遥感物理6.1.ppt

第六章热红外遥感 所有的物质 只要其温度超过绝对零度 就会不断发射红外能量 常温的地表物体发射的红外能量主要在大于3微米的中远红外区 是热辐射 热红外辐射不仅与物质的表面状态有关 而且是物质内部组成和温度的函数 在大气传输过程中 它能通过3 5微米和8 14微米两个窗口 热红外遥感就是利用星载或机载传感器收集 记录地物的这种热红外信息 并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数和温度 湿度和热惯量等 第六章热红外遥感 第一节热红外遥感概论第二节海面温度遥感第三节陆面温度遥感第四节热红外辐射方向性模型 第一节热红外遥感概论 6 1 1热辐射的基本定律6 1 2地物的红外光谱特性6 1 3热红外遥感系统6 1 4热红外遥感应用简介 6 1 1热辐射的基本定律 空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量 如果没有其它方式的能量交换 则一物体热状态的变化就决定于放射与吸收辐射能量的差值 当物体的辐射能量等于吸收的外来辐射能量 这时该物体处于热平衡状态 因而我们可以用一函数温度来描写它 热力学定律可以用于研究平衡辐射的吸收与放射的规律 一般来说 物体的辐射能量收支并不相等 物体处于非辐射平衡状态 但是如果辐射热交换过程相当的慢 以致物体中的内能的分布来得及变化均匀 并继续处于热平衡状态 那这时的辐射可视为具有准平衡性质 此时 物体的温度是在变化的 但每一给定的瞬时 物体的状态都可以看作是平衡的 仍可用一定的温度来描述它 地球大气中的辐射过程 一般认为在地面以上至60km的大气仍可视为处于局地辐射平衡状态 地表与大气耦合面能量交换过程复杂 一般在几个微米的表层内 处于非热平衡状态 基尔霍夫定律普朗克定律斯蒂芬 波尔兹曼定律维恩位移定律 基尔霍夫定律通过观察人们发现吸收率高的物质 发射本领也强 例如一块白底黑花纹瓷片 把它加温到一定程度 原来黑色花纹处有更强的射击辐射 不同温度下物体的吸收率与出射度之间没有确定的数量关系 但是在同一温度下 它们之间严格成正比例关系 这个规律称之为基尔霍夫定律 进一步表述为 在一定的温度下 任何物体的辐射出射与其吸收率的比值是一个普适函数 只是温度 波长的函数 与物体的性质无关 基尔霍夫定律表明 任何物体的辐射出射度和其吸收率之比都等于同一温度下的黑体辐射出射度 吸收率大的 其放射能力就强 黑体的吸收率等于1 其放射能力最大 我们只要知道一物体的吸收光谱 其辐射光谱也就立刻可以确定 通常我们把物体的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度的比值 称作物体的比辐射率 比辐射率等于吸收率 是物体发射本领的表征 基尔霍夫定律最初以实验定律提出 事实上它可以应用热力学原理导出 设想有若干物体被一个内壁全反射的腔所包围 内部抽成真空并与外界绝热根据热力学第一定律 物体之间只能通过热辐射进行能量交换 根据热平衡定律 最终腔体内的所有物体将处在同一温度之下 达到热平衡状态 处在热平衡状态下的空间辐射场的能谱密度函数应该是处处均匀 各向同性并具有相同的函数形式 否则该辐射场不可能与不同物体同处于平衡状态 由于物体处在热平衡状态 那么它们辐射收支应该平衡 在辐射场满足均匀 各向同性条件下 根据入照度与能谱密度函数之间的关系 应有 这就是基尔霍夫定律 前提条件 热平衡 局地热平衡 2 普朗克定律 绝对黑体的辐射光谱对于研究一切物体的辐射规律具有根本的意义 1900年普朗克引进量子概念 将辐射当做不连续的量子发射 成功地从理论上得出了与实验精确符合的绝对黑体辐射出射度随波长的分布函数 首先要介绍如何通过实验测得黑体辐射数据 其次如何从理论上去导出用与实验结果相符的黑体辐射公式 事实上 在自然界很难找到一个在所有波段上吸收率均为 1 的物体 不过我们可以制造一个人造的黑体 孔腔 腔体内壁涂上某种吸收材料 由于孔腔口的面积比腔体总面积小得多 所以一旦光线射进小孔后 再经腔体内壁多次反射后 射出小孔的概率几乎可以略去不计 故孔腔的小孔便成为一个名符其实的黑体 如果孔腔的温度可以被控制 用分光光谱仪对准小孔测量其光谱数据 便可获得不同温度下的黑体辐射光谱 分谱辐射通量密度 单位 波长 单位 m h 普朗克常数 6 6256 10 34J s c 光速3 108m s k 玻耳兹曼常数 1 38 10 23J K T 绝对温度K 正确的黑体辐射公式是由普朗克于1900年导出的 其工作基础是维恩公式与瑞利 琴斯公式 3 斯忒藩 玻耳兹曼定律1879年斯蒂芬由实验发现 绝对黑体的积分辐射能力与其温度的4次方成正比 1884年 波尔兹曼由热力学理论得出了这个公式 8 4 维恩位移定律1893年维恩从热力学理论导出黑体辐射光谱的极大值对应的波长 温度愈高 峰值波长愈小 对于6000K黑体 对应蓝色光 对于300K的黑体 下表列出了不同温度所对应的峰值波长 地球环境的代表性温度为300K 它对应的峰值波长接近10微米 正处在热红外大气窗口区内 地物的热辐射谱是很宽的 虽然其重要能量集中在热红外波段 对微波波段而言 其能量已下降了许多数量级 然而微波传感器的测量敏度高于热红外光谱仪 补偿了能量不足的缺点 使利用微波辐射计接收来自目标的微波波段热辐射噪声同样可以达到测量目标温度之目的 所以从性质上讲热红外遥感与微波被动遥感是一致的 其目的也是相同的 但由于微波与地物相互作用机理有别于热红外辐射与地物的相互作用机理 故它们之间也存在着差距 太阳辐射可以用6000K的黑体辐射去近似 对于中红外波段窗区 3 5 4 0 白天地表反射太阳辐射的中红外波段的温度在数量级上与地物自身发射的中红外波段热辐射相当 要从传感器所接受的辐射能量中将这两部加以区分 目前还是一个困难的任务 因此白天中红外波段应用比较复杂 6 1 2地物的红外光谱特性 1 亮度温度在热辐射的测量与应用理论中 亮度温度 是一个被广泛应用的物理名词 其定义为 当一个物体的辐射亮度与某一黑体的辐射亮度相等时 该黑体的物理温度就被称之为该物体的 亮度温度 所以亮度温度具有温度的量纲 但是不具有温度的物理含义 它是一个物体辐射亮度的代表名词 2 比辐射率的定义人们借助比辐射率的概念对大量存在的非黑体目标的热辐射特性进行研究 比辐射率的定义为 该物体的出射度与同温度的黑体出射度之比 此处为黑体出射度 3 地球表层热辐射场的特点太阳是地球表层的主要能量来源 太阳辐射可以用6000K的黑体辐射近似 它的辐射能峰值所对应的波长在0 5 0 55微米波段范围内 大气透明窗口为地球上的所有物体吸收太阳短波辐射创造了前提条件 而地球表层的代表性温度为300K 其辐射能峰所对应的波长约为10微米 正好位于大气热红外窗区 这为地表以长波辐射的形式向太空散射自射的热量创造了条件 装置在星体上的辐射平衡测量仪 经长时间的测量表明被地球表层系统所吸收的短波辐射能量 大体上与地球自身以长波辐射的形式向太空散发的能量相当 这一事实确当地说明了地球环境温度相对稳定的缘由 4 根据发射本领的变化规律 把物体一般分为三种类型 黑体灰体 greybody 发射率与波长无关的物体选择性辐射体 发射率依波长而变化的物体 5 黑体辐射的特点黑体是指入射的全部电磁波被完全吸收 既无反射也没有透射的物体 根据基尔霍夫的辐射定律 kirchhoff slawofradiation 处于热力学平衡状态的物体所发射的能量与吸收的能量之比与物体本身无关 仅与波长和温度有关 所以 黑体是在一定温度下 比其它任何物体的辐射能量都要大的物体 也叫完全辐射体 黑体辐射 blackbodyradiation 是指黑体的热辐射 它是在一切方向上都均等的辐射 其辐射亮度是温度和波长的函数 用普朗克的辐射定律 plank slawofradiation 表示 黑体辐射的三个特性 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 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 分谱辐射通量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移动 6 一般地物的发射辐射 灰体 在遥感中 当观测热辐射的温度时 由于通常观测的物体不是黑体 所以必须使用发射率 emissity 进行修正 发射率随物质的介电常数 表面的粗糙度 温度 波长 观测方向等条件变化 取0到1之间的值 自然界中的物体 一般都可近似地看作灰体 上式被称为一般物体的斯忒藩 玻耳兹曼定律 7 一般地物的发射辐射 选择性辐射体 若辐射源是火焰或气体中的电气放电 则光谱分布曲线是不连续的 此时辐射集中在狭窄的光谱区间 用高分辨率的单色仪可以发现这些区间十分狭窄陡峭 像一条线 故这种分布称为线谱 另外光谱也可以由狭窄的线带组成 这种情况称为带谱 具有线谱和带谱的辐射源称为选择性辐射源 波长 选择性辐射体 辐射通量 地物红外波谱特性测量 不同粒径SiO2沙子的发射率光谱 8 地物红外辐射特性相关的测量试验 地表热红外辐射方向性观测试验 2001 04 2108 00 2001 04 2110 00 2001 04 2112 00 2001 04 2114 00 2001 04 2116 00 2001 04 2118 00 2001 04 2120 00 2001 04 2200 00 HotSpot Centervariesassolarviewangle 冬小麦方向性亮度温度分布昼夜变化 中红外波段 热红外波段 热像仪观测地表组分温度分布 地表组分温度观测 红外辐射计 点温计 小气候参数观测试验 辐射 波文比 地温 地表热通量 二氧化碳 水汽通量 IRSA CAS BrightnessTemperature 1cm 5cm 10cm LongwaveRadiationEquivalenttemperature TemperatureIncreasing TemperatureDecreasing TheSkineffectofLandSurfaceTemperature 地表温度的昼夜变化测量试验 6 1 3热红外遥感系统 热红外遥感在海面温度 陆面温度 大气温度 大气水汽 云顶温度的遥测中具有无可替代的地位 热红外遥感传感器的发展十分迅速 现在使用和即将投入使用的热红外传感器达几十种之多 我们把主要的热红外传感器的有关信息列于下表 现在及将来地球观测计划红外传感器概览 星载部分 现在及将来地球观测计划红外传感器概览 星载部分 主要的航空成像红外光谱仪 波段可见光 近红外 热红外图象象元1024 1024 可见和近红外波段 320 240 热红外波段 瞬时视场0 5毫弧度 可见光 近红外 1毫弧度 热红外 总视场30 NE 0 5 NE T0 2K观测角度 45度范围内9个角度地面分辨率2 0米 可见和近红外波段 飞行高度4000m时 4 0米 热红外波段 飞行高度4000m时 我国自行研制的机载多角度红外成像仪 哈尔滨平房机场多角度观测图像 平房机场热红外像 IRSA CAS 地球表面热量平衡示意图 地球放射 大气 云 放射 显热 潜热 分子热传导 反射大气下行辐射 大气放射 地表温度是地球表面与大气相互作用过程中的一个动态的热平衡参量 它综合了地表与大气之间能量交换的全部结果 直接通过大气到达地表 6 1 4热外遥感应用 IRSA CAS 热红外遥感是一种重要的对地观测手段地表温度与海面温度 热红外遥感在环境动态监测中具有宏观 动态的优点 如农作物旱情遥感监测 全球环境变化和中长期天气预报研究 热红外遥感信息机理研究是遥感定量化的关键环节 与海面温度相比 陆面温度由于地表的复杂性面临更多的困难 遥感反演大气水汽 温度廓线 IRSA CAS 土壤热特性的综合度量 热惯量 土壤与周围环境能量交换能力的量度 遥感定量反演土壤表层热惯量模型土壤热传导方程 边界条件 对Price表观热惯量模型的发展