幻灯 第二节电磁辐射源

2电磁波辐射源2.1电磁辐射源2.2黑体辐射2.3黑体辐射定律2.4一般辐射体和发射率2.5基尔霍夫定律2.1电磁辐射源自然界中一切物体在发射电磁波的同时，也被其它物体发射电磁波所辐射。遥感的辐射源可分自然电磁辐射源和人工电磁辐射源两类，它们之间没有什么原则区别。就象电磁波谱一样，从高频率到低频率是连续的。物质发射的电磁辐射也是连续的。（1）自然辐射源自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射。太阳辐射是可见光及近红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。2.1、电磁辐射源1.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3μm的波长主要是太阳辐射的能量；大于6μm的波长，主要是地物本身的热辐射；3-6μm之间，太阳和地球的热辐射都要考虑。①.太阳辐射。太阳辐射是地球上生物、大气运动的能源，也是被动式遥感系统中重要的自然辐射源。太阳表面温度约有6000K，内部温度则更高。图2.11为地球表面所测的太阳光谱辐射强度曲线，其中上部那条连续曲线是地球大气层以上粗略的太阳辐射光谱曲线，它与温度为5800K的理想黑体所产生的光谱曲线相似。②.地球的电磁辐射。地球辐射可分为两个部分：短波（0.3—2.5μm）和长波（6μm以上）部分。地球表面平均温度27℃（绝对温度300K），地球辐射峰值波长为9.66μm。在9—10μm之间，地球辐射属于远红外波段。（2）人工辐射源主动式遥感采用人工辐射源。人工辐射源是指人为发射的具有一定波长（或一定频率）的波束。工作时接收地物散射该光束返回的后向反射信号强弱，从而探知地物或测距，称为雷达探测。雷达又可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，目前常用的主要为侧视雷达。①微波辐射源。在微波遥感中常用的波段为0.8—30cm。微波遥感的探测波段与相应频率如表2-3中所列。由于微波波长比可见光、红外线波长要长。因此，在技术上微波遥感应用的主要是电学技术，而可见光、红外遥感应用则偏重于光学技术。②.激光辐射源。目前研究成功的激光器种类很多。按照工作物质的类型可分为：气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器和化学激光器等；按激光输出方式可分为：连续输出激光器和脉冲输出激光器。激光器发射光谱的波长范围较宽，短波波长可至0.24μm以下，长波波长可至1000μm，输出功率低的仅几微瓦，高的可达几兆兆瓦以上。激光在遥感技术中逐渐得到应用，其中应用较广的为激光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，它可精确测定卫星的位置、高度、速度等，也可测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可利用物体的散射性及荧光、吸收等性能监测污染和勘查资源。在遥感图像处理中，采用激光输出器和激光存储器，可大大提高图像处理的速度和精度。地物发射电磁波的能力以发射率作为衡量标准；地物的发射率是以黑体辐射作为参照标准。1.黑体：在任何温度下，对各种波长的电磁辐射的吸收系数等于1（100%）的物体。2.黑体辐射(BlackBodyRadiation)：黑体的热辐射称为黑体辐射。2.2黑体辐射黑体：对任何波长的辐射，反射率和投射率都等于0。黑体是一种理想的吸收体，自然界没有真正的黑体。人工制造的接近黑体的吸收体2.3黑体辐射的定律2.2.1普朗克公式2.2.2斯蒂芬－玻尔兹曼定律2.2.3维恩位移定律描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。表示出了黑体辐射通量密度与温度的关系以及按波长分布的规律。2.3.1普朗克公式)1(2),(5kThc2bechTMh:普朗克常数6.6260755*10-34W·s2k:玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23W·s·K-1c:光速;λ:波长（μm）;T:绝对温度（K）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。图示普朗克公式2.3.2斯蒂芬－玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann'slaw对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂芬－玻尔兹曼定律。辐射通量密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。TbW4σ:斯蒂芬－玻尔兹曼常数，5.6697＋－0.00297）×10－12Wcm-2K-4红外装置测试温度的理论根据。2.3.3维恩位移定律Wien'sdisplacementlawbTmaxb:常数，2897.8＋－0.4μm·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。随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm）针对要探测的目标，选择最佳的遥感波段和传感器。温度3005001000200030004000500060007000波长9。665。802。901。450。970。720。580。480。412.4、地物的发射率和基尔霍夫定律1)发射率(Emissivity)：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。它也是遥感探测的基础和出发点。•影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。黑WW按照发射率与波长的关系，把地物分为：黑体或绝对黑体：发射率为1，常数。灰体(greybody)：发射率小于1，常数选择性辐射体：反射率小于1，且随波长而变化。2.4一般辐射体和发射率对于一般物体而言，需要引入发射率（热辐射率、比辐射率），表明物体的发射本领。),(),(),(TMTMTb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：1）黑体2）灰体3）选择性辐射体(如线谱，带谱)2.4一般辐射体和发射率2)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W黑。黑WW黑WW在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。4TW地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。2.5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。),(),(),(TMTMTb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。