遥感电磁辐射基础.

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1、第二章 遥感电磁辐射基础2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波谱与黑体辐射2.2 太阳辐射和地球辐射太阳辐射和地球辐射2.3 地球大气及其对太阳辐射的影响地球大气及其对太阳辐射的影响2.4 地面物体反射光谱地面物体反射光谱2.1 电磁波谱与黑体辐射电磁波和电磁波谱 电磁波：电磁波：变化的电场和磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播的过程称为电磁波。包括射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等。 电磁波的产生：当电磁振荡进入空间时，变化的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波。电磁波的性质1.不需要传播介质2.横波：质点振动方向与波的传播方向垂直3.波动性：波动性

2、：电磁波传播到气体、液体、固体介质时，会发生反折射、吸收、透射等现象4.粒子性：粒子性：传播过程中，若碰到会发生散射现象，从而引起电磁波的强度、方向等发生改变。5.叠加原理：两列以上的波在同一空间传播时，空间质点的振动表现为各单列波质点振动的矢量合成。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）电磁波谱 按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排列制成的图表，称为电磁波谱。电磁波谱区段的界限是渐变的，一般按产生电磁波的方法或测量电磁波的方法来划分。 遥感采用的电磁波波段可以从紫外一直到微波波段紫外一

3、直到微波波段。遥感传感器就是在通过探测或感测不同波段的电磁波谱的发射、反射辐射能级而成像的，可以说电磁波的存在是获取图像的物理前提。电磁辐射的有关概念辐射源辐射源：能够向外辐射电磁波的物体。任何物体都能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外辐射电磁波。太阳辐射：可见光及近红外遥感的重要辐射源自然辐射源地球电磁辐射：远红外遥感的辐射源人工辐射源 人为发射，如雷达（微波雷达辐射源，激光雷达辐射源）基本物理名词：辐射能量（基本物理名词：辐射能量（Q）、辐射通量（辐射功率，）、辐射通量（辐射功率，）、辐射出射度）、辐射出射度（辐射通量密度（辐射通量密度W）、辐射照度（）、辐射照度（E）、辐射强度（）、辐

4、射强度（I）、辐射亮度）、辐射亮度(L)辐射能量辐射能量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（辐射能量（Q）的单位是焦耳（）的单位是焦耳（J）辐射通量辐射通量 (radiant flux) 单位时间内通过某一表面的辐射能量： = Q/ t 辐射通量（辐射通量（）的）的单位是瓦特单位是瓦特=焦耳焦耳/秒（秒（W=J/S）辐射通量密度辐射通量密度 (irradiance) E、(radiant exitance) M 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度： E辐照度辐照度= / A M辐射出射度辐射出射度= / A辐射通量密度

5、辐射通量密度的的单位是瓦单位是瓦/米米（W/m）法向法向辐射出射度（辐射出射度（M）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上向半球空间（2立体角）内发射的辐射能量。即物体单位面积上发出的辐射通量。辐照度辐照度（E）：）：面辐射源在单位时间内，从单位面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射通量。 在光学遥感中，有以下的辐照度参数： 大气层外太阳辐照度（F0） 地表入射辐照度（Es） 天空漫反射辐照度（Edif） 太阳直射辐照度（Edir）辐射强度辐射强度 (radiant intensity) I 辐射强度是描述点辐射源的辐射特性的，是指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐

6、射能量。即点辐射源在单位立体角内发出的辐射通量：I= / 辐射强度（辐射强度（I）的）的单位是瓦单位是瓦/球面度（球面度（W/Sr）=A/R 定义立体角为曲面上面积微元定义立体角为曲面上面积微元ds与与其矢量半径的二次方的比值。其矢量半径的二次方的比值。辐射亮度辐射亮度 (radiance) L 一般辐亮度是描述面辐射源的辐射特性的，是指面辐射源在单位立体角、单位时间内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量： L= 2 / A cos 辐射亮度（辐射亮度（L）的）的单位是瓦单位是瓦 / 米米球面度（球面度（W/mSr）辐射亮度辐射亮度

7、 (radiance) L 通常人们更多的使用如下的定义：单位投影面积、单位波长、单位立体角内的辐射通量称为辐射亮度：L= 3 / A cos 这时辐射亮度（这时辐射亮度（L）的）的单位是瓦单位是瓦 / 米米微米微米球面度（球面度（W/mmSr） 当辐射源的面元非常小时，可以看做一个点，这时的辐亮度与辐射强度具有如下的关系：I=L A cos立体角立体角：球半径为r的球面被一个圆锥所截取的球面表面积与球半径的平方的比，单位为球面度sr（steradian ）。2()Asrr 球、半球的立体角？立体角经常用极坐标下的天顶角和方位角来表示。一个立体角的微分可以表示为：22d( d )( sin d

8、 )dsin d d =d dArrrr 其中， 天顶角的范围0180，也可以是090（上半球），或者是90180（下半球）。方位角的范围0360。cos分谱辐射通量分谱辐射通量 辐射通量是波长的函数，单位波长间隔内的辐射通量称为分谱辐射通量： = / 1- 2间隔内的 (1- 2)? 总辐射通量 ？分谱辐射通量分谱辐射通量的的单位是瓦单位是瓦/微米（微米（W/m）分谱？分谱？分谱辐射通量分谱辐照度、分谱辐射出射度分谱辐射强度“分谱”两字可以忽略小小 结结辐辐 射射 度度 量量 一一 览览 表表辐射量辐射量符号符号定义定义单位单位辐射能量辐射能量Q焦耳焦耳(J)辐射通量辐射通量 (2) Q/

9、t( )瓦瓦(W)辐照度辐照度E (2) / A ( )瓦瓦/米米(W/m)辐射出射度辐射出射度M (2) / A ( )瓦瓦/米米(W/m)辐射强度辐射强度I (2) / ( )瓦瓦/球面度球面度(W/Sr)辐射亮度辐射亮度L 2(3) / A ( ) 瓦瓦/米米球面度球面度(W/m Sr)基本辐射量总结：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辐射测量的基本定律A面积上的辐射通量=I，点源向A所张的立体角。这时辐照度可表示

10、为：22/(/)(/)(cos/)/cos/EAAIArAIr 物体的发射辐射黑体辐射 1860年，基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体这一定律。它说明了凡是吸收热辐射能力强的物体，它们的热发射能力也强；凡是吸收热辐射能力弱的物体，它们的热发射能力也就弱。 绝对黑体绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收。入射的电磁波全部被吸收，没有反射和透射的物体称为黑体。( , )( , )BMTMT 不透明的物体：对入射到它上面的电磁波只有吸收和反射作用，吸收率（，T）+反射率（，T）=1。 一般物体：系数都与波长和温度有关。 绝对黑体： 吸收率（，T） 1，反射率（，T）0； 绝对白体

11、： 反射率（,T）1，吸收率（，T）0，与温度和波长无关。 1900年普朗克用量子理论概念推导黑体辐射通量密度M（，T）和其温度的关系以及按波长分布的辐射定律： 该公式描述了黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。其中， h: 普朗克常数，h=6.626075510-34 Ws2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.38065810-23 WsK-1 c: 光速 : 波长（m） T: 绝对温度（K）普朗克公式25/21( , )1ch k ThcMTe黑体辐射波谱曲线变化特点：(1) 辐射通量密度随波长连续变化，只有一个最大值；(2) 温度越高，辐射通量密度越大，不同温度的曲线不相交；(3) 随温度升