遥感概论2-1.ppt

1、第二章 遥感物理基础,第一节 电磁波的基本理论,第二章 遥感物理基础 遥感的基础 w 利用收集到的电磁波来判断地物目标和自 然现象。 w 一切物体由于其种类、特征和环境条件的不 同，具有完全不同的电磁波反射或发射、辐射 特征。 w 遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波 的原理之上的。,第一节 电磁波的理论基础,电磁波与电磁波谱 电磁辐射的基本术语 电磁辐射定律,一、电磁波与电磁波谱,电磁波的定义：电磁振荡在空间的传播。 电磁波产生的机制：电子的能级跃迁、电荷加速、放射性衰变、分子热运动等。,电磁波的特性：,波动性：,三个基本属性：波长、频率、振幅。,波长和频率代表了电磁波的周期特性，是划分

2、电磁波种类的依据。,波长和频率之间的关系：,电磁波的相干性,概念：满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，另一些区域则始终减弱，即，干涉区域内振动强度有稳定的空间分布。,亮处：振动加强；,暗处：振动减弱；,相干波在遥感领域的应用,激光测距：利用相干原理进行测距，理论上的测量精度可以达到光波的半个波长的精度，即微米级； 干涉雷达：利用光的相干原理，差分干涉雷达可以测量地面微小起伏，理论精度可以达到微米级，可应用于监测城市地面沉降速度；,光波的衍射,概念：一束光通过一定大小（与光波的波长接近）的物体或者缝隙时，偏离直线路径的现象称为光的衍射。 衍射与干涉的联系：衍射实

3、际上是干涉的一种特殊形式。,红光单缝衍射示意图,光的偏振性,概念：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振。 偏振是横波的特有性质。 自然光是各个方向偏振光的混合，因而在各个方向上是均匀的。 雷达遥感中利用微波的偏振状态的变化可以获取地表介电信息，如：水分含量、物质组成等。,非偏振,偏振性,光的粒子性,电磁波是由大量的光子微粒组成的，微粒数目多时，体现出波动性，微粒数目少时，体现出粒子性，从量子力学的观点来看，电磁波实际上是一种概率波，代表了光子微粒的分布概率。 光的粒子性验证：爱因斯坦的光电效应方程、康普顿效应（光子散射）。 光同时具有粒子和波动的两重特性-波粒二象性（德布罗意）。,电磁波谱,

4、把不同波长或频率的电磁波按顺序排列，就组成了电磁波谱。,二、电磁辐射的基本术语,辐射能量 辐射通量 辐射通量密度 立体角 辐射强度 辐射照度 辐射出射度 辐射亮度,辐射能量Q,电磁辐射是具有能量的，它表现在： 使被辐照的物体温度升高 改变物体的内部状态 使带电物体受力而运动 ,辐射能量（Q）的单位是焦耳（J）,辐射通量 (radiant flux) ,在单位时间内通过的辐射能量称为辐射通量： =dQ/ dt,辐射通量（）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）,辐射通量密度 (irradiance) E、 辐射出射度(radiant exitance) M,单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度。自

5、放射面射出的辐射通量密度为辐射度（辐出度， radiant exitance）；也称辐照度；到达接收面上的辐射通量密度称为辐照度（ irradiance）： E=d / dA M=d / dA,辐射通量密度的单位是瓦/米（W/m）,辐射强度 (radiant intensity) I,辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，指在某一方向上单位立体角内的辐射通量： I=d / d ,辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）,辐射亮度 (radiance) L,单位面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度： L= / A ,辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米微米球面度（W/m m Sr）,

6、小结,辐 射 度 量 一 览 表,基本辐射量总结：,表征辐射的物理量很多：能量、通量、密度、强度、亮度，以及谱（分谱）,需要注意的是： 文献中的称谓不尽相同，关键看单位 最重要的是密度（辐照度）和亮度 凡是涉及面积的都要注意使用法向面积，即cos,三、电磁辐射定律,普朗克辐射定律； 斯特藩-波尔兹曼定律； 维恩位移定律； 基尔霍夫定律；,热辐射的概念,热辐射 自然界中一切物体。当温度高于绝对零度（-273）时，都会不断向四周空间辐射电磁波，这种现象称为热辐射。 热辐射能量的大小及波长分布取决于物体本身的温度。 吸收系数：物体吸收能量与入射总能量之比。,绝对黑体：任何温度、频率和波长条件下吸收系

7、数恒等于1 的物体称为“绝对黑体”，简称黑体。,任何温度、频率和波长条件下吸收系数恒等于1 的物体称为“绝对黑体”，简称黑体。 对于黑体，有：,黑体的概念,显然，黑体的反射率和透射率均为0：,灰体：各波长吸收率近似为一小于1的常数的物体,3.1 普朗克辐射定律,绝对黑体在波长为 ，绝对温度为T时的辐射通量密度为,式中：C3 1010 cm /秒，光速；h6.625610-34瓦.秒2，普适恒量；K1.38 10-23瓦.秒.K-,玻尔兹曼常数；波长；T绝对温度;,普朗克量子假说,物体中分子、原子等的振动可视作带电的线性谐振子。这些谐振子只能存在于一些分离的状态中 这些分离的状态所对应的能量是不

8、连续的，其相应的参量是某一最小能量的整数倍。 辐射或吸收参量时，振子从这些状中之一跃迁到另一个状态。 所以能量是不连续的，存在着最小单元（能量子hv)物体发射或吸收能量必须是小单元的整数倍，且是一份一份不连续的方式进行的。,3.2 史蒂芬玻尔兹曼公式,对普朗克公积分得：,式中：0(T) 绝对温度时，黑体单位时间和单位面积上发出的总辐射能; =（5.6697 ,为史蒂芬玻尔兹曼常数;T绝对温度.,上式可见：绝对黑体表面上，单位面积发出的总辐射能与绝对温度的四次方成正比，对于一般物体可用上式概略推算出总辐射能与绝对温度的关系,3.3 维恩位移定律,对普朗克公式微分后求极大植，即得出黑体后最大辐射能的波长（ m ）与其对应绝对温度（T）的关系式为:,上式说明：黑体的绝对温度增高时，它辐射能最大的波段向短波方向移动。据此可对特定的目标选择红外遥感的最佳波段。,3.4 基尔霍夫定律,基尔霍夫发现：任何物体在任一给定的温度和波长条件下，它的辐射通量密度和吸收系数之比是一个常数，并且等于同一温度波长下，绝对黑体的辐射通量密度。,一个好的吸收体也是一个好的发射体。 温度相同的两物体，对于某波长的的辐射，如果甲比乙吸收得多，则甲比乙发射得也多 物体不吸收某波长的辐射，也就不发射该波长的辐射 一般物体的热辐射出射度小于同