第二章遥感物理基础

（四）电磁波 的偏振
电磁波有偏振、部分偏振和非偏振波，许多散 射光、反射光、透射光是部分偏振光。偏振在微 波技术中称为“极化”。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。
偏振可以影响地物的反射率。
生活中的偏振如立体电影、偏光显微镜。
（五）电磁波 的多普勒效应
由观测者和辐射源的相对运动引起电磁波频率的改 变。如声波的改变，天文学中的红移现象形成大爆炸 理论的基础。
蓝 ：0.43 ~ 0.47μm 绿 ：0.50 ~ 0.56μm 橙 ；0.59 ~ 0.62μm
紫外线 ：0 .001 ~ 0.38 μm （紫外线在通过大气层时，波长小于
0.3μm的紫外线几乎都被吸收，只有0.3—0.4μm波长的紫外线部 分能 穿过大气层到达地面，且能量很少。紫外波段从空中可探测 的 高度大致在2000m以下，对高空遥感不宜采用。）
绝对黑体：对于任何波长的电磁辐射全部吸 收的物体。
绝对黑体是没有的，实验上理想的绝对黑体为空腔 壁由不透明的材料制成的、对辐射只有吸收和反射作用 的物体。最接近黑体的辐射源是恒星和太阳。
（示空腔壁）
不同类的物体具有不同的吸收率α和反射率 ρ。
1 绝对黑体：吸收率α(λ,T)≡1,反射率ρ （λ,T）≡0；
（三）太阳辐射和地球辐射
1 太阳辐射
传感器从空中或空间接收地物反射的电磁波，主要 是来自太阳辐射的一种转换形式。
1）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 时间里所接收的太阳辐射能量：
平均常数为1400W/m2
远地点常数为1345W/m2
近地点常数为1438W/m2 •太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量。
单位：瓦/米2。W= dφ/dA
4 辐射照度（E）：面辐射源在单位时间内，从单位
面积上接收的辐射能量。即照射到物体单位面积上的辐射 通量。
单位：瓦/米2。M= dφ/dA
5 辐射强度（I）：点辐射源在单位立体角、单位时
间内，向某一方向发出的辐射能量。即点辐射源在单位立 体角内发出的辐射通量。
单位：瓦/球面度。I=dφ/dω
（二）电磁波 的叠加和相干
由两个（或两个以上）频率、振动方向相同、相 位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成 波振幅为各个波的振幅的矢量和。因此会出现交叠 区某些地方振动加强，某些地方振动减弱或完全抵 消的现象。这种现象称为干涉。结果使得探测器在 某一位置接受到更多的能量，产生亮的效果，而在 另一位置接受到更少的能量，产生暗的效果，
遥感中运载工具与观测物之间的相对运动也会引起
电磁波频率的改变，但飞行速度与光速相差很大。多 普勒效应不明显。
（六）电磁波 的波粒二象性
电磁波具有波动性和粒子性两方面特性（似乎矛盾）
波动性可由波长、频率、速度、周期、相干、衍射、 偏振、多普勒效应来表征。
粒子性可由光电效应来表征。
不同波长的电磁波波动性和粒子性表现的程度不同， 短波长的电磁波主要表现为粒子性，而长波长的电磁 波主要表现为波动性。
2）太阳温度： 5900K，可近似的看作黑体辐射，
3) 太阳能量： 总辐射能为3.8 x 1033 尔格/秒， 到达地球的辐射能为1.8 x 1023 尔格/秒。
4）能量分布： 太阳辐射从近紫外到中红外这一 波段区间能量最集中而且相对来说较稳定。在X射线、 γ射线、远紫外及微波波段，能量小但变化大。被动遥 感主要利用可见光、红外等稳定辐射。
热惯量（P）是物体对环境温度变化的热反映灵敏 性的一种量度， P值越大，对环境温度变化的反映越迟 钝。热惯量与物体的密度及热学参量的关系为：
P =（k.ρ.c )1/2
P 热惯量 焦尔/厘米2 .秒1/2
k 热扩散系数 厘米2 /秒 （表示温度变化速率）
ρ 密度 克/厘米2
c 比热 焦尔/克 .度
热传导方程可证明，当物体吸收或损失的热量相同 时，其温度的变化幅度与热惯量的大小成反比。
λmax=2886/T微米.K
若知道了某物体温度，就可以推算出它所辐射的 波段。将太阳、地球的温度代入，可得峰值波0.47μm 和9,6 μm
如果辐射最大值在可见光波段，物体的颜色会随 着温度的升高而变化，波长变短。（如星体）
（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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不同温度下黑体辐射波谱曲线
图中可直观地看出黑体辐射的三个特性： （1）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。对普朗克公式进行积分， 即
（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。它表明：黑体的绝对温度 增高时，它的最大辐射本领向短波方向位移。
微波: 1mm - 1m （能进行全天候全天时的遥感探测。微波
遥感可以采用主动或被动方式成像，另外，微波对某些物质 具有一定的穿透能 力，能直接透过植被、冰雪、土壤等表层 覆盖物。 ）可分为：
毫米波:1mm - 10mm、 厘米波:1cm – 10cm :
分米波: 1dm – 10dm
红外波段: 0.76 - 1000μm （范围宽，为遥感主要 波段，
6 辐射亮度(L)：面辐射源在单位立体角、单位时间
内，在某一垂直于辐射方向单位面积上辐射出的辐射能量。 即辐射源在单位投影面积上、单位立体角内的辐射通量。 单位：瓦/米2.球面度。L=dφ/dω.dA cosθ
二 物体的热辐射
宇宙中的各种物体，如太阳、各种星体、一定厚 度的大气层、人造飞行器、地球及地球上各种生物、 非生物都是热辐射源。为了便于讨论一般物体的热辐 射性质，需要有一个理想的标准热辐射体作为参照源， 这个参照源就是绝对黑体。
（三）电磁波 的衍射
光通过有限大小的障碍物时偏离直线路径的现 象称为光的衍射。从夫朗和费衍射装置的单缝衍射 实验中可以看到：在入射光垂直于单缝平面时的单 缝衍射实验图样中，中间有特别明亮的亮纹，两侧 对称地排列着一些强度逐渐减弱的亮纹。如果单缝 变成小孔，由于小孔衍射，在屏幕上就有一个亮斑， 它周围还有逐渐减弱的明暗相间的条纹。
3）遥感主要波段为 8-14μm 该波段占其总辐射能的 约50%。（夜间成象）
第三节 地球大气对电磁辐射传输的影响
地球大气从垂直方向可划分成四层，对流层、平流 层、电离层和外大气层。
大气成分可分为不变成分和可变成分：
不变成分主要有氮、氧、氩、二氧化碳、氦、甲烷、 氧化氮、氢等（这些气体在80km以下的相对比例保持不 变，含量各不相同，空气中不变成分的相对含量是氮占 78.09％，氧占20.95%，氩等其余气体共占不到1％），
5）太阳与大气的作用
约30%的能量被云层和大气反射回去。约17%的能 量被大气吸收。约22%的能量被大气散射，大部分到 达地表。约31%的能量直接到达地表。
2 地球辐射
1）辐射特点 地球的温度为2900K，辐射峰值波长为 9,6 μm ，位于热红外区。
2）能量来源 太阳辐射与地球内部的热能，太阳辐射 从地表向下增温，地球内部的热能向上传导，形成热平 衡线，热平衡线以上主要受太阳辐射的影响，以下主要 受地球内部的热能的影响。固地球的长波辐射主要由太 阳的短波辐射转化而来。
0.98-0.99 0.92 0.96 0.63 0.94 0.05 0.03 0.21 0.07 0.90 0.92
同一种物体的发射率与温度有关
温度
-20oC 0oC
20oC 40oC
石英岩 0.694 0.682 0.621 0.664 花岗岩 0.787 0.783 0.780 0.777
（二）物体的热惯量
第二节 电磁辐射源
一 电磁辐射的有关概念
1 辐射能量（Q）：电磁波辐射的能量。
单位：焦耳（J）
2 辐射通量（辐射功率，φ）：单位时间内通过
某一表面的辐射能量。 单位：瓦（W，焦耳/秒）。φ=dQ/dt
3 辐射出射度（辐射通量密度W）：面辐射源
在单位时间内，从单位面积上辐射出的辐射能量。即物 体单位面积上发出的辐射通量。
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。实际物体的辐射不仅依赖于 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来表示它们之间的关系： •ε= W′/ W •发射率ε就是实际物体与同温度的黑体在相同条件 下辐射功率之比。
分类：
①绝对黑体ελ＝ε＝1
X射线 ：10-6 ~ 10-3μm
γ射线 ：小于10-6μm
特点
•电磁波波长范围非常宽。
•γ射线到----无线电波的波长之比高达1022
倍以上。
•遥感波段：紫外-微波。
•传感器通过探测或感测不同波段电磁波谱的 发射、反射辐射而成像，电磁波的存在是获取 图像的物理前提。根据不同的目的选择不同的 波谱段。
二 电磁波谱
不同的电磁波由不同的波源产生。γ射线、X射线、 紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都属于电 磁波。如果我们按电磁波在真空中传播的波长或频率递 增或递减顺序排列，就能得到电磁波谱图。
电磁波波长范围非常宽
无线电波:
长波: 大于3000m 超短波: 1 - 10m
中波和短波: 10 - 3000m
白天夜间均可成像）其中
近红外； 0.76 - 3μm
远红外： 6 - 15μm （也有其它划分）
中红外： 3 - 6μm 超远红外： 15 - 1000μm
可见光： 0.38 ~ 0.76μm （范围窄，遥感主要波段）其中
紫 ：0.38 ~ 0.43μm 青 ：0.47 ~ 0.50μm 黄 ；0.56 ~ 0.59μm 红 ；0.62 ~ 0.76μm