第二章電磁波及電磁波譜

第二章電磁波及電磁波譜第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三②電磁波的波動性形成光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。（2）粒子性：光電效應：光子作為一種基本粒子，具有能量和動量。能量：動量：第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2電磁波譜1）電磁波譜按電磁波的波長的大小，依次排列畫成圖表，這個圖表叫做電磁波譜。2）電磁波譜序列按波長遞增的序列依次為：γ射線—X射線—紫外線—可見光—紅外線—微波—無線電波。第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三電磁波譜第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.2電磁波譜近紅外：0.76-3μm，中紅外：3-6μm，遠紅外：6-15μm，超遠紅外：15-1000μm。任何溫度高于絕對零度(即-273.15℃)的物體都能產(chǎn)生紅外輻射，例如太陽、大地、云霧、冰塊、建筑物、車輛等，由于其內(nèi)部分子熱運動的結(jié)果，都會產(chǎn)生紅外輻射。人眼卻無能感知紅外輻射。微波：波長在1mm-1m的波段范圍內(nèi)。該范圍內(nèi)可再分為：毫米波、厘米波、分米波。用特定的字母表示，如Ka，K，Ku，X，C，S，L，P。第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波傳播的基本性質(zhì)1）電磁波的疊加電磁波的獨立傳播原理：數(shù)列波在傳播過程中，相遇后仍能保持它們各自原有的特性（頻率、波長、振幅、振動方向等）不變。電磁波可以用無窮個正弦波疊加構(gòu)成，每個正弦波有它自己的振幅、頻率和相位。第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)2）干涉定義：頻率、振動方向、相位相同或相位差恒定的兩（或數(shù)）列波相遇時，合成波某些地方振動始終加強，另一些地方振動始終減弱的現(xiàn)象。干涉的條件：電磁波必須是單色波。例如：激光，雷達。優(yōu)點：能量增大，使圖像清晰，方向性強。缺點：同一物質(zhì)，表現(xiàn)性質(zhì)不同。第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)3）衍射定義：電磁波在傳播過程中遇到障礙物時，其傳播方向發(fā)生改變，能夠繞過障礙物的邊緣繼續(xù)前進，這種現(xiàn)象稱為電磁波的衍射。主要用于傳感器的設計和提高圖像分辨率。（1）發(fā)生衍射時，電磁輻射通量的數(shù)量、質(zhì)量、方向發(fā)生變化，測量結(jié)果不準，對目標解譯帶來困難。（2）影響遙感所用儀器的分辨能力。（θ：最小分辨角，λ：波長，D：儀器孔徑）（3）縮小陰影區(qū)域。第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)4）極化（偏振）定義：當電磁波在空間傳播時，其電場強度矢量振動方向的瞬時取向，這種現(xiàn)象稱為的極化（偏振）。表示：通常用電場強度矢量端點隨著時間在空間描繪出的軌跡來表示電磁波的極化。分類(根據(jù)軌跡)：平面極化（線極化）、圓極化、橢圓極化。第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)平面極化（也稱線極化）：電磁波的極化方向保持在固定的方向上的極化。水平極化和垂直極化都是平面極化的特例。平面極化方式分為：（1）垂直（V）極化：極化面與地面垂直的極化。（2）水平（H）極化：極化面與地面平行的極化。第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)極化的組合類型：HH極化：發(fā)射波為水平極化，接收回波為水平極化；VV極化：發(fā)射波為垂直極化，接收回波為垂直極化。正交極化：

VH極化：發(fā)射波為垂直極化，接收回波為水平極化。

HV極化：發(fā)射波為水平極化，接收回波為垂直極化。第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)極化方式不同，微波遙感影像不同。具體應用中，須經(jīng)過測試，才能知道地物對雷達回波的極化特性的影響。極化的產(chǎn)生：通過偏振器產(chǎn)生。極化的效應：遙感影像便于立體觀察。第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.1.3電磁波的基本性質(zhì)5）多普勒效應電磁輻射因輻射源或觀察者相對于傳播介質(zhì)的運動，而使觀察者接收到的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應。式中：

f：電磁波輻射源的頻率

f1：觀察者接收到的頻率

c：波速

v：輻射源相對于介質(zhì)的速度

v1：觀察者相對于介質(zhì)的速度例如：雷達測速儀第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2物體的發(fā)射輻射2.2.1黑體輻射1）絕對黑體（簡稱黑體）對于任何波長的電磁輻射都全部吸收的物體。2）黑體輻射定律普朗克定律在給定溫度、單位時間、面積、波長范圍內(nèi)黑體的輻射通量密度為：

第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射式中：Mλ：波長為λ的輻射通量密度。（W/cm2·μm）λ：波長。（μm）h：普朗克常數(shù)（6.6256×10-34J·s）c：光速（3×108m/s）k：玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）T：絕對溫度（絕對溫度=攝氏溫度+273.15）（K）第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三幾種溫度下黑體輻射通量密度第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射斯忒藩-玻爾茲曼定律（普朗克公式積分）式中：σ：斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)（5.6697×10-12W/cm2·K4）T：黑體的絕對溫度（K）對遙感來說，紅外探測裝置能探測出0.01℃的溫度變化。第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射維恩位移定律（普朗克公式微分，求極值）解得：λmaxT=2897.8式中：λ：波長。（μm）T：絕對溫度（K）常用這種方法選擇遙感器和確定對目標物進行熱紅外遙感的最佳波段。

第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射2）物體的發(fā)射基爾霍夫定律在給定溫度下，物體對任一波長的發(fā)射和吸收成正比，比值與物體的性質(zhì)無關，只是波長和溫度的函數(shù)。即有：

式中：Mλ：物體在波長為λ的輻射通量密度。（W/cm2·μm）αλ：物體在波長為的吸收率

第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射黑體的輻射通量密度發(fā)射率（ελ）：物體輻射通量密度與同溫度的黑體輻射通量密度之比。物體的光譜發(fā)射率等于物體的光譜吸收率。第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.1黑體輻射根據(jù)物體光譜發(fā)射率，將物體分為：絕對黑體：ελ＝ε=1，總輻射通量密度：M0=εT4灰體：ελ=ε為常數(shù)，0＜ελ＜1，總輻射通量密度：M=εσT4選擇性輻射體：ελ=f（λ），為變化值，0＜ελ＜1，輻射通量密度：Mλ=

ελ·Mλ0絕對白體（理想反射體）ελ＝ε＝0，M=0。第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.2太陽輻射1）遙感輻射源輻射源：凡是能夠產(chǎn)生電磁輻射的物體。分為兩大類：人工輻射源（主動遙感）和天然輻射源（被動遙感）。天然輻射源：太陽和地球。（1）太陽的電磁輻射主要能量集中在0.2-3μm。

第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三太陽的電磁輻射第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.2太陽輻射遙感最常用的波段為：0.32-1.1μm，占太陽對地面輻射總通量密度的85%以上。（2）地球的電磁輻射大部分能量集中在4-30μm之間。地球輻射也被大氣強烈吸收。地面物體的電磁輻射信息包括兩部分：一部分是反射信息，它只能白天接收；一部分是發(fā)射信息，既能白天接收，又能在夜間接收。第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響1）大氣分層大氣厚度約1000km，垂直自下而上分為：

對流層：<12km。飛機。平流層：在12-80km，在25-30km處為臭氧層。氣球、噴氣式飛機。電離層：在80-1000km。150-200km為偵查衛(wèi)星，800-900km為資源衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星。外大氣層：1000km以上。36000km為通訊衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星。第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響2）對流層大氣變化規(guī)律溫度隨高度上升而下降，每上升1km下降6℃?？諝饷芏群蜌鈮阂搽S高度上升而下降。地面空氣密度為1.3×10-3g/cm3，氣壓105Pa。對流層頂部空氣密度僅為0.4×10-3g/cm3，氣壓下降到0.26×105Pa左右?？諝庵邢鄬Σ蛔兂煞郑旱⒀?、惰性氣體，相對變化成分：臭氧、水蒸氣、煙塵微粒。

第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響3）大氣對太陽輻射的吸收、散射及反作用（1）在紫外、紅外與微波區(qū)，引起電磁波衰減的主要原因是大氣吸收。引起大氣吸收的主要成分是水蒸氣、臭氧、二氧化碳、氧氣等。水蒸氣：對電磁輻射的吸收最為顯著。主要吸收峰為1.38μm、1.87μm、2.7μm、6.3μm、15μm-1mm間的超遠紅外區(qū)，以及微波中0.164cm和1.348cm處。第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響臭氧：主要吸收帶<0.3μm、而在9.6μm、4.75μm和14μm處有弱吸收。二氧化碳：主要吸收峰為2.70μm、4.3μm、10.0μm、14.4μm，以及全在紅外區(qū)。氧氣：在<0.2μm、0.69μm、0.76μm、0.253cm和0.5cm處吸收都很弱。第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響（2）可見光波段，引起電磁波衰減的主要原因是分子散射。瑞利散射：大氣中不均勻的顆粒直徑遠小于入射電磁波波長時，發(fā)生的散射。散射強度:I∝sin2θ/λ4例如：①天空呈藍色，藍色波長短，散射強。②對于微波來說，微波波長比大氣中粒子的直徑大得多，屬于瑞利散射，微波有最小散射，最大透射，而被稱為具有穿云透霧的能力。

第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響米氏散射：大氣中不均勻顆粒的直徑與入射波長同數(shù)量級時，發(fā)生的散射。例如：當天氣不好或者有大氣污染的時候，空氣中主要發(fā)生米氏散射，這個時候的天就是灰蒙蒙的。均勻散射：大氣中不均勻顆粒的直徑遠大于入射電磁波波長時，發(fā)生的散射。

例如：當天空有云層或雨層時，云中水滴粒子的直徑比波長大很多，發(fā)生均勻散射，各個波長的可見光散射強度相同，因而云呈現(xiàn)白色。

第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響折射：電磁波傳過大氣層時出現(xiàn)傳播方向的改變，大氣密度越大，折射率越大。反射：電磁波在傳播過程中，通過兩種介質(zhì)的交界面時會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象出要出現(xiàn)在云頂（云造成的噪聲）。太陽輻射經(jīng)過大氣傳輸時，反射，吸收和散射共同衰減了輻射強度，剩余部分即為透過的部分。第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響在可見光和近紅外波段，太陽輻射30％被云或其它粒子反射，22％被散射，17％被吸收，到達地面能量31％。由于大氣層的反射、散射和吸收作用，使得太陽輻射的各波段受到衰減的作用輕重不同，因而各波段的透射率也各不相同。第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響4）大氣窗口

電磁波通過大氣層時較少被反射，吸收和散射的，透射率較高，對遙感十分有利，的波段稱為大氣窗口。0.30-1.15μm大氣窗口：這個窗口包括全部可見光波段、部分紫外波段和部分近紅外波段，是遙感技術應用最主要的窗口之一。1.3-2.5μm大氣窗口：屬于近紅外波段。其中1.55-1.75μm透過率較高，主要應用于地質(zhì)遙感。第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.2.3大氣對輻射的影響3.5-5.0μm大氣窗口：屬于中紅外波段。用來探測高溫目標，例如森林火災、火山、核爆炸等。8-14μm大氣窗口，屬于熱紅外波段。主要探測地物的發(fā)射率及溫度。1.0mm-1m大氣窗口：屬于微波波段。

輻射傳輸方程（略）熱傳導理論（略）第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射2.3.1地物的反射類別鏡面反射：是指物體的反射滿足反射定律，反射波和入射波在同一平面內(nèi)，入射角等于反射角。例子：水面是近似的鏡面反射，在遙感圖像上水面有時很亮，有時很暗，就是這個原因造成的。漫反射：指不論入射方向如何，反射方向卻是“四面八方”。其反射面又叫朗伯面。方向反射：實際物體表面由于起伏不同，在某個方向上反射最強烈。第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射太陽輻射透過大氣并被地表反射（有用的）；太陽輻射被大氣散射后被地表反射（糾正后有用）；太陽輻射被大氣散射后直接進入傳感器；太陽輻射透過大氣被地物反射后又被地表發(fā)射進入傳感器；被視場以外地物反射后進入視場的交叉輻射項第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射2.3.2光譜反射率以及地物的反射光譜特性１）光譜反射率反射率：物體的反射輻射通量與入射輻射通量之比。ρ=Eρ/E光譜反射率：物體在某波長λ的反射輻射通量與入射輻射通量之比。ρλ

=Eρλ/Eλ反射波譜：物體的反射率隨波長變化的規(guī)律。反射波譜特性曲線：以波長為橫坐標，物體的反射率為縱坐標所得的曲線。物體的反射波譜限于紫外、可見光和近紅外，尤其是后兩個波段。

第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射2）地物的反射率光譜以及地物的反射波譜曲線（1）同一地物的反射率波譜特性時間效應：同一地物的光譜特征一般隨時間季節(jié)的變化。空間效應：同一地物的光譜特征在不同地理區(qū)域的有不同響應。第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三（2）不同地物的反射率波譜特性第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射城市道路、建筑物道路材料：水泥>土路>瀝青。建筑屋頂材料：石棉瓦屋頂>瀝青粘砂屋頂>水泥屋頂>鐵皮屋頂>塑料頂棚。綠色頂棚與植被通過近紅外區(qū)分。水體

水體反射主要集中在藍綠波段，其他波段吸收都很強。近紅外波段水體呈黑色。水中含泥沙時，可見光波段反射率會增加。

第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射土壤土壤的反射光譜曲線受：土壤的機械組成（顆粒的粗細）、顏色、土壤含水量、土壤類型等的影響。土質(zhì)越細反射率越高，有機質(zhì)及含水量越高反射率越低。巖石巖石的反射光譜曲線受：礦物成分、礦物含量、風化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑程度、顏色等的影響。

第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射植被植物的反射光譜曲線

葉綠素：引起0.45μm、0.67μm為吸收帶，0.55μm反射峰。植物含水量：引起1.45μm、1.95μm、2.7μm吸收帶。第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射不同植物類型、植物生長狀況（生長季節(jié)、病蟲害、含水量的多少）影響植物的反射光譜曲線。第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.3地物的反射輻射紅邊

一般為680-750nm波長范圍內(nèi)反射率光譜的一階微分最大值對應的波長。紅邊位移紅移：植株生長旺盛時，紅邊向波長長的方向移動幾個-十幾個納米。藍移：營養(yǎng)缺乏或病蟲害時，紅邊向波長短的方向移動幾個-十幾個納米。用于植被的定量遙感分析長勢、估產(chǎn)、病蟲害、施肥量、污染程度等。其實質(zhì)是測葉綠素的含量。紅邊結(jié)構(gòu)紅邊用一定的曲線表示其結(jié)構(gòu)。第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期三2.4地物波譜特性的測定植被指數(shù)

近紅外和紅波段反射率的線性或非線性組合。

植被指數(shù)主要有：比值植被指數(shù)RVI：RVI=NIR/RED歸一化植被指數(shù)NDVI：NDVI=(NIR-RED)/（NIR+RED）差值植被指數(shù)DVI：DVI=NIR-RED其中，NIR表示近紅外波段反射率，RED表示紅光波段反射率。NDVI是目前應用最廣泛的一種植被指數(shù)。第52頁，共57頁，202