北航-微波遥感理论与技术基础3

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,第三章：电磁波的基本参数及其应用电磁波的基本参数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。,SolidAngle：Theanglethat,seenfromthecenterofasphere,includesagivenareaonthesurfaceofthatsphere.Thevalueofthesolidangleisnumericallyequaltothesizeofthatareadividedbythesquareoftheradiusofthesphere.,Theshapeoftheareadoesntmatteratall.Anyshapeonthesurfaceofthespherethatholdsthesameareawilldefineasolidangleofthesamesize.Thesolidangleisthequantitativeaspectoftheconicalsliceofspace,thathasthecenterofthesphereasitspeak,theareaonthesurfaceofthesphereasoneofitssphericalcrosssections,andextendstoinfinity.Themaximumsolidangleis12.57,correspondingtothefullareaoftheunitsphere,whichis4*Pi.StandardunitofasolidangleistheSteradian(sr).(Mathematically,thesolidangleisunitless,butforpracticalreasons,thesteradianisassigned.),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（EnergyDensity）,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（EnergyDensity）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（RadiantFlux）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（PowerDensity）,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，radiantintensity，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（SpectralBrightness）,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（SpectralPower）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（SpectralFluxDensity）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,Ablackbodyisdefinedasanidealized,perfectlyopaquematerialthatabsorbsalltheincidentradiationatallfrequencies,reflectingnone.Itisatheoreticalobjectthatabsorbs100%oftheradiationthathitsit.Itreflectsnoradiationandappearsperfectlyblack.,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（blackbody）：ef=Af=1灰体（greybody）：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AnANTENNAmaybedefinedastheregionoftransitionbetweenandelectromagneticwavepropagationinfreespaceandaguidedwavepropagationinatransmissionline,orvicevesa.Itactsasacouplerbetweentwomedia.,IsotropicantennaAhypotheticalantennathatradiatesequallyinalldirections.DuetothevectornatureofEMfields,isotropicantennadoesnotexist.Allrealantennahasadirectionalantennaradiationpattern,whichisthedirectionalfunctiondescribingtherelativedistributionofradiationenergy.,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,MainbeamefficiencyThewavefrontatanyotherpointinspacecanbefoundbyconstructingtheenvelopeofthesecondarywavelets.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、Fourier变换关系,9、天线极化,天线的极化对应于口面场的极化方向。,10、均匀照射的矩形口面,11、均匀照射的圆