第2章 电磁波与遥感物理基础
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I = d F / dW，单位：W . sr-1
2.物体的热辐射
热辐射——由于物体内部微观粒子的热运动所引起的 电磁辐射。
物体热辐射的强弱取决于地物自身性质和温度，辐射能 量分布随波长的不同而变化。
太阳（表面温度6000K） 热辐射体
地球（平均温度300K）
3.绝对黑体 （1）绝对黑体：对任何波长的辐射，吸收率等于1，
第2章电磁波与遥感物理基础
§2.1 电磁波与电磁波谱 §2.2 电磁波辐射源 §2.3 地物的反射辐射 §2.4 地球辐射与地物波谱特征
§2.1 电磁波与电磁波谱
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：在空间传播的交变电磁场。当电磁振荡进入空间时，变化 的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波， 也称电磁辐射。
M 0M()d
用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，
M= σT4
式中，σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数，σ =5.67 × 10-8 W/m2K4。
③维恩位移定律： 实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最
大值对应的波长向短波方向移动
任何复杂的电磁波都可以 分解成许多比较简单的电磁 波；
比较简单的电磁波也可以 合成为复杂的电磁波。（白
光的色散和合成，计算机显示器的工 作原理， 混合像元的分解 ）
电磁波的衍射
电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传 播方向地现象，称为电磁波的衍射。
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。
依次为： γ射线—X射线—紫外线—
可见光—红外线—微波—无线电 波。
各种电磁波的特点
γ射 线
X射 线 紫外 线 可见 光 红外 线 微 波
波长范围
小于 10－6 μm
10－6 μm ~10－ 3 μm
10－3 ~0.38 μm
球的热辐射都要考虑。
1.电磁辐射的度量术语
（3）辐照度（E） 单位面积上接收的辐射通量。 E= d F / dA ，单位：W . m-2
（4）辐射出射度（M） 单位面积上辐射出的辐射通量。 M= d F / dA ，单位：W . m-2
（5）辐射强度（I） 点辐射源在某一方向单位立体角内
的辐射通量。
E 电场，M 磁场，
C 传播方向
描述电磁波的物理量：波长、频率、振幅、位相等。 c=f*, f 频率，波长
麦克斯韦 （1831-1879）
波动性
普朗克 （1858-1947）
爱因斯坦 （1879-1955）
粒子性
电磁波的叠加原理
当两列波在同一空间传播 时，空间上各点的振动为各 列波单独振动的合成。
§2.1 电磁波与电磁波谱
电磁波
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。
电磁波的基本特征： 1.电磁波的传播
电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直， 传播速度为3×108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生 作用时会有反射、吸收、透射、散射等。电磁波是遥感信息 的载体，电磁波理论是遥感的物理理论基础。
电磁波的偏振
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动 分量，称为电磁波的偏振。
3.粒子性
把电磁波作为粒子对待时，能量:
h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关： 波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈 长，辐射的波动特性愈明显。
自然辐射源
➢ 太阳辐射：是可见光和近红 外的主要辐射源；常用5900 的黑体辐射来模拟；其辐射 波长范围极大；辐射能量集 中-短波辐射。大气层对太 阳辐射的吸收、反射和散射 。
➢ 地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是太阳辐射 的能量；大于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
黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反 比：
max T b
b为常数， b =2.898 10-3mK
波长越长，最强辐射波长越短 例如太阳光 =490nm ，可估计出太阳表面温度近似为 5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10mm。
用途 医学
医学
可见光 遥感 红外遥 感 微波遥 感
常用的遥感波段：
§2.2 物体的发射辐射
电磁辐射源：能辐射任何波长电磁波 的物质。
自然辐射源 人工辐射源 (主动式遥感的辐射源
，雷达探测。分为微 波雷达和激光雷达)
不同辐射源的电磁辐射信息存在一定的差异，可由相 应探测波段的遥感器以成像或非成像的方式进行记录。
（2）黑体辐射规律：
①普朗克公式
1900年，普朗克由量子论推导出热辐射定理，即普朗克公式：
Mb(,T)5(e2hchkcT21)
h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1
c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
0.38 ~0 .76 μm
0.76μm ~ 1 mm
1mm ~ 1m
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
特点 非常强的穿透力，很难观
察到Hale Waihona Puke Baidu动性 较强的穿透力，粒子性突
出
明显的波粒二象性
波动性明显
M, 辐射出射度
变化特点：
(1) 辐射通量密度随波 长连续变化，只有一个 最大值；
(2) 温度越高，辐射通 量密度越大，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。
②斯蒂芬－玻尔兹曼定律
整个电磁波谱的总辐射出射度 M, 可以用某一单位波长 间隔的辐射出射度Mλ对波长 λ 由 O 到无穷大的整个电磁 波段积分，
反射率和透射率都等于0。与温度和波长无关。
黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。
用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)就是一个 黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空 腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一 部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略 去不计。小孔即相当于黑体的表面。
2.物体的热辐射
热辐射——由于物体内部微观粒子的热运动所引起的 电磁辐射。
物体热辐射的强弱取决于地物自身性质和温度，辐射能 量分布随波长的不同而变化。
太阳（表面温度6000K） 热辐射体
地球（平均温度300K）
3.绝对黑体 （1）绝对黑体：对任何波长的辐射，吸收率等于1，
第2章电磁波与遥感物理基础
§2.1 电磁波与电磁波谱 §2.2 电磁波辐射源 §2.3 地物的反射辐射 §2.4 地球辐射与地物波谱特征
§2.1 电磁波与电磁波谱
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：在空间传播的交变电磁场。当电磁振荡进入空间时，变化 的磁场激发了变化的电场，使电磁振荡在空间传播，形成电磁波， 也称电磁辐射。
M 0M()d
用普朗克公式对波长积分，得到斯忒藩一玻尔兹曼定律，即 绝对黑体的总辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，
M= σT4
式中，σ为斯忒藩一玻尔兹曼常数，σ =5.67 × 10-8 W/m2K4。
③维恩位移定律： 实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最
大值对应的波长向短波方向移动
任何复杂的电磁波都可以 分解成许多比较简单的电磁 波；
比较简单的电磁波也可以 合成为复杂的电磁波。（白
光的色散和合成，计算机显示器的工 作原理， 混合像元的分解 ）
电磁波的衍射
电磁波遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而 弯曲地向障碍物地后面传播。把这种通过障碍物边缘改变传 播方向地现象，称为电磁波的衍射。
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。
依次为： γ射线—X射线—紫外线—
可见光—红外线—微波—无线电 波。
各种电磁波的特点
γ射 线
X射 线 紫外 线 可见 光 红外 线 微 波
波长范围
小于 10－6 μm
10－6 μm ~10－ 3 μm
10－3 ~0.38 μm
球的热辐射都要考虑。
1.电磁辐射的度量术语
（3）辐照度（E） 单位面积上接收的辐射通量。 E= d F / dA ，单位：W . m-2
（4）辐射出射度（M） 单位面积上辐射出的辐射通量。 M= d F / dA ，单位：W . m-2
（5）辐射强度（I） 点辐射源在某一方向单位立体角内
的辐射通量。
E 电场，M 磁场，
C 传播方向
描述电磁波的物理量：波长、频率、振幅、位相等。 c=f*, f 频率，波长
麦克斯韦 （1831-1879）
波动性
普朗克 （1858-1947）
爱因斯坦 （1879-1955）
粒子性
电磁波的叠加原理
当两列波在同一空间传播 时，空间上各点的振动为各 列波单独振动的合成。
§2.1 电磁波与电磁波谱
电磁波
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。
电磁波的基本特征： 1.电磁波的传播
电磁波是横波，质点的震动方向与波的传播方向垂直， 传播速度为3×108 m/s，不需要媒质也能传播，与物质发生 作用时会有反射、吸收、透射、散射等。电磁波是遥感信息 的载体，电磁波理论是遥感的物理理论基础。
电磁波的偏振
电磁波遇到“狭缝”的障碍物时，能够通过狭缝的振动 分量，称为电磁波的偏振。
3.粒子性
把电磁波作为粒子对待时，能量:
h : 普朗克常数，6.6260755×10－34 J s c : 光速； v : 频率
能量越大，波长越短，粒子性越强，直线性越强。
❖ 波粒二象性的程度与电磁波的波长有关： 波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈 长，辐射的波动特性愈明显。
自然辐射源
➢ 太阳辐射：是可见光和近红 外的主要辐射源；常用5900 的黑体辐射来模拟；其辐射 波长范围极大；辐射能量集 中-短波辐射。大气层对太 阳辐射的吸收、反射和散射 。
➢ 地球的电磁辐射：小于3 μm的波长主要是太阳辐射 的能量；大于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
黑体辐射光谱中最强辐射的波长max与黑体绝对温度T成反 比：
max T b
b为常数， b =2.898 10-3mK
波长越长，最强辐射波长越短 例如太阳光 =490nm ，可估计出太阳表面温度近似为 5900K；地表温度为300K，地表辐射的约为10mm。
用途 医学
医学
可见光 遥感 红外遥 感 微波遥 感
常用的遥感波段：
§2.2 物体的发射辐射
电磁辐射源：能辐射任何波长电磁波 的物质。
自然辐射源 人工辐射源 (主动式遥感的辐射源
，雷达探测。分为微 波雷达和激光雷达)
不同辐射源的电磁辐射信息存在一定的差异，可由相 应探测波段的遥感器以成像或非成像的方式进行记录。
（2）黑体辐射规律：
①普朗克公式
1900年，普朗克由量子论推导出热辐射定理，即普朗克公式：
Mb(,T)5(e2hchkcT21)
h: 普朗克常数, 6.6260755*10-34 W·s2 k: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1
c: 光速; λ: 波长（μm）; T: 绝对温度（K）
0.38 ~0 .76 μm
0.76μm ~ 1 mm
1mm ~ 1m
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
特点 非常强的穿透力，很难观
察到Hale Waihona Puke Baidu动性 较强的穿透力，粒子性突
出
明显的波粒二象性
波动性明显
M, 辐射出射度
变化特点：
(1) 辐射通量密度随波 长连续变化，只有一个 最大值；
(2) 温度越高，辐射通 量密度越大，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。
②斯蒂芬－玻尔兹曼定律
整个电磁波谱的总辐射出射度 M, 可以用某一单位波长 间隔的辐射出射度Mλ对波长 λ 由 O 到无穷大的整个电磁 波段积分，
反射率和透射率都等于0。与温度和波长无关。
黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。
用不透明材料制成的开有小孔的空腔(如上图)就是一个 黑体模型。空腔外面的辐射能够通过小孔进入空腔，进入空 腔的射线，在空腔内进行多次反射，每反射一次内壁吸收一 部分能量，最后全部被吸收掉，从小孔穿出的辐射能可以略 去不计。小孔即相当于黑体的表面。