第1章电磁波及遥感物理基础

人工辐射源：
微波辐射源：0.8-30 cm 激光辐射源：激光雷达(测定卫星的位臵、高度、 速度、测量地形等)。
32
太阳辐射
太阳是被动遥感最主要的辐射源，遥感传感 器从空中或空间接收地物反射的电磁波。 地球系统的能量绝大多数（>99％）来源于太 阳。
太阳辐射:
5% 紫外线 45% 可见光 50% 红外线
21
普朗克定律
1900年普朗克用量子理论推导出普朗克定律 在给定温度、单位时间、面积、波长范围内黑体 的辐射通量密度为：公式1-4
W(λ)—— 分谱辐射通量密度，单位W／（cm2·μm）； λ—— 波长，单位是μm； h—— 普朗克常数(6.6256×10-34J· s)； c—— 光速(3×1010cm/s)； k—— 玻耳兹曼常数(1.38×10-23J／K)； T—— 绝对温度（绝对温度=摄氏温度+273.15），单位是K。
33
太阳辐射照度分布曲线
太阳常数：指不受大气影响，在距离太阳一个天文单位内， 垂直于太阳光辐射的方向上，单位面积单位时间黑体所接 收的太阳辐射能量：I⊙=135.3 mW/m2 被动遥感主要利 用可见光、红外 等稳定辐射，因 而太阳的活动对 遥感的影响没有 太大影响可以忽 略。
图1-6 太阳辐射照度分布曲 线
13
（5）多普勒效应
概念：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播
介质的运动，而使观察者接收到的频率发生 变化的现象，称为多普勒效应。如：
cv f1 f c v1
f：电磁波辐射源的频率 f1：观察者接收到的频率 c：波速 v：辐射源相对于介质的速度 v1：观察者相对于介质的速度
14
电磁波的粒子性
25
1.2.2 一般物体的发射辐射
自然界中实际物体的发射和吸收的辐射量都 比相同条件下绝对黑体的要低。 不仅依赖于波长和温度，还与构成物体的材 料、表面状况等因素有关。 发射率ε：实际物体与同温度的黑体在相同条 件下发射辐射功率之比。 ε= W′/ W
26
发射率
按照发射率与波长的关系，把地物分为： 绝对黑体：ελ＝ε=1。 灰体：ελ=ε为常数，0＜ελ＜1。 选择性辐射体：0＜ελ＜1 ， ελ=f（λ）。 白体（理想反射体）： ελ＝ε＝0 。 影响地物发射率的因素：地物的性质、表面 状况、温度（比热、热惯量）。比热大、热 惯量大，以及具有保温作用的地物一般发射 率大，反之发射率就小。
在遥感技术上，常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进 行热红外遥感的最佳波段。
24
黑体辐射特性（3）
每根曲线彼此不相交，故温度 T越高所有波长上的波谱辐射 通量密度也越大。 在波长大于1 mm的微波波段， hv<<kT, 近似得出：公式1-12
在微波波段，黑体的微波辐射 亮度与温度的一次方成正比。
椭圆极化：当无线电波的极化面与大地法线面之间的 夹角从0～360°做周期的变化，就叫作椭圆极化波。 圆极化：旋转过程中，电场的幅度，即大小保持不变。 的叫右旋圆极化波.
左旋圆极化：向传播方向看去逆时针方向旋转。 右旋圆极化：向传播方向看去顺时针方向旋转。
11
（4）极化（偏振）
极化产生：通过偏振器产生。 应用：用于遥感影像立体观察，遥感技术中的偏振摄影 和雷达成像就利用了电磁波的偏振这一特性。须经过测 试，才知道地物对雷达回波的极化特性的影响。
34
太阳辐射的特点
太阳光谱是连续的。 辐射特性与黑体基本一致。 主要能量集中在0.2-3 μm紫外到中红外波 段区间。 遥感最常用的波段为：0.32-1.15μm可见光、 红外波段等稳定辐射，占太阳对地面辐射 总通量密度的85%以上。 海平面处的太阳辐射照度分布曲线与大气 层外的曲线有很大不同，这主要是地球大 气层对太阳辐射的吸收和散射造成的。
图1-10石英的辐射曲 线和250 K黑体的辐 射曲线
W W T 4
T等效 4 T
29
基尔霍夫定律
在任一给定温度下，辐射通量密度与吸收率之比对任 何材料都是一个常数，并等于该温度下黑体的辐射通 量密度。 公式1-17，根据公式1-15推得
W

W
W T 4
8
（3）衍射
概念：光通过有限大小的障碍物或者小孔(窄 缝)时偏离直线路径，能够绕过障碍物的边缘 继续前进的现象称为光的衍射。 当孔（窄缝）跟波长相当时，甚至比波长还 要小时，衍射就十分明显。当孔（窄缝）比 波长过大或过小均不明显，可看作沿直线传 播。 应用：电磁波的衍射现象对设计遥感传感器 和提高遥感图像的几何分辨率具有重要意义。
W T
4

30
任何材料的发射率等于其吸收率
基尔霍夫定律
根据能量守恒定理，入射在地表面的辐射功率等于吸 收功率、透射功率和反射功率三个分量之和。
E E E E
对于不透射电磁波的物体
1
0
1
31
1.2.3 太阳辐射
2
内容提纲



概述 物体的发射辐射 地物的反射辐射 地物波谱特性的测定
3
1.1 概述 1.1.1 电磁波
麦克斯韦电磁场理论:交互变化的电场和磁场 以有限的速度由近及远在空间内传播的过程 称为电磁波。 电磁波是一种横波，如下图具有波粒二象性
4
电磁波的波动性
单色波可以用波函数来描述，是一个时空周 期性函数，由振幅A、相位θ、波长λ组成。 光在传播过程中，借助于他们的频率、振幅 和相位来区别物体的颜色（频率）、明暗 （振幅平方）、形状和远近（相位）。 一般成像：记录振幅 全息成像：记录振幅和相位
电磁波的粒子性：电磁波的粒子性是指电磁 辐射除了它的连续波动状态外，还能以离散 形式存在。其离散单元称为光子或量子、光 量子。 光电效应：光子作为一种基本粒子，具有能 量和动量，量子的能量与波长成反比。 能量： E hv 动量： P h / 遥感中应用：如：热红外的探测较可见光波 段困难，为了获取足够能量，需在给定时间 内探测足够大的地表区域。
1.2 物体的发射辐射



黑体辐射 太阳辐射 大气对辐射的影响 一般物体的发射辐射
20
1.2.1 黑体辐射
1860年基尔霍夫：好的吸收体也是好的辐射 体 绝对黑体——任何波长的电磁辐射全部吸收 一个不透明的物体，对入射到它上面的电磁 波只有光谱吸收率α(λ,T)和光谱反射率 ρ(λ,T)，二者之和恒等于1。 绝对黑体： α(λ,T)=1， ρ(λ,T)=0 绝对白体： α(λ,T)=0， ρ(λ,T)=1
辐射源：凡是能够产生电磁辐射的物体 天然辐射源：太阳和地球
太阳辐射：常用5800 K的黑体辐射来模拟。主要 能量集中在0.2-3 μm。 地球的电磁辐射：近似300 K的黑体辐射。大部分 能量集中在4-30 μm之间。 <3 μm的波长主要是太阳辐射的能量； >6 μm的波长主要是地物本身的热辐射； 3-6 μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。
σ为斯忒藩——玻耳兹曼常数5.6697×1012 w/cm2· 4，T为绝对黑体的绝对温度 K （K）。
遥感中的应用：热红外遥感就是利用这一原理探测和识别目标 物的，能探测出0.01℃的温度变化。
23
黑体辐射特性（2）维恩位移定律
分谱辐射能量密度的峰值波长随温度的增加向短波方向移 动。普朗克公式微分，并求极值。公式1-7、1-8
通常用电场强度矢量端点随着时间在空间描绘出的轨迹 来表示电磁波的极化。根据轨迹分为线极化和圆极化。
10
线（平面）极化和圆极化
平面极化（线极化）：电磁波的极化方向保持在固定
的方向上。水平H和垂直V极化为特例，
垂直（V）极化：极化面与大地法线面平行的极化。 水平（H）极化：极化面与大地法线面垂直的极化。 根据发射波和接收回波的极化组合HH、VV、正交极 化（VH、HV）
7
（2）干涉
概念：频率相同，振动方向相同，相位差恒 定的两（或数）列波相遇时，合成波某些地 方振动始终加强，另一些地方振动始终减弱 的现象。 干涉条件：必须是单色波，如：激光、雷达 优点：能量增大，使图像清晰，方向性强； 缺点：同一物质，表现性质不同。 应用：微波遥感中的雷达是应用了干涉原理 成像的,其影像上会出现颗粒状或斑点状的特 征，对微波遥感的判读意义重大；INSAR(合 成孔径雷达干涉技术)干涉成像。
9
（4）极化（偏振）
偏振：横波在垂直于波的传播方向上，电场强度振动矢 量偏于某些方向的现象。在微波技术中称为“极化”。 极化波（偏振波）：电磁波在空间传播时，若电场矢量的 方向保持固定或按一定规律旋转，这种电磁波便叫极化 波。 极化方向：极化电磁波的电场方向； 极化面：极化方向与传播方向所构成的平面。
22
黑体辐射特性（1）斯忒藩-玻尔兹曼定律
与曲线下的面积成正比的总辐射通量密 度W是随温度T的增加而迅速增加。总 辐射通量密度W可在从零到无穷大的波 长范围内。 普朗克公式积分，可得到从1cm2面积的 黑体辐射到半球空间里的总辐射通量密 度的表达式为：公式1-6
2 5 k 4 4 W T T 4 15c 2 h 3
5
电磁波的波动性
波的性质： 叠加 干涉 衍射 极化（偏振） 多普勒效应
6
（1）叠加
电磁波的独立传播原理：数列波在传播过程 中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性 （频率、波长、振幅、振动方向等）不变。 叠加：电磁波可以用无穷个正弦波叠加构成， 每个正弦波有它自己的振幅、频率和相位。
毫米波
15—1000μm
1—10mm
橙 0.60—0.63μm
红 0.63—0.76μm
微 波
厘米波
分米波
1—10cm
10cm—1m
18
不同波段电磁波在遥感中的应用
遥感采用的从紫外线一直到微波波段。举例军事 探测中，可见光-红外-微波 遥感就是根据感兴趣的地物的波谱特性，选择相 应的电磁波段，通过传感器探测不同的电磁波谱 的发射或反射能量而成像的。 任何温度高于绝对零度(即-273.15℃)的物体都 能产生红外辐射，例如太阳、大地、云雾、冰块、 建筑物、车辆等，由于其内部分子热运动的结果， 都会产生红外辐射。人眼不能感知红外辐射。 微波：波长在1mm-1m的波段范围内。该范围内可 再分为：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。 19
15
1.1.2 电磁波波谱
概念：按电磁波的波长的大小，依次排列画成图 表，这个图表叫做电磁波谱。 电磁波普序列：γ射线—X射线—紫外线—可见 光—红外线—微波—无线电波。范围非常宽，从 波长最短的γ射线到最长的无线电波，波长之比 高达10的22次方
16
电磁波谱范围
图1-3 电磁波谱
17
遥感应用的光谱范围
35
1.2.4 大气对辐射的影响
36
(1)大气的垂直分布
图1-7 大气垂直分布
37
27

主要地物发射率
表1-3、1-4 几种主要地物的发射率表
28
等效黑体温度
实际测定物体的光谱辐射通量密度 曲线并不像描绘的黑体光谱辐射通 量密度曲线那么光滑 常常用一个最接近灰体辐射曲线的 黑体辐射曲线作为参照，这时的黑 体辐射温度称为等效黑体辐射温度 （或称等效辐射温度） 公式1-15，1-16
第一章 电磁波及遥感物理基础
河北联合大学
引言
遥感是在不接触的情况下，对目标或自然现 象远距离探测和感知的一种技术。 电磁波、机械波（声波）、重力场、地磁场 等都可以用作遥感，但一般而言，RS指的是 电磁波遥感。 遥感之所以能够根据收集到的电磁波来判断 地物目标和自然现象，是因为一切物体，由 于其种类、特征和环境条件的不同，而具有 完全不同的电磁波反射或发射辐射特征。
5810203040506070101214波长um光滑红瓦煤灰风化红瓦沥青石子混凝土水体植被土壤建筑59典型地物的反射波谱特性曲线60城市道路建筑物的反射波谱特性曲线城市道路建筑物的光谱反射特性沥青较其他材料反射弱图116各种建筑物屋顶的波普特性图117各种道路的波普特性61水体的光谱反射特性水中含泥沙时可见光波段反射率会增加6263植被的光谱反射特性叶绿素
电磁波谱
名称 紫外线 可见光 近红外
红 外 线 中红外 远红外
波长范围 0.001—0.4μm 0.38—0.76μm 0.76—3.0μm
3—6μm 6—15μm
紫 0.38—0.43μm 蓝 0.43—0.47μm
青 0.47—0.50μm
绿 0.50—0.56μm 黄 0.56—0.60μm
超远红外