第三章 电磁波与媒质的相互作用 (2)
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微波遥感技术 第三章 电磁波与媒质的相互作用
授课老师：李亚超
2013-7-12
1
电磁波与媒质的相互作用— 教学内容
有耗均匀媒质的电磁波传输特性
电磁波分界面的反射与透射 TE波和TM波 全反射和全透射 面散射和体散射
2013-7-12
2
电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性 微波遥感要从接收的电磁回波信号中提取被探测目标的信息。
电磁波与物质（例如分子和原子结构）的相互作用有众多的机 制 决定于电磁波的频率（即光子能量）和物质的能级结构； 电磁波与物质的相互作用从本质是电磁波与物质之间的能量交 换引起物质的电子、分子等的运动状态变化。
2013-7-12
3
电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性
电磁波在有耗均匀媒质中穿透深度可以定义为
1 dP kI
电导率极大时
kI 为媒质复介电常数的虚部
dP
电导率极小时
2
dP
2
4
电磁波在有耗媒质中的传播
为媒质复介电常数 为磁导率 为电导率
2013-7-12
电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性
结论1： a)媒质的复介电常数的虚部与电磁波传播的幅度有关； b)媒质的复介电常数的实部与电磁波传播的相位有关； c)虚部表示导电媒质的损耗，使在媒质中传播的电磁波发生衰减。
2013-7-12
12
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
雷达散射截面： 在指定方向上单位立体角的散射功 (W 1 ) 率 ( ) 入射波功率密度/ 4（Wm 2 1 ) R E E
i 2 2 s 2
/ 4
4 S
2
总散射截面： 总散射功率(W ) T 入射波功率密度（ 2 ) Wm
该电磁波入射到分界面时，其布鲁斯特角大小是多少？
3.
当入射角和折射角分别为30 ° 和12.6 ° 时，其折射率比值为多少，
4.
请分别计算出X、L、P、K波段下，按瑞利标准近似光滑表面时， 其最小不同反射平面的路径差是多少？波段波长在其范围内自设。
2013-7-12
17
2013-7-12
16
电磁波与媒质的相互作用— 作业 本章课后作业 1. 在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测 信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？ 2. 假设发射电磁波工作在2.16GHz，在 穿透无磁物质时，其电导率
0 , 300 0 ，则电磁波穿透深度为多少 ？ 和介电常数关系为
• • • • 形状 介电特性 取向 表面粗糙度
14
观测条件：
• 入射角 • 频率 • 极化
2013-7-12
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射 瑞利粗糙度标准(表面光滑程度判读准则) 不同平面发射路径差带来的相位差
4h cos0
S
2 瑞利近似体散射系数(Q 单个粒子的总散射截面 Q 单个粒子的吸收截面) 低透明度：γV 0 Rayleigh 近似： 3a vol cos 3 4 Qs 2 高透明度：小指数近似 3a 2 vol cos (1 γV ( )) 3a vol cos (1 1 2 e h / cos ) 4 4 a Qs / Qe 单散射反照率 3a e h NV h 2
结论2： a)电导率越大，电磁波传播衰减越大，穿透深度越小； b)电导率越小，电磁波传播衰减越小，穿透深度越大。
2013-7-12
5
电磁波与媒质的相互作用— 电磁波分界面的反射与透射
辐射强度媒质中的传播，媒质 的作用
成像遥感（主动和被动） 作用
• 散射与发射
吸收 发射 散射
地面上层间相互作用（辐射传输）
Snell定律
sin i kt nt sin t ki ni
ni c i i nt c t t
折射指数
2013-7-12
TE波与TM波
8
电磁波与媒质的相互作用— 全反射和全透射 全反射
电磁波折射角大到临界值90 °时
全透射
nt 此时，入射角 i arcsin ni
e
2013-7-12
15
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
wk.baidu.com
被动微波遥感： 传感器与被观测目标之间的散射体可以引起目标辐射特性的测量误差 （信号、干扰） 主动微波遥感： 方向性； 前向与后向。 大目标和小目标极限散射 大目标：>>波长几何光学近似（与波长无关，直接决定于物理截面） 小目标：<<波长Raleigh近似（与形状无关，决定于尺寸和取向）
• • • • 冰雪覆盖 植被 作物 土壤
主动遥感（雷达）
• 主要是散射； • 要考虑吸收； • 发射可忽略（与入射相比）；
2013-7-12
6
电磁波与媒质的相互作用— 电磁波分界面的反射与透射
电磁波在有界空间传播中，在 不同媒质之间传输时，分界面上 发生反射和透射； 良导体电磁场主要存在于导体 表层的深度内；
2013-7-12
13
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
对于理想散射体，总散射界面等于目标的实际截面积 对于非理想散射体，总散射界面小于目标实际截面积
吸收截面： 总吸收功率(W ) a 入射波功率密度（ 2 ) Wm 总截面 总散射截面 吸收截面
目标的雷达散射截面（RCS） 目标特性：
TE波：同类媒质中传输会发生全透射现象； 在不同类媒质分界面上不会出现全透射现象。
t TM波：在不同类媒质中传输，当 i arctan 。 i 会发生全透射现象。
2013-7-12
9
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射 面散射
电磁波在进入均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来，一 部分在媒质内部衰减直到消失，称该散射为面散射。
完美良导体电磁波穿透深度为
零，电流主要集中在导体表面， 叫表面电流。
不同媒质下电磁波反射与透射示意图
2013-7-12
7
电磁波与媒质的相互作用— TE波和TM波
具有任意极化的电磁波都可以分解为TE（Electric field ）波和TM （Magnetic field ）波。 TE波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，称水平极化波（H波）； TM波是电场矢量平行于入射平面的极化波，称垂直极化波（V波）； 当这两种波入射到两种均匀介质的光滑界面上时，产生反射和折射。
前向散射：散射波与入射波在同一方向；（辐射传输） 后向散射：散射波与入射波方向相反。（雷达） 后向散射截面
2013-7-12
11
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
雷达散射截面（RCS）
为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射 目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射 特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。 用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的散射能 量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实 目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。 目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体 辐射的总功率与入射功率密度的比值。
体散射 电磁波在进入非均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来， 一部分在媒质内部又散射回去，称由媒质非均匀引起的散射为体散 射。
2013-7-12
10
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
散射：由于目标引起的入射电磁波的方向改变 入射波的相关扰动 随机扰动：单方向多方向 散射的定量描述：RCS（雷达散射界面，Radar Cross Section）
授课老师：李亚超
2013-7-12
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电磁波与媒质的相互作用— 教学内容
有耗均匀媒质的电磁波传输特性
电磁波分界面的反射与透射 TE波和TM波 全反射和全透射 面散射和体散射
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电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性 微波遥感要从接收的电磁回波信号中提取被探测目标的信息。
电磁波与物质（例如分子和原子结构）的相互作用有众多的机 制 决定于电磁波的频率（即光子能量）和物质的能级结构； 电磁波与物质的相互作用从本质是电磁波与物质之间的能量交 换引起物质的电子、分子等的运动状态变化。
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电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性
电磁波在有耗均匀媒质中穿透深度可以定义为
1 dP kI
电导率极大时
kI 为媒质复介电常数的虚部
dP
电导率极小时
2
dP
2
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电磁波在有耗媒质中的传播
为媒质复介电常数 为磁导率 为电导率
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电磁波与媒质的相互作用— 有耗均匀媒质传输特性
结论1： a)媒质的复介电常数的虚部与电磁波传播的幅度有关； b)媒质的复介电常数的实部与电磁波传播的相位有关； c)虚部表示导电媒质的损耗，使在媒质中传播的电磁波发生衰减。
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电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
雷达散射截面： 在指定方向上单位立体角的散射功 (W 1 ) 率 ( ) 入射波功率密度/ 4（Wm 2 1 ) R E E
i 2 2 s 2
/ 4
4 S
2
总散射截面： 总散射功率(W ) T 入射波功率密度（ 2 ) Wm
该电磁波入射到分界面时，其布鲁斯特角大小是多少？
3.
当入射角和折射角分别为30 ° 和12.6 ° 时，其折射率比值为多少，
4.
请分别计算出X、L、P、K波段下，按瑞利标准近似光滑表面时， 其最小不同反射平面的路径差是多少？波段波长在其范围内自设。
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电磁波与媒质的相互作用— 作业 本章课后作业 1. 在微波遥感中，被探测目标为各向异性的导体，对微波遥感探测 信息获取或目标图像信息反演会带来什么影响？ 2. 假设发射电磁波工作在2.16GHz，在 穿透无磁物质时，其电导率
0 , 300 0 ，则电磁波穿透深度为多少 ？ 和介电常数关系为
• • • • 形状 介电特性 取向 表面粗糙度
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观测条件：
• 入射角 • 频率 • 极化
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电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射 瑞利粗糙度标准(表面光滑程度判读准则) 不同平面发射路径差带来的相位差
4h cos0
S
2 瑞利近似体散射系数(Q 单个粒子的总散射截面 Q 单个粒子的吸收截面) 低透明度：γV 0 Rayleigh 近似： 3a vol cos 3 4 Qs 2 高透明度：小指数近似 3a 2 vol cos (1 γV ( )) 3a vol cos (1 1 2 e h / cos ) 4 4 a Qs / Qe 单散射反照率 3a e h NV h 2
结论2： a)电导率越大，电磁波传播衰减越大，穿透深度越小； b)电导率越小，电磁波传播衰减越小，穿透深度越大。
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电磁波与媒质的相互作用— 电磁波分界面的反射与透射
辐射强度媒质中的传播，媒质 的作用
成像遥感（主动和被动） 作用
• 散射与发射
吸收 发射 散射
地面上层间相互作用（辐射传输）
Snell定律
sin i kt nt sin t ki ni
ni c i i nt c t t
折射指数
2013-7-12
TE波与TM波
8
电磁波与媒质的相互作用— 全反射和全透射 全反射
电磁波折射角大到临界值90 °时
全透射
nt 此时，入射角 i arcsin ni
e
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电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
wk.baidu.com
被动微波遥感： 传感器与被观测目标之间的散射体可以引起目标辐射特性的测量误差 （信号、干扰） 主动微波遥感： 方向性； 前向与后向。 大目标和小目标极限散射 大目标：>>波长几何光学近似（与波长无关，直接决定于物理截面） 小目标：<<波长Raleigh近似（与形状无关，决定于尺寸和取向）
• • • • 冰雪覆盖 植被 作物 土壤
主动遥感（雷达）
• 主要是散射； • 要考虑吸收； • 发射可忽略（与入射相比）；
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电磁波与媒质的相互作用— 电磁波分界面的反射与透射
电磁波在有界空间传播中，在 不同媒质之间传输时，分界面上 发生反射和透射； 良导体电磁场主要存在于导体 表层的深度内；
2013-7-12
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电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
对于理想散射体，总散射界面等于目标的实际截面积 对于非理想散射体，总散射界面小于目标实际截面积
吸收截面： 总吸收功率(W ) a 入射波功率密度（ 2 ) Wm 总截面 总散射截面 吸收截面
目标的雷达散射截面（RCS） 目标特性：
TE波：同类媒质中传输会发生全透射现象； 在不同类媒质分界面上不会出现全透射现象。
t TM波：在不同类媒质中传输，当 i arctan 。 i 会发生全透射现象。
2013-7-12
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电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射 面散射
电磁波在进入均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来，一 部分在媒质内部衰减直到消失，称该散射为面散射。
完美良导体电磁波穿透深度为
零，电流主要集中在导体表面， 叫表面电流。
不同媒质下电磁波反射与透射示意图
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电磁波与媒质的相互作用— TE波和TM波
具有任意极化的电磁波都可以分解为TE（Electric field ）波和TM （Magnetic field ）波。 TE波是电场矢量垂直于入射平面的极化波，称水平极化波（H波）； TM波是电场矢量平行于入射平面的极化波，称垂直极化波（V波）； 当这两种波入射到两种均匀介质的光滑界面上时，产生反射和折射。
前向散射：散射波与入射波在同一方向；（辐射传输） 后向散射：散射波与入射波方向相反。（雷达） 后向散射截面
2013-7-12
11
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
雷达散射截面（RCS）
为了定量描述物体的微波散射特性，人们定义了一个标准散射 目标，并且用所观测目标的散射特性与之比较作为对目标散射 特性的一种定量描述，这就是雷达散射截面和雷达散射系数。 用作比较的标准目标就是一个在各个方向上具有相同的散射能 量分布的等效各向同性散射体，该目标的散射功率密度与真实 目标在所考虑方向上的散射功率密度相同。 目标在某一方向的雷达散射截面就定义为等效各向同性散射体 辐射的总功率与入射功率密度的比值。
体散射 电磁波在进入非均匀有耗煤质分界表面时，一部分能量反射回来， 一部分在媒质内部又散射回去，称由媒质非均匀引起的散射为体散 射。
2013-7-12
10
电磁波与媒质的相互作用— 面散射和体散射
散射：由于目标引起的入射电磁波的方向改变 入射波的相关扰动 随机扰动：单方向多方向 散射的定量描述：RCS（雷达散射界面，Radar Cross Section）