遥感物理基础1.pdf

同济大学 测量系 叶勤 第一章电磁波及遥感物理基础 1 电磁波和电磁波谱电磁波和电磁波谱 2 物体的发射辐射 电磁波辐射源物体的发射辐射 电磁波辐射源 黑体 太阳 一般物体 黑体 太阳 一般物体 3 物体的反射辐射物体的反射辐射 5 地物波谱特征及测定地物波谱特征及测定 主要介绍 主要介绍 4 大气对辐射的作用 辐射传输方程 大气对辐射的作用 辐射传输方程 一切物体因其种类 特征和环境条件的不同 而具有完全不同的电磁波反射与发 射辐射特性 遥感即建立在物体反射与发射电磁波的原理之上 一切物体因其种类 特征和环境条件的不同 而具有完全不同的电磁波反射与发 射辐射特性 遥感即建立在物体反射与发射电磁波的原理之上 同济大学 测量系 叶勤 1 1 电磁波和电磁波谱 1 1 1 电磁波电磁波 波 是振动在空间的传播 如声波 水波 地震波等 机械波 振动的是弹性媒质中质点的位移矢量 电磁波 电场矢量和磁场矢量在空间的传播 波 是振动在空间的传播 如声波 水波 地震波等 机械波 振动的是弹性媒质中质点的位移矢量 电磁波 电场矢量和磁场矢量在空间的传播 同济大学 测量系 叶勤 sin kxtA 波函数由振幅和位相组成 一般遥感器仅仅记录电磁 波的振幅信息 丢失位相信息 全息摄影中 同时记录了 振幅信息和相位信息 雷达遥感也要记录相位信息 波函数 波函数由振幅和位相组成 一般遥感器仅仅记录电磁 波的振幅信息 丢失位相信息 全息摄影中 同时记录了 振幅信息和相位信息 雷达遥感也要记录相位信息 波函数 同济大学 测量系 叶勤 电磁波方程组表示电磁波方程组表示 x H t E c x E t H c 1 不需要传播介质 2 横 波 3 波动性 4 粒子性1 不需要传播介质 2 横 波 3 波动性 4 粒子性 电磁波的特点和遥感意义电磁波的特点和遥感意义 5 叠加原理 6 相干性和非相干性 5 叠加原理 6 相干性和非相干性 7 衍射和偏振 遥感器的几何图象分辨率 波长越 长 偏振现象越显著 偏振摄影和雷达成像 8 多谱勒效应 合成孔径侧视雷达 衍射和偏振 遥感器的几何图象分辨率 波长越 长 偏振现象越显著 偏振摄影和雷达成像 8 多谱勒效应 合成孔径侧视雷达 同济大学 测量系 叶勤 hchvE hP 动量 动量 P 能量 能量 E h 普朗克常数 普朗克常数 6 6260755 10 34 J s c 光速 光速 v 频率频率 能量和动量是粒子属性 频率和波长是波动属性 可见光 红外线 微波和无线电波 紫外线和X射线Y射线 能量和动量是粒子属性 频率和波长是波动属性 可见光 红外线 微波和无线电波 紫外线和X射线Y射线 电磁波的粒子性电磁波的粒子性 同济大学 测量系 叶勤 电磁波的叠加原理电磁波的叠加原理 当两列波在同一空间传播时 空间 上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 当两列波在同一空间传播时 空间 上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 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 同济大学 测量系 叶勤 电磁波的衍射和偏振电磁波的衍射和偏振 电磁波遇到有限大小的障碍物时 能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播 把这种通过障碍物边缘 改变传播方向地现象 称为电磁波的衍射 电磁波遇到有限大小的障碍物时 能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播 把这种通过障碍物边缘 改变传播方向地现象 称为电磁波的衍射 设计遥感器地空间分辨 率具有重要意义 设计遥感器地空间分辨 率具有重要意义 也是进行一些遥感图像处理 如图像平滑等 的依据 最小分辨角 也是进行一些遥感图像处理 如图像平滑等 的依据 最小分辨角 d 22 10 d物镜的有效孔径 d为物镜有效通光孔径为物镜有效通光孔径 衍射光强度分 布 图 衍射光强度分 布 图1 2 同济大学 测量系 叶勤 电磁波遇到电磁波遇到 狭缝狭缝 的障碍物时 能够通过狭缝地 振动分量 称为电磁破的偏振 偏振光 非偏振光 部分偏振 的障碍物时 能够通过狭缝地 振动分量 称为电磁破的偏振 偏振光 非偏振光 部分偏振 同济大学 测量系 叶勤 电磁波的多普勒效应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 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合成孔径雷达的工作原理 同济大学 测量系 叶勤 1 1 2电磁波谱1 1 2电磁波谱 按照电磁波的波长 频率的大小 长短 依次排列支 撑的图表 成为电磁波谱 图1 3 按照电磁波的波长 频率的大小 长短 依次排列支 撑的图表 成为电磁波谱 图1 3 同济大学 测量系 叶勤 同济大学 测量系 叶勤 电磁波谱表电磁波谱表 1 1 小于小于10 6 m 射线 射线 10 6 10 3 mX射线射线 10 3 3 8 10 1 m紫外线紫外线 0 62 0 76 m 0 59 0 62 m 0 56 0 59 m 0 50 0 56 m 0 47 0 50 m 0 43 0 47 m 0 38 0 43 m 0 38 0 76 m 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 可 见 光 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 可 见 光 15 1000 m 6 15 m 3 6 m 0 76 3 m 0 76 1000 m 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 外 波 段 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 外 波 段 1mm 1m微波 大于 微波 大于3000m 10 3000m 1 10m 长波 中波和短波 超短波 波长波段 长波 中波和短波 超短波 波长波段 波长之比高达波长之比高达 1022倍以上 遥感采用的电 磁波波段可以 从紫外一直到 微波波段 倍以上 遥感采用的电 磁波波段可以 从紫外一直到 微波波段 电磁波的存在是 获取图像的物理 前提 电磁波的存在是 获取图像的物理 前提 同济大学 测量系 叶勤 1 1 21 1 2电磁波谱 续 电磁波谱 续 传播的方向性 穿透性 可见性 颜色不同 无线电波 电磁振荡 红外线 可见光 紫外线 传播的方向性 穿透性 可见性 颜色不同 无线电波 电磁振荡 红外线 可见光 紫外线 X射线等由分子 原子 核 子的运动状态的改变或能级跃迁 紫外线 射线等由分子 原子 核 子的运动状态的改变或能级跃迁 紫外线 0 01 0 4微米 碳酸盐 油污 可见光 微米 碳酸盐 油污 可见光 0 4 0 76微米 人眼 单色 全色 红外线 微米 人眼 单色 全色 红外线 0 76 1000微米 微 波 微米 微 波 1 1000毫米 毫米 4个优点 共性 传播速度相同 遵守相同的反射 折射 透射 吸收和散射定律 个优点 共性 传播速度相同 遵守相同的反射 折射 透射 吸收和散射定律 波长变大波长变大 同济大学 测量系 叶勤 不同种类的电磁波特性差别佷大不同种类的电磁波特性差别佷大 遥感技术中较多使用遥感技术中较多使用可见光可见光 红外和微波红外和微波 可见光呈自然彩色可见光呈自然彩色 人眼对其具有敏锐的分 辨能力 人眼对其具有敏锐的分 辨能力 是鉴别物质特征的主要波段是鉴别物质特征的主要波段 在遥感 技术中使用非常广泛 在遥感 技术中使用非常广泛 同济大学 测量系 叶勤 1 2 物体的发射辐射1 2 物体的发射辐射 电磁波辐射源电磁波辐射源 1 2 1 黑体辐射黑体辐射 黑体辐射定律黑体辐射定律 1 2 2太阳辐射太阳辐射 1 2 3一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 同济大学 测量系 叶勤 黑体 对任何波长的辐射 反射率和投射率都等于黑体 对任何波长的辐射 反射率和投射率都等于0 黑体是一种理想的吸收体 自然界没有真正的黑体 黑体是一种理想的吸收体 自然界没有真正的黑体 人工制造的接近黑体的吸收体人工制造的接近黑体的吸收体 1 2 1 黑体辐射黑体辐射 好的吸收体也是好的辐射 体 好的吸收体也是好的辐射 体 基尔霍夫基尔霍夫 同济大学 测量系 叶勤 1 黑体辐射的特性 黑体辐射定律 涉及的物理学上的三个公式 黑体辐射的特性 黑体辐射定律 涉及的物理学上的三个公式 普朗克公式普朗克公式 斯蒂芬 玻尔兹曼定律斯蒂芬 玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律 同济大学 测量系 叶勤 描述黑体辐射通量密度与温度 波长分布的关系 描述黑体辐射通量密度与温度 波长分布的关系 1 普朗克公式 普朗克公式 1 2 5 kThc 2 b e c h TM h 普朗克常数普朗克常数6 6260755 10 34W s2 k 玻尔兹曼常数 玻尔兹曼常数 k 1 380658 10 23 W s K K 1 1 c 光速光速 波长 波长 m T 绝对温度 绝对温度 K 同济大学 测量系 叶勤 黑体辐射的三个特 性 黑体辐射的三个特 性 1 辐射通量密度随 波长连续变化 只 有一个最大值 辐射通量密度随 波长连续变化 只 有一个最大值 2 随温度升高 辐 射最大值向短波方 向移动 随温度升高 辐 射最大值向短波方 向移动 3 温度越高 辐射 通量密度越大 不 同温度的曲线不相 交 图示普朗克公式 温度越高 辐射 通量密度越大 不 同温度的曲线不相 交 图示普朗克公式 同济大学 测量系 叶勤 2 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 斯蒂芬 玻尔兹曼定律 对普朗克定律在全波段内积分 得到斯蒂芬 玻尔兹曼 定律 辐射通量密度随温度增加而迅速增加 与温度的 对普朗克定律在全波段内积分 得到斯蒂芬 玻尔兹曼 定律 辐射通量密度随温度增加而迅速增加 与温度的4 次方成正比 次方成正比 T bW 4 斯蒂芬 玻尔兹曼常数 斯蒂芬 玻尔兹曼常数 5 6697 0 00297 10 12 Wcm 2K 4 红外装置测试温度的理论根据 红外装置测试温度的理论根据 同济大学 测量系 叶勤 3 维恩位移定律 维恩位移定律 bT max b 常数 常数 2897 8 0 4 m K 高温物体发射较短的电磁波 低温物体发射较长的电磁波 常温 如人体 高温物体发射较短的电磁波 低温物体发射较长的电磁波 常温 如人体300K左右 发射电磁波的峰值波长左右 发射电磁波的峰值波长9 66 m 针对要探测的目标 选择最佳的遥感波段和传感器 针对要探测的目标 选择最佳的遥感波段和传感器 同济大学 测量系 叶勤 1 2 2 太阳辐射源太阳辐射源 米波 连续 辐射 形状多 变 厚 度不 定 一 般太阳 直径的 米波 连续 辐射 形状多 变 厚 度不 定 一 般太阳 直径的 4 5倍 外 日冕 层 无线厘米 波 线 状 辐射 倍 外 日冕 层 无线厘米 波 线 状 辐射 7000 8000k m 中 色球 层 可见光和 红外 连续 辐射 中 色球 层 可见光和 红外 连续 辐射 300km 4300 7500 内 光球 层 辐射的光 谱 辐射 特点 厚度温度 位 置 太阳 大气 内 光球 层 辐射的光 谱 辐射 特点 厚度温度 位 置 太阳 大气 同济大学 测量系 叶勤 太阳辐射及其能量分布太阳辐射及其能量分布 1 5900K的黑体辐射 的黑体辐射 2 短波辐射 太阳辐射总能量的 短波辐射 太阳辐射总能量的46 集中于 集中于0 4 0 76um的可见光范围内 的可见光范围内 同济大学 测量系 叶勤 太阳常数 太阳常数 当太阳至地球的距离处于平均距离时 太阳辐 射到达地球大气层的上界的辐射通量密度 太阳常数 太阳常数 当太阳至地球的距离处于平均距离时 太阳辐 射到达地球大气层的上界的辐射通量密度 1 95W cm2 min 太阳光谱太阳光谱 同济大学 测量系 叶勤 图中描绘出了黑体在图中描绘出了黑体在6 000K时的辐射曲线 在大气层外接收 到的太阳辐照度曲线以及太阳辐射穿过大气层后在海平面接 收的太阳辐照度曲线 时的辐射曲线 在大气层外接收 到的太阳辐照度曲线以及太阳辐射穿过大气层后在海平面接 收的太阳辐照度曲线 同济大学 测量系 叶勤 被动遥感主要利用可见光 红外等稳定辐 射 太阳的活动对遥感的影响没有太大 影响可以忽略 被动遥感主要利用可见光 红外等稳定辐 射 太阳的活动对遥感的影响没有太大 影响可以忽略 由于地球大气对太阳辐射的吸收和散射 海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的 曲线有很大不同 这主要是 由于地球大气对太阳辐射的吸收和散射 海平面处的太阳辐照度曲线与大气层外的 曲线有很大不同 这主要是 同济大学 测量系 叶勤 1 2 3 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率 对于一般物体而言 需要引入发射率 热辐射率 比 辐射率 表明物体的发射本领 对于一般物体而言 需要引入发射率 热辐射率 比 辐射率 表明物体的发射本领 TM TM T b 非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值 发射率与物质种类 表面状态 温度等有关 还与波长有关 按照发射率 与波长的关系 辐射源可以分为 非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值 发射率与物质种类 表面状态 温度等有关 还与波长有关 按照发射率 与波长的关系 辐射源可以分为 1 黑体 黑体 2 灰体 灰体 3 选择性辐射体 选择性辐射体 如线谱 带谱如线谱 带谱 同济大学 测量系 叶勤 一般辐射体和发射率一般辐射体和发射率 同济大学 测量系 叶勤 地物发射光谱地物发射光谱 地物的发射率随波长变化的规律 称为地物的发射光 谱 地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据 地物的发射率随波长变化的规律 称为地物的发射光 谱 地物发射率的不同是红外遥感技术的重要依据 同济大学 测量系 叶勤 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 给定温度下 任何地物的辐射通量密度给定温度下 任何地物的辐射通量密度W与吸收率 之 比是常数 即等于同温度下黑体的辐射通量密度 与吸收率 之 比是常数 即等于同温度下黑体的辐射通量密度 TM TM T b 发射率等于吸收率 好的吸收体也是好的发射体 如果 不吸收某些波长的电磁波 也不发射该波长的电磁波 发射率等于吸收率 好的吸收体也是好的发射体 如果 不吸收某些波长的电磁波 也不发射该波长的电磁波 物体对电磁波不发生透射时 可以通过测定反射率来研究发射率物体对电磁波不发生透射时 可以通过测定反射率来研究发射率 同济大学 测量系 叶勤 1 2 4有关热传导理论有关热传导理论 地物热性能以及热传导理论是研究热红外 遥感的重要理论依据 地物热性能以及热传导理论是研究热红外 遥感的重要理论依据 热惯量的定义 热惯量的定义 同济大学 测量系 叶勤 1 2 5 大气对辐射的影响大气对辐射的影响 a 成分组成成分组成 1 地球大气的构成 地球大气的构成 同济大学 测量系 叶勤 b 大气分层结构大气分层结构 均匀层 对太阳辐射 的相互作用是太阳能 衰减的主要原因 均匀层 对太阳辐射 的相互作用是太阳能 衰减的主要原因 图图1 7大气的垂直分布大气的垂直分布 同济大学 测量系 叶勤 2 大气对太阳辐射的衰减 吸收 散射及反射作用 大气对太阳辐射的衰减 吸收 散射及反射作用 反射吸收散射反射吸收散射 e x E E 0 0 其中 太阳辐射通过的大气路程 与太阳高度角有关 衰减因子 大气对太阳辐射的吸收率和散射率 是电磁波波长 频率 的函数 其中 太阳辐射通过的大气路程 与太阳高度角有关 衰减因子 大气对太阳辐