的单位为W=Js-1（瓦特），量纲为ML2T-3 对于平面波，功率用Poynting矢量表示，其含义是功率的传输量,辐射功率密度（Power Density）,功率密度（辐射通量密度、辐照度）Power（Flux） Density 单位面积所截获的辐射功率。 功率密度的单位为Wm-2=Jm-1m-2（瓦特米-2），量纲为MT-3 入射到表面的功率通量密度称为辐照度（Irradiance）； 从表面射出的功率通量密度成为出射度或发射度（Emittance）。,辐射强度（Intensity）,辐射强度（Intensity，radiant intensity，辐亮度luminance） 一个点源在某一个特定方向的辐射强度，指点源在该方向单位立体角内的出射功率。 辐射强度的单位为Wsr-1=Js-1sr-1（瓦特球面度-1)，量纲为ML2T-3,亮度（Brightness）,亮度（Brightness） 一个点源在某一个特定方向的亮度，指点源在该方向单位立体角内的出射功率密度。 亮度的单位为Wm-2sr-1=Js-1m-2sr-1，量纲为MT-3 一般情况下，物体的亮度是有方向性的，即,谱亮度（Spectral Brightness）,谱亮度（或称为亮度谱密度）定义为：单位频率区间的辐射亮度。 谱亮度的单位为Wm-2sr-1f-1=Js-1m-2sr-1f-1，量纲为MT-2 接收功率,与亮度有关的其它量,谱功率Pf（Spectral Power） 单位带宽的辐射功率； 谱功率的单位为WHz-1 谱流（通）量密度Sf（Spectral Flux Density） 谱通量密度的单位为Wm-2Hz-1,2、黑体辐射定律,散射、吸收与发射 黑体 Planck定律 Stefan-Boltzmann定律 Wien位移定律 Kirchhoff定律 亮度温度与发射率,散射、吸收与发射,散射 位于电磁波传播路径上的物体从入射的电磁波中提取能量并将此能量以与原入射电磁波相同的频率向各个方向重新辐射出去。 吸收 物体吸收电磁波能量并将此能量转化为其它形式的能量。 消光（Extinction） 散射和吸收这两种作用都会使入射电磁波的能量发生衰减，我们将这种衰减称为消光（extinction) 发射：物体吸收的电磁波能量以电磁辐射的形式再辐射出去。,黑体Blackbody,A black body is defined as an idealized, perfectly opaque material that absorbs all the incident radiation at all frequencies, reflecting none. It is a theoretical object that absorbs 100% of the radiation that hits it. It reflects no radiation and appears perfectly black.,黑体,黑体的物理模型 从外界进入小孔的大部分辐射通量，不管腔壁的材料和表面性质如何，都将被腔体所捕获； 在腔体内发射多次反射，直到所有的能量被腔壁吸收； 任何进入腔体的通量再从小孔逸出的几率如此之小，以致可以认为腔体内壁是全黑的。,无反射 全吸收,黑体的物理特征,黑体发射,黑体发射与吸收过程相反； 由腔壁任意小面积所发射的通量将反复受到反射，且每发射一次，通量将由于吸收而衰减，但又被重新发射所增强，直至发射和吸收相对于腔壁温度而达到平衡状态。,Planck定律,Planck定律描述了黑体辐射的频率分布，建立了单频谱亮度与频率和温度之间的关系。,Planck定律的近似形式,高频近似（Wien分布）：l0 低频近似（Rayleigh-Jeans分布）：f0,Wien近似,Rayleigh-Jeans近似,对于窄带系统，dff2时，黑体的辐射功率为,Stefan-Boltzmann定律,对Planck公式进行整个频率范围的积分，可以得到亮度随温度变化的曲线,Wien位移定律,Wien定律所描述的是黑体辐射的最大强度所对应的频率。,Kirchhoff定律,Kirchhoff定律所描述的是热平衡条件下的能量守恒关系。 在热平衡状态下，介质在给定频率的发射率（emissivity，ef) 等于介质在该波长的吸收率（absorptivity，Af），即 ef =Af 发射率（emissivity，ef)：介质发射辐射亮度与黑体辐射亮度之比； 吸收率（absorptivity，Af）：介质吸收辐射亮度与黑体辐射亮度之比。 黑体（black body）： ef =Af=1 灰体（grey body）：ef =Af1,亮度温度与发射率,黑体亮度 灰体亮度 发射率,六、微波遥感中的天线系统,天线的定义 天线的基本参数 辐射源 电偶极子 线天线 半波振子 口面辐射与标量积分 Fourier关系 天线极化 均匀照射的矩形口面 均匀照射的圆形口面 有效面积的定义,非均匀照射一般情况 非均匀相位照射 非均匀幅度照射 矢量公式 天线阵 二元阵 均匀相位分布的N-单元天线阵 天线阵的相位扫描 天线的类型,1、天线的定义,天线的定义 An ANTENNA may be defined as the region of transition between and electromagnetic wave propagation in free space and a guided wave propagation in a transmission line, or vice vesa. It acts as a coupler between two media.,Isotropic antenna A hypothetical antenna that radiates equally in all directions. Due to the vector nature of EM fields, isotropic antenna does not exist. All real antenna has a directional antenna radiation pattern, which is the directional function describing the relative distribution of radiation energy.,2. 天线的基本参数,功率密度，Poynting矢量,天线方向图,当离开天线的距离r足够大时，天线的辐射强度（功率密度）： 辐射方向图F(q,f) 定义为一个与距离无关的量,归一化辐射方向图,波束立体角,Main beam efficiency & Stray factor,波束宽度（beamwidth),半功率波束宽度 第一零点波束宽度,方向性系数（Directivity）,The directivity of an antenna in a given direction is the ratio of its normalized radiation pattern in that direction to the average value of its normalized radiation pattern.,最大方向性系数（maximum directivity),有效面积（Effective Area）,天线增益（Gain）,The gain of an antenna in a specified direction is defined as the ratio of the power density radiated by he subject to the power density radiated by a lossless isotropic antenna, provided both antennas are supplied with the same amount of power.,3、辐射源,电流源辐射 口面辐射标量积分近似 口面辐射矢量积分近似,4、短振子辐射,远场近似,辐射方向图,辐射电阻,方向性系数,5、长线天线,6、半波振子,L=l/2,7、口面辐射的标量积分近似,标量绕射积分 近区 Fresnel区 Fraunhofer区,标量绕射积分,Huygens原理 Each point on the wavefront of a light disturbance can be considered to be a new source of a secondary spherical wave; The wavefront at any other point in space can be found by constructing the envelope of the secondary wavelets. Fresnel-Kirchhoff 绕射积分,q1,q2,r,s,(r,q,f),近区,标量近似不适用,Fresnel区,距离口面尺度（LD),Fraunhofer区（远区）,8、