第2章电磁辐射与地物光谱(2)

M (T ) M (l , T )dl
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单位时间、单位表面积、 上所辐射出的各种波长 电磁波的能量。
2.1.3、黑体辐射-绝对黑体
能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射， 折射和透射的物体称为绝对黑体。简称黑体 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。 研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。
折射：射入介质，折射角一般不等于入射角 吸收：部分被介质吸收 透射：从入射延伸方向射出介质 发射：自身向外辐射能量
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2.1.1 电磁波谱（补充）
电磁波与物体间的相互作用图
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2.1.1 电磁波谱（补充）
反射、吸收和透射的能量和等于入射的总能量
反射率=（反射能量/入射总能量）*100%
吸收率=（吸收能量/入射总能量）*100%
辐照度
辐射出射度 辐射强度 辐射亮度
I
M
d Φ / dS
d Φ / dS dΦ/dΩ
瓦/米² (W/m² )
瓦/米² (W/m² ) 瓦/球面度(W/Sr) 瓦/米²•球面度 (W/m²• Sr) 24
L
2 Φ / S Ω
2.1.3、黑体辐射
1. 热辐射现象
固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长 的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发 而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的 特征仅与温度有关。
维恩位移定律
lmax T 2.879 10 m K
3
温度T/K 300 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 波长λmax/μm 9.66 5.80 2.90 1.45 0.97 0.72 0.58 0.48 0.41
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瑞利-金斯定律
hc<<lkT，
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2.1.2、电磁辐射的度量
6、朗伯源
辐射亮度L与观察角θ 无关的辐射源。 例如： 1）粗糙表面； 2）涂有氧化镁的表面—遥感光谱测量标准版； 3）太阳； 4）真正的朗伯源度量一览表 辐射量 辐射能量 辐射通量 符号 E Φ dE/ dt 定义 单位 焦耳(J) 瓦(W)
Φ=dW/ dt
辐射通量（Φ）的单位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）
注意：辐射通量是波长的函数，总辐射通量应该 是各谱段辐射通量之和或其积分值。
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2.1.2、电磁辐射的度量
3、辐射通量密度 E： 单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度：
•辐照度（I）：被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，记为: I=d
Φ / dS，单位是W/m2, S为面积。 •辐射出射度(M)：温度为T的辐射源物体表面单位面积上的辐射通量， 记为:M=d Φ / dS，单位也是 W/m2，S为面积。
被辐照物 辐照度 辐 射 出 射 度 辐射体
辐射源
辐射通量密度的单位是瓦/米² （W/m² ）
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2.1.2、电磁辐射的度量
4、辐射强度 (补充) 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： 辐射强度（I）=d Φ / d Ω
黑体模型
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2.1.3、黑体辐射 2、黑体辐射规律 普朗克定律
M l l , T
其中：
2phc
2
l
5

1 e
hc lkT
1
Wm-2m-1
h, Planck 常数，h=6.63×10-34Js c, 光速 k = 1.3806*10-23JK-1, Boltzmann常数 T, 绝对温度 M, 辐射出射度； 28
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基尔霍夫定律
在任一给定的温度下，辐射出射度(辐射通量密 度)与吸收率之比对任何材料都是常数，并等于 该温度下黑体的辐射通量密度。即： M’l /= Ml
为吸收率
发射率定义： ε
所以： ε
l
l
= M’l /Ml
=
即，一个物体的波谱发射率等于它的波谱吸收 率，好的吸收体也是好的发射体
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• 黑体辐射的三个特性：
（1）与曲线下的面积成正比的总辐射出射度M
是随温度T的增加而迅速增加。总辐射出射度 M可在从零到无穷大的波长范围内对普朗克公 式进行积分可得到。
斯忒藩一玻尔兹曼定律 M= σT4
σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数， σ =5.67 × 10-8W/m2K4。 29
（2）谱功率的峰值波长随温度的增加向短波方 向移动。可微分普朗克公式，并求极值
2.1.1 电磁波谱（补充）
Asint kx
其中：
= 2p/T k = 2p/l
电场 强度
为相位
Maxwell's Equations
Maxwell's wave theory
c = lf
真空中，c=2.998*108m/sec传播 6
2.1.1 电磁波谱（补充）
以往用法： 近红外：0.7-1.1 m 中红外：1.1-3.0 m 远红外：8.0-100 m 目前遥感界习惯用法： 近红外（NIR, near-infrared）： 0.7-1.1 m 短波红外(SWIR, shortwave IR）： 1.1-3.0（2.5） m 中红外(MWIR, Mid wave IR)： 3.0-6.0（8.0） m 热红外(TIR, Thermal IR)：8.015 m
• 粒子性
把电磁波作为粒子对待时，能量:
E = hf
h, Plank's constant (6.626 * 10-34 J•s) 能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。
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2.1.1 电磁波谱（补充）
• 遇到介质（气体、液体、固体），发生一系列现象：
反射：
– 镜面反射：入射角等于反射角 – 漫反射：反射向四面八方
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2.1.1 电磁波谱—遥感常用波段
微波波段(1mm-1m, 最常用1cm-1m) 遥感常用波段符号： P：30-100cm L: 15-30cm
S: 7.5-15cm
C: 3.75-7.5cm X: 2.4-3.75cm Ku: 1.57(1.7)-2.4cm K: 1.1-1.57(1.7)cm
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2.1.1 电磁波谱
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2.1.1 电磁波谱
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2.1.1 电磁波谱—遥感常用波段
可见光：
蓝：0.4-0.5 m 绿：0.5-0.6 m
红：0.6-0.7 m
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2.1.1 电磁波谱—遥感常用波段
红外(Infrared, IR) 反射红外（reflective IR）：0.73.0m 热红外(Thermal IR)：3.0-100m
透射率= （透射反射能量/入射总能量）*100%
散射：辐射传播中，若遇到小粒子，会向四面八方散 去，电磁波强度和方向发生各种变化，即散射。强度 随波长改变。
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2.1.1 电磁波谱（补充）
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2.1.1 电磁波谱
电磁波谱定义：按照电磁波在真空中传播的波长或频率，递 增或递减排列，形成的一个连续谱带。
麦克斯韦 （1831-1879） 波动性
普朗克 （1858-1947） 粒子性
爱因斯坦 （1879-1955）
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2.1.1 电磁波谱（补充）
•
电磁波的波动性
•Amplitude (A) •Wavelength (lambda, l) •Period (T) •Frequency (f=1/T), 单位：赫兹(HZ),表示1秒内波传播的次数 •Velocity (v) 5
Ka: 0.75-1.1cm
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2.1.2、电磁辐射的度量 1、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（W）的单位是焦耳（J）
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2.1.2、电磁辐射的度量 2、辐射通量Φ
在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为辐射通量：
辐射强度
Ω=S/R²
点辐射源
辐射强度（I）的单位是瓦/球面度（W/Sr）
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2.1.2、电磁辐射的度量
5、辐射亮度 L 面辐射源，在某一方向，单位投影表面、单位立体 角内的辐射通量称为辐射亮度：
L

( A cos )
θ
面辐射源
通量 Φ
A
图中出射辐射亮度是多少？
辐射亮度（L）的单位是瓦 / 米²•球面度 （W/m² • Sr）
e
hc lkT
hc 1 lkT
Mλ(l, T) = 2pckT/l4
（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。
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2.1.3、黑体辐射 3、实际物体的辐射
实际物体的辐射不同于绝对黑体的辐射，在相同温度下，实 际物体的辐射出射度（辐射通量密度）比绝对黑体的要低。 地物发射某一波长的辐射出射度（辐射通量密度）与同温下 黑体在同一波长上的辐射出射度之比，称地物光谱发射率 （emissivity）(也称比辐射率)，即： ε
固体在温度升高时颜色的变化
800K
1000K
1200K
1400K
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物体可辐射能量也可吸收能量，当辐射和吸收的能 量恰相等时称为热平衡。此时物体温度恒定不变。 单色辐出度
dM l (l , T ) M (l , T ) dl
辐射出射度
单位时间、单位表面积、 上所辐射出的，单位波长 间隔中的能量。
2.1 电磁波谱与电磁辐射
遥感是利用传感器主动或被动地接受地面目标 反射或发射的电磁波，通过电磁波所传递的信 息来识别目标，从而达到探测目标物的目的。
应掌握有关电磁波的知识
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2.1.1 电磁波谱