电磁波谱及物体的波谱特性

遥感电磁辐射基础
1 电磁波谱与黑体辐射
2 太阳辐射与地球辐射
3 地球大气对太阳辐射的影响
4 物体的反射波谱特性
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第一节 电磁波谱与黑体辐射
1.1 电磁波
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 电磁波：电磁场在空间以一定速度的传播。也称电磁辐射。 1887年由赫兹试验证实
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1.1 电磁波
微波能够穿透云和雾，可用于全天候成像。
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各种电磁波的特点
名称 γ 射线 X 射线 紫外线 可见光 波长范围 <0.03 nm 0.03-3 nm 3nm ~0.38 μm 0.38 ~0 .76 μm nm 埃 常用 单位 产生机理 原子核受激后 产生 原子中内层电 子受激后产生 原子、 分子中外 层电子受激发 后跃迁到低能 态 分子振动或转 动的能级跃迁 电磁电感组成 的振荡回路 电磁电感组成 的振荡回路 波动性明显 波动性明显 特点 非常强的穿透力，很 难观察到波动性 较强的穿透力，粒子 性突出 用途 医学 医学 紫外遥感 可见光遥感
辐射亮度（L）：面状辐射源在某一方向，单位
投影表面，单位立体角内辐射通量，即 单位：w/sr· 2 m
Ф
θ A Ω
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L ( A cos )
电磁辐射度量
• 辐照度I：被辐射物体单位面积上所接 收的辐射通量，单位：W/m2，表示为 I=d/dS
dΦ
dS
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电磁辐射度量
• 辐射出射度M：辐射源物体表面单位面 积上辐射出的辐射通量，单位W/m2， 表示为M=d/dS
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三、 一般物体的发射
对于一般物体而言，发射率（热辐射率、比辐射率），表明 物体的发射本领。
(, T ) M (, T ) Mb(, T )
非黑体的辐射通量密度与同一温度下黑体辐射通量密度的比值。
发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照 发射率与波长的关系，辐射源可以分为：
dΦ
dS
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电磁辐射度量
• 辐射亮度L：用来确定面辐射源的辐射强度，具有方向性， 指辐射源在某一方向的单位投影表面在单位立体角内的辐 射通量，单位：W/（sr· m2），表示为：
L
A cos
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1.4 黑体辐射和实际物体辐射
一、黑体辐射
黑体：对任何波长的辐射，反射率和透射率都等于0。 黑体是一种理想的吸收体和辐射发射体，自然界没有 真正的黑体。 黑体的辐射通 量密度按波长 的分布是稳定 的，仅与温度 有关，与黑体 的材料和性质 无关。 吸收率＝1 反射率＝0
非偏振光，偏振光，部分偏振：
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1.3 电磁波谱
定义：按照电磁波的波长（频率的大小）长短，依次排 列成的图表，称为电磁波谱。
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Gamma
频率
‫ ץ‬射线
X 射线
紫外线
可见光
红外线
微 波
无线波
波长
紫
蓝 绿 黄
红
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可见光
波长范围大约为400nm(紫色)~700nm(红色)，可见 光谱中的各种颜色成分大致属于如下的波长区间：
透射率＝0
发射率＝1
人工制造的接近黑体的吸收体
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二、 黑体辐射的定律
a 普朗克定律 b 斯忒藩－玻尔兹曼定律
（Stephen Boltzmann Law）
c 维恩位移定律
（Wien’s Displacement Law）
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普朗克定律
描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
2h c Mb( , T ) 5 hc kT (e 1)
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电磁波的度量
辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射能量，Φ=Dw/dt，单位 是w 辐射通量密度（E）：单位时间通过单位面积上的辐射能量，E=d Φ/ds， 单位：w/m2，S为面积 辐照度（I）：被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，I=E=d Φ/ds，单 位：w/m2，S为面积 辐射出射度（M ）：辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，M=E=d Φ/ds，单位：w/m2，S为面积
红外装置测试温度的理论根据。
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维恩位移定律
微分普朗克公式，并求极值，得到：
max T b
b : 常数，2897.8 μm· K 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μ m ）
针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。
500km
连续辐射 线状辐射
可见光和红外
色球层
中
四五千度升 高到几万度
7000-8000km 形状多变，厚 度不定，一般 太阳直径的几 倍到十几倍
无线厘米波
日冕层
外
100万以 上
连续辐射
米波
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太阳常数
太阳电磁辐射强度用太阳常数表示。 太阳常数：不受大气影响，在距离太阳一个天文单位（约 15,000万 公里 ）的区域内，垂直于太阳辐射方向的单位面积、单位时间的黑 体所接收的辐射能量。（1.95W/cm2· min） 在世纪时标内，变化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。 在近日点垂直于大气上界的太阳辐射强度比太阳常数大3.4％；而在 远日点则比太阳常数小3.5％。
①太阳辐射的光谱是连续的 ②它的辐射特性与绝对黑体的辐射特性基本 一致
③从近紫外到中红外（0.3-6μm）这一波段
区间能量最集中而且相对来说较稳定；被
动遥感主要利用可见光、红外等稳定辐射
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地球辐射
Theoretical Planck curves: Earth ~300K, peak emission ~15 mm
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物体反射分类
根据物体表面的粗糙程度，反射分为： 1）镜面反射 3）混合反射 2）漫反射（朗伯反射） 4）方向反射
自然物体对电磁辐射都是混合反射，但是， 某一方向，反射波要强一些，这种现象称方 向反射。
判断物体光滑或粗糙程度的瑞利准则：
h

8 cos
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反射分类图示
(a) 镜面反射
(b) 漫反射（朗伯反射） (c) 方向反射 (d) 混合反射
太阳辐照度与太阳高度角有关
I I sinh
'
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太阳辐射及其能量分布
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太阳辐射及其能量分布
1）5900K的黑体辐射。
2）短波辐射（太阳辐射总能量的40％集中于0.4－0.76um 的可见光范围内，51％在0.76-1.4um近红外部分
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太阳辐射各波段的 百分比
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从太阳辐照度分布曲线可以看出：
– 比如说晚上在外面打开手电会看见光柱，按理说手电 不对着你的眼睛，光线不会自己拐弯钻进你的眼睛， 那你怎么会看见光柱呢？那是因为手电光被小尘埃阻 挡并反射到四面八方，一部分反射到你的眼睛里。
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电磁波的偏振（极化）
电磁破的偏振:如果电磁波在各方向上振幅大小不相同,且各方向振动之间 没有固定位相关系,极大值与极小值之间的夹角为90°，则称该波发生了偏 振现象。偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波。立体镜遥感影像 立体观察
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h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 W·2 s
k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W· K-1 s·
c: 光速;
λ : 波长（μ m）; T: 绝对温度（K）
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普朗克公式图示：
变化特点：
(1) 辐射出射度随波长 连续变化，只有一个 最大值；
(2) 温度越高，辐射出 射度越大，不同温度 的曲线不相交； (3) 随温度升高，辐射 最大值向短波方向移 动。
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1.2
电磁波的性质
1.在真空中以光速传播
c=f λ
2. 反射、吸收、透射现象 3. 散射 4. 偏振
4
电磁波与物体相互作用过程中，会出现三种情况： 反射、吸收、透射，遵守能量守恒定律。
Es( ) E ( ) E ( ) E ( )
( ) ( ) ( ) 1
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第二节 太阳辐射 和地球辐射 2.1 太阳辐射
2.2 地球辐射
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Hale Waihona Puke 2.1 太阳辐射• 遥感辐射源：能够产生电磁辐射的物
体。 • 分类：
• 人工辐射源：雷达（被动遥感） • 天然辐射源：太阳、地球（主动遥感）
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2.1 太阳辐射
太阳
太阳 大气 光球层 位置 内 温度 43007500 厚度 辐射特点 辐射的光谱
1）黑体 2）灰体 3）选择性辐射体
(如线谱，带谱)
1.0
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三、一般物体的发射
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基尔霍夫定律
给定温度下，任何地物的辐射通量密度W与吸收率 α 之比是常数，即等于同温度下黑体的辐射通量 密度。
M (, T ) (, T )

Mb(, T )
发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射 体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发射 该波长的电磁波。温度相同的两物体，对于某 波长的的辐射，如果甲比乙吸收得多，则甲比 乙发射得也多。
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电磁辐射的透射
透射：电磁辐射与介质作用后，穿过该介质到达另一种 介质的现象或过程。 透射率( )： 透射能量与入射总能量之比。
E E
1）水体在蓝绿波段，混水1-2米，一般水体10- 20米。 2）微波对地物具有明显的透射能力，由入射波的波长决定。
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散射
• 散射：辐射传播中，碰到小粒子向四面八 方散去，电磁波强度和方向发生各种变化 的现象。
如果是不透明的物体, 物体的反射率大，发射率就小； 反之，反射率小，发射率就大。