電磁波及其物理基礎(chǔ)

電磁波及其物理基礎(chǔ)第一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)電磁波與電磁波譜電磁波及其特性電磁波譜電磁輻射源第二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一一、電磁波及其特性波的概念：波是振動在空間的傳播。機(jī)械波：聲波、水波和地震波電磁波（ElectroMagneticSpectrum)由振源發(fā)出的電磁振蕩在空氣中傳播。演示第三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一電磁波是通過電場和磁場之間相互聯(lián)系傳播的：原理電磁輻射:這種電磁能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、反射和透射）稱為電磁輻射。第四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一電磁波的特性電磁波是橫波在真空中以光速傳播電磁波具有波粒二象性：電磁波在傳播過程中，主要表現(xiàn)為波動性；在與物質(zhì)相互作用時(shí)，主要表現(xiàn)為粒子性，這就是電磁波的波粒二象性。波動性：電磁波是以波動的形式在空間傳播的，因此具有波動性粒子性：它是由密集的光子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動。電磁波的粒子性，使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性第五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一波粒二象性的程度與電磁波的波長有關(guān)：波長愈短，輻射的粒子性愈明顯；波長愈長，輻射的波動特性愈明顯。第六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一二、電磁波譜電磁波譜：將各種電磁波在真空中的波長按其長短，依次排列制成的圖表。

在電磁波譜中，波長最長的是無線電波，其按波長可分為長波、中波、短波和微波。波長最短的是γ射線

電磁波的波長不同，是因?yàn)楫a(chǎn)生它的波源不同。2、遙感常用的電磁波波段的特性第七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一TheElectromagneticSpectrumMorethanmeetstheeye!第八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一ExamplesfromSpace!第九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一WavelengthThedistancefromonewavecresttothenextRadiowaveshavelongestwavelengthandGammarayshaveshortest!第十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一WavelengthUnitsMetersMorecommonlyinnanometers(1nm=10-9

meters)AngstromsstillusedNamedforSwedishAstronomerwhofirstnamedthesewavelengths1nanometer=10Ao第十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一Speedoflight=wavelength(l)xfrequency

=3x108m/sinvacuumWavenumber=1/wavelength(cm-1)FrequencyinGHz(1Hz=sec–1)LanguageoftheEnergyCycle:

TheElectromagneticSpectrumEnergyWavelengthl第十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一SolarSpectrum=Shortwavespectrum=visiblespectrum:

Sunat6000K;peakemissionat0.5mm第十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一EarthSpectrumIncomingfromSun:Highenergy,shortwavelengthOutgoingfromEarthLowenergyLongwavelength0.5mm10mm20mm第十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一ElectromagneticSpectrumHighenergyShortwavelength/highfrequencyEmittedathighTSunEarth第十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一紫外線(UV)：0.01-0.4μm，碳酸鹽巖分布、水面油污染?？梢姽猓?.4-0.76μm，鑒別物質(zhì)特征的主要波段；是遙感最常用的波段。紅外線(IR)

：0.76-1000μm。近紅外0.76-3.0μm’中紅外3.0-6.0μm；遠(yuǎn)紅外6.0-15.0μm；超遠(yuǎn)紅外15-1000μm。（近紅外又稱光紅外或反射紅外；中紅外和遠(yuǎn)紅外又稱熱紅外。微波：1mm-1m。全天候遙感；有主動與被動之分；具有穿透能力；發(fā)展?jié)摿Υ蟆?、遙感常用的電磁波波段的特性第十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一三、電磁輻射源自然輻射源太陽輻射：是可見光和近紅外的主要輻射源；常用5900的黑體輻射來模擬；其輻射波長范圍極大；輻射能量集中-短波輻射。大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射。地球的電磁輻射：小于3μm的波長主要是太陽輻射的能量；大于6μm的波長，主要是地物本身的熱輻射；3-6μm之間，太陽和地球的熱輻射都要考慮。太陽常數(shù)：指不受大氣影響，在距離太陽一個(gè)天文單位內(nèi)，垂直于太陽輻射的方向上，單位面積單位時(shí)間黑體所接收的太陽輻射能量第十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一太陽輻射第十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一太陽輻射照度分布曲線第二十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一太陽與地球輻射的電磁波譜第二十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一人工輻射源：主動式遙感的輻射源。雷達(dá)探測。分為微波雷達(dá)和激光雷達(dá)。微波輻射源：0.8-30cm激光輻射源：激光雷達(dá)—測定衛(wèi)星的位置、高度、速度、測量地形等。第二十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一

地球輻射的分段特性第二十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第二十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第二十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)地物的光譜特性

任何地物都有自身的電磁輻射規(guī)律，如反射、發(fā)射、吸收電磁波的特性。少數(shù)還有透射電磁波的特性。地物的這種特性稱為：地物的光譜特性。第二十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一地物的反射率、吸收率和透射率對于某波段反射率高的地物，其吸收率就低，即為弱輻射體；反之，吸收率高的地物，其反射率就低。地物的反射類型鏡面反射漫反射方向反射一、地物的反射光譜特性第二十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第二十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一地物的反射率（反射系數(shù)或亮度系數(shù)）：地物對某一波段的反射能量與入射總能量之比。反射率隨入射波長而變化。影響地物反射率大小的因素：入射電磁波的波長入射角的大小地表顏色與粗糙度第二十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第三十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一地物的反射光譜：地物的反射率隨入射波長變化的規(guī)律。地物反射光譜曲線：根據(jù)地物反射率與波長之間的關(guān)系而繪成的曲線。地物電磁波光譜特征的差異是遙感識別地物性質(zhì)的基本原理。不同地物在不同波段反射率存在差異：雪、沙漠、濕地、小麥的光譜曲線第三十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第三十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一土壤的光譜曲線第三十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一水體的光譜曲線第三十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一巖石的光譜曲線第三十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一常見地物的光譜曲線比較第三十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一常見地物的光譜曲線比較第三十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一傳感器探測波段的設(shè)計(jì)，是通過分析比較地物光譜數(shù)據(jù)而確定的。多光譜掃描儀（MSS）的波段設(shè)計(jì)：

MSS1(0.5-0.6μm)MSS2(0.6-0.7μm)MSS3(0.7-0.8μm)MSS4(0.8-1.1μm)第三十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一同類地物的反射光譜具有相似性，但也有差異性。不同植物；植物病蟲害地物的光譜特性具有時(shí)間特性和空間特性。時(shí)間特性空間特性第三十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一不同植物光譜曲線比較第四十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一植被的病蟲害第四十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一時(shí)間特征第四十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一影響地物光譜反射率變化的因素

太陽位置傳感器的位置地理位置地形季節(jié)氣候變化地面溫度變化地物本身的變異大氣狀況第四十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一

地物發(fā)射電磁波的能力以發(fā)射率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；地物的發(fā)射率是以黑體輻射作為參照標(biāo)準(zhǔn)。黑體：在任何溫度下，對各種波長的電磁輻射的吸收系數(shù)等于1（100%）的物體。黑體輻射(BlackBodyRadiation)：黑體的熱輻射稱為黑體輻射。二、地物的發(fā)射光譜特性第四十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一1.

PowerSource:BlackbodyRadiation

Planck’sLaw:TheamountandspectrumofradiationemittedbyablackbodyisuniquelydeterminedbyitstemperatureMaxPlanck(1858–1947)NobelPrize1918Emissionfromwarmbodiespeakatshortwavelengthswavelength620K380K第四十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一3、黑體輻射定律(1)朗克熱輻射定律表示出了黑體輻射通量密度與溫度的關(guān)系以及按波長分布的規(guī)律。第四十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一黑體輻射的三個(gè)特性

輻射通量密度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個(gè)最大值。溫度越高，輻射通量密度越大，不同溫度的曲線不同。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長向短波方向移動。第四十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一

(2)玻耳茲曼定律

Stefan-Boltzmann'slaw

即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。第四十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一溫度3005001000200030004000500060007000波長9。665。802。901。450。970。720。580。480。41(3)維恩位移定律：Wien'sdisplacementlaw

隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。第四十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一4、地物的發(fā)射率和基爾霍夫定律發(fā)射率(Emissivity)：地物的輻射功率（單位面積上發(fā)出的輻射總通量）W與同溫下的黑體輻射功率W黑的比值。它也是遙感探測的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。影響地物發(fā)射率的因素：

地物的性質(zhì)、表面狀況、溫度（比熱、熱慣量）：比熱大、熱慣量大，以及具有保溫作用的地物，一般發(fā)射率大，反之發(fā)射率就小。第五十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一按照發(fā)射率與波長的關(guān)系，把地物分為：黑體或絕對黑體：發(fā)射率為1，常數(shù)?；殷w(greybody)：發(fā)射率小于1，常數(shù)選擇性輻射體：反射率小于1，且隨波長而變化。第五十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物輻射通量密度W和吸收率之比，對于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下黑體輻射通量W黑。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。第五十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一5、黑體的微波輻射

任何物體在一定的溫度下，不僅向外發(fā)射紅外輻射，也發(fā)射微波輻射。二者基本相似。但微波是地物低溫狀態(tài)下的重要輻射特性，溫度越低，微波輻射越明顯。微波輻射比紅外輻射弱得多，但技術(shù)上可以經(jīng)過處理來接收。第五十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一瑞里—金斯公式黑體輻射的微波功率與溫度成正比，與波長的平方成反比。

微波波段與紅外波段發(fā)射率的比較：不同地物之間微波發(fā)射率的差異比紅外發(fā)射率要明顯得多，因此，在可見光和紅外波段中不易識別的地物，在微波波段中則容易識別。（表2-6）第五十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第五十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一6、地物的發(fā)射光譜發(fā)射光譜：地物的發(fā)射率隨波長變化的規(guī)律。發(fā)射光譜曲線：按照發(fā)射率和波長之間的關(guān)系繪成的曲線。巖石的發(fā)射光譜分析第五十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一透射率：入射光透射過地物的能量與入射總能量的百分比。透射率隨著電磁波的波長和地物的性質(zhì)而不同?？梢姽?、紅外、微波的透射能力。三、地物的透射光譜特性第五十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一地物波譜特性1定義：指各種地物各自所具有的電磁波特性，也叫地物光譜，包括發(fā)射輻射或者反射輻射2作用：

1）選擇遙感波普段、設(shè)計(jì)傳感器的依據(jù)

2）選擇合適的飛行時(shí)間的基礎(chǔ)資料

3）有效的進(jìn)行遙感圖像數(shù)字處理的前提第五十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)大氣和環(huán)境對遙感的影響大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣對太陽輻射的影響大氣窗口環(huán)境對地物光譜特性的影響第五十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一一、大氣的成分大氣的傳輸特性：大氣對電磁波的吸收、散射和透射的特性。這種特性與波長和大氣的成分有關(guān)。大氣的成分：多種氣體、固態(tài)和液態(tài)懸浮的微?；旌辖M成的。大氣物質(zhì)與太陽輻射相互作用，是太陽輻射衰減的重要原因。第六十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一

大氣主要由氣體分子、懸浮的微粒、水蒸氣、水滴等組成。

氣體：N2，O2，H2O，CO2，CO，CH4，O3

懸浮微粒：塵埃大氣成分第六十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一二、大氣的結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層：對流層、平流層、中氣層、熱層和大氣外層。對流層：航空遙感活動區(qū)。遙感側(cè)重研究電磁波在該層內(nèi)的傳輸特性。平流層：較為微弱。中氣層：溫度隨高度增加而遞減。熱層：增溫層。電離層。衛(wèi)星的運(yùn)行空間。大氣外層：1000公里以外的星際空間。第六十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一三、大氣對太陽輻射的影響太陽輻射的衰減過程：30%被云層反射回；17%被大氣吸收；22%被大氣散射；31%到達(dá)地面。（圖2-3）大氣的透射率公式：透射率與路程、大氣的吸收、散射有關(guān)。第六十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第六十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第六十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一（一）大氣的吸收作用氧氣：小于0.2

μm；0.155為峰值。高空遙感很少使用紫外波段的原因。臭氧：數(shù)量極少，但吸收很強(qiáng)。兩個(gè)吸收帶；對航空遙感影響不大。水：吸收太陽輻射能量最強(qiáng)的介質(zhì)。到處都是吸收帶。主要的吸收帶處在紅外和可見光的紅光部分。因此，水對紅外遙感有極大的影響。二氧化碳：量少；吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)?？梢院雎圆挥?jì)。第六十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一大氣的吸收作用：

大氣中的各種成分對太陽輻射有選擇性吸收，形成太陽輻射的大氣吸收帶（如下表）。大氣的吸收作用O2吸收帶<0.2μm，0.155μm最強(qiáng)O3吸收帶0.2～0.36μm，0.6μmH2O吸收帶0.5～0.9μm,0.95～2.85μm，6.25μmCO2吸收帶1.35～2.85μm,2.7μm,4.3μm,14.5μm塵埃吸收量很小第六十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一AbsorptionIncontrasttoscatter,atmosphericabsorptionresultsintheeffectivelossofenergytoatmosphericconstituents.Thisnormallyinvolvesabsorptionofenergyatagivenwavelength.Themostefficientabsorbersofsolarradiationinthisregardare:WaterVapourCarbonDioxideOzone第六十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一AbsorptionofEMenergybytheatmosphere第六十九頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一（二）大氣的散射作用

散射作用：太陽輻射在長波過程中遇到小微粒而使傳播方向改變，并向各個(gè)方向散開。改變了電磁波的傳播方向；干擾傳感器的接收；降低了遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量、影像模糊，影響判讀。大氣散射集中在太陽輻射能量最強(qiáng)的可見光區(qū)。因此，散射是太陽輻射衰減的主要原因。第七十頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一ScatteringAtmosphericscatteringistheunpredictablediffusionofradiationbyparticlesintheatmosphere.Threetypesofscatteringcanbedistinguished,dependingontherelationshipbetweenthediameterofthescatteringparticle(a)andthewavelengthoftheradiation().第七十一頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一ScatteringofEMenergybytheatmosphere第七十二頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一RayleighScattera<Rayleighscatteriscommonwhenradiationinteractswithatmosphericmolecules(gasmolecules)andothertinyparticles(aerosols)thataremuchsmallerindiameterthatthewavelengthoftheinteractingradiation.TheeffectofRayleighscatterisinverselyproportionaltothefourthpowerofthewavelength.Asaresult,shortwavelengthsaremorelikelytobescatteredthanlongwavelengths.Rayleighscatterisoneoftheprincipalcausesofhazeinimagery.Visuallyhazediminishesthecrispnessorcontrastofanimage.第七十三頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一RelationshipbetweenpathlengthofEMradiationandthelevelofatmosphericscatter第七十四頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第七十五頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一第七十六頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一MieScattera<=>Miescatterexistswhentheatmosphericparticlediameterisessentiallyequaltotheenergywavelengthsbeingsensed.WatervapouranddustparticlesaremajorcausesofMiescatter.ThistypeofscattertendstoinfluencelongerwavelengthsthanRayleighscatter.AlthoughRayleighscattertendstodominateundermostatmosphericconditions,Mie

scatterissignificantinslightlyovercastones.第七十七頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一Non-selectivescattera>Non-selectivescatterismoreofaproblem,andoccurswhenthediameteroftheparticlescausingscatteraremuchlargerthanthewavelengthsbeingsensed.Waterdroplets,thatcommonlyhavediametersofbetween5and100mm,cancausesuchscatter,andcanaffectallvisibleandnear-to-mid-IRwavelengthsequally.Consequently,thisscatteringis“non-selective”withrespecttowavelength.Inthevisiblewavelengths,equalquantitiesofbluegreenandredlightarescattered.第七十八頁，共八十七頁，編輯于2023年，星期一Non-SelectivescatterofEMradiationbyacloud第七十九頁，共八十七頁，