电磁波谱电磁辐射的性质

遥感原理与方法RS第2章电磁辐射及物体的波谱特性遥感原理与方法RS第2章电磁辐射及物体的波谱特性内容提要：本章是遥感的理论基础，主要介绍电磁辐射的基本概念，电磁波谱，电磁辐射的性质；物体的反射波谱，发射波谱，太阳和地球的电磁辐射；电磁辐射的大气传输特性以及大气窗口。重点和难点：电磁辐射的本质，电磁波谱，物体的反射波谱特性，发射辐射能力，以及大气对电磁辐射的衰减特点。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射①电磁辐射的本质第2章电磁辐射及物体的波谱特性EHxλ遥感原理与方法RS2.1电磁辐射①电磁辐射的本质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★波动性：电磁辐射是振源发出的电磁场在空间以速度v传播的横波，具有波动的特性。物理量：波长λ、周期Ｔ、频率ν、振幅Ａ、波数Ｎ、圆波数k、角频率ω、波速υ、初相位θ、ψ是波函数，参数之间的关系：ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ]遥感原理与方法RS2.1电磁辐射①电磁辐射的本质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★粒子性：电磁辐射是一种在时空上不连续的物质微粒的随机性运动过程，携带一定的能量。光子－－电磁辐射量子化的单位光子的能量ＥＥ＝ｈν光子的动量ＰＰ＝h／λｈ＝6.625×10－２７尔格∙秒，普朗克常数遥感原理与方法RS2.1电磁辐射①电磁辐射的本质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★波粒二象性：波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化；在传播过程中以波动性为主，遵守波动规律，当与物质作用时又以粒子性为主。波长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能量较大的粒子性显著。Ｓ＝｜Ａ｜２Ｓ－粒子流密度，A－波的振幅遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性★定义：为了便于比较电磁辐射的内部差异和进行描述，按照它们的波长(或频率)大小，依次排列画成图表，该图表就叫做电磁波谱。★电磁辐射波段：宇宙射线、γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波、工业用电遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性★紫外线(UitravioletRayUV)波长３ｎｍ－0.38μｍ，由原子或分子外层电子跃迁产生，分成近紫外(0.38μｍ－300ｎｍ)、远紫外(300－200ｎｍ)和超远紫外(200－３ｎｍ)，粒子性明显。0.3μｍ者被大气吸收，0.3－0.38μｍ的通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性★可见光(VisibleLight)波长0.38μｍ－0.76μｍ，由分子外层电子跃迁产生，眼睛能够观察的唯一波区。通过透镜聚焦，经过棱镜色散，分成各种色光波段，具光化作用和光电效应，用胶片和光电探测器收集记录。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性★红外线(InfraredRayIR)波长0.76－1000μｍ，由分子振动与转动产生，分成近红外(0.76－3μｍ)，中红外(３－６μｍ)，远红外(６－15μｍ)超远红外(15－300μｍ)和赫兹波(300－1000μｍ)。其中0.76－1.4μｍ的辐射可以用摄影方式探测，称摄影红外；中远红外是物体发射的热辐射（热红外），用光学机械扫描方式获取。红外线能聚焦、色散、反射，具有光电效应。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射②电磁波谱第2章电磁辐射及物体的波谱特性★微波(Microwave)微波波长0.1－100cm，由固体金属分子转动所产生。分为毫米波、厘米波和分米波，特点是能穿云透雾，穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★波的叠加原理：数列波在传播过程中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性(频率、波长、振幅、振动方向等)不变，按照自己原来的传播方向继续前进，在相遇区域内，任一点的振动为各波所引起的振动的合成。遥感中，所遇到的电磁波的波形都很复杂，可以用多个正弦波的叠加构成。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁波的干涉：频率相同、振动方向相同、相位相同或相位相差恒定的两(数)列波相遇时，使某些地方振动始终加强，而在另一些地方振动始终减弱的现象叫做波的干涉现象。作用：利用能量增大趋势，使图像清晰，方向性强；影响：造成同一物质所表现的性质不同。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁波的衍射：辐射在传播过程中遇到阻碍物时，其传播方向发生改变，能够绕过障碍物边缘继续前进的现象。１）通过传感器孔径的电磁辐射发生衍射，数量、质量和方向都发生变化，结果测不准；２）光学仪器的最小分辨角θ０＝1.22λ/Dλ电磁辐射的波长，D光学仪器的孔径；３）缩小阴影区域。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁波的偏振(极化)概念：电磁波在各方向上振幅大小不同，且没有固定位相关系，极大值与极小值之间的夹角为90°的的现象称偏振现象。作用：偏振摄影，侧视雷达成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立体镜进行遥感影像立体观察等。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性偏振(极化)的产生遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁波的多普勒效应概念：电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。作用：确定目标物运动速度，进行信息处理遥感原理与方法RS2.1电磁辐射③基本性质第2章电磁辐射及物体的波谱特性★光电效应电磁辐射的能量激发物体，释放出带电粒子，形成光电流，称电磁辐射的光电效应。1)具有一定的截止频率，其数值为v０＝A/h2)电子的初动能与辐射的频率成线性关系3)光电流的强度和入射的电磁辐射强度成正比遥感原理与方法RS2.1电磁辐射④电磁辐射的产生第2章电磁辐射及物体的波谱特性★物质内部结构：分子－原子－原子核与电子★运动规律：电子的绕核运动、原子核在平衡位置上的振动、分子以其质量中心为轴的转动3种当没有外来能量刺激时，这些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会改变运动状态，从低能量轨道跃升到高能量轨道上去。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射④电磁辐射的产生第2章电磁辐射及物体的波谱特性★基态根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为Ｅ1＝ｈν★激发态基态粒子接收外来能量后，跃升到较高能量的运动状态，这种状态称为激发态。激发态的能量En＝nｈν。ｎ为电子层数，表示电子离核的距离。●激发粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发●激发能激发态与基态的能量之差，称激发能●激发方式电能激发、热能激发和辐射能激发。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射④电磁辐射的产生第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁辐射的产生粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于激发态的粒子十分不稳定，在10－８秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况：一是与另一个粒子碰撞，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射产生；二是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带走，产生电磁辐射。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射④电磁辐射的产生第2章电磁辐射及物体的波谱特性★电磁辐射的频率与波长以△Ｅ表示各能级的激发能，光子的能量为ｈν，二者相等。即较高状态的粒子跃迁到较低能级时多余的能量△Ｅ就以光子的能量ｈν辐射出去。△Ｅ＝Ｅ2－Ｅ1＝ｈν这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为ν=△Ｅ/ｈλ=C/ν=C•h/△E遥感原理与方法RS2.1电磁辐射④电磁辐射的产生第2章电磁辐射及物体的波谱特性★辐射形式共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光子频率一样。荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基态，发射的光子频率比吸收的光子频率低。热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，发生热运动，引起粒子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，产生能级跃迁。由碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转变到低能运动状态，发出电磁辐射。遥感原理与方法RS2.1电磁辐射⑤电磁辐射的度量第2章电磁辐射及物体的波谱特性★辐射能Q电磁辐射所携带的能量，表示在给定时间间隔内由辐射源辐射出的全部能量，量纲是焦耳（J）。★辐射通量单位时间内传输的辐射能，量纲是焦耳/秒（J/s），或瓦（W）。★辐射通量密度（E、M）单位面积上的辐射通量：辐照度E投射到表面上的辐射通量密度（W/cm2）出射度M从表面发出的辐射通量密度（W/cm2）★辐射强度I单位立体角所发出的辐射通量(W/sr)光谱量：特定波长上的辐射量遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用第2章电磁辐射及物体的波谱特性概念：电磁辐射在传播过程中，一旦与物体接触，就与物体发生相互作用，进行能量交换，使电磁辐射在强度、方向、波长(或频率)、相位等方面发生变化，甚至产生偏振。表现形式为物体使入射的电磁辐射发生反射、透射以及吸收和再发射等。遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用第2章电磁辐射及物体的波谱特性本质：入射到物体的电磁辐射使物体表面的自由电荷和束缚电荷发生振荡运动，这种运动转而辐射出次级场返回初始介质，或者向前进入第二种介质。根据能量守恒律，入射的电磁辐射(Q)受到反射(Qr)、透射(Qτ)和吸收(Qα)Q＝Qｒ＋Qα＋Qτ1＝r＋α＋τ遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用第2章电磁辐射及物体的波谱特性遥感基本原理：不同物体，由于组成它们的物质结构不同(分子、原子)，与电磁辐射作用时，这些分子和原子在旋转和振动过程中，所产生的能级跃迁就不同，进而所反射或吸收的电磁辐射的频率和强度也不一样。这种不同被传感器接收、记录下来，就构成我们识别与区分物体的依据。遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用①电磁辐射的反射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆概念：电磁辐射与物体作用后产生的次级波返回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波便称之为反射波(辐射)。反射能力的大小是波长、入射角、偏振和物体性质的函数，主要取决于物体性质。物体的性质——电学性质、磁学性质、物体表面粗糙程度遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用①电磁辐射的反射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆反射系数：反射波的电矢量振幅和入射波的电矢量振幅之比称反射系数，其实质是入射角、物体的介电常数及磁导率的函数，在入射角相同情况下，由于物体的结构不同，介电常数和磁导率不一样，因此有不同的反射系数。遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用①电磁辐射的反射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆物体表面状况对反射的影响表面类型：光滑表面——镜面；粗糙表面划分准则：ｄ＝λ／８cosθ式中：λ是入射波的波长，θ是入射角。物体表面起伏度ｈ≤ｄ，为光滑表面物体表面起伏度ｈ＞ｄ，为粗糙表面入射辐射的波长和入射角度决定表面的粗糙度遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用①电磁辐射的反射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆物体表面状况对反射的影响漫反射镜面反射方向反射遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用②电磁辐射的发射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆黑体辐射——概念黑体是指在任何温度下，对所有波长的电磁辐射都能够完全吸收，同时能够在热力学定律所允许的范围内最大限度地把热能变成辐射能的理想辐射体。它是作为研究物体发射的计量标准。◆黑体辐射——辐射现象遥感原理与方法RS黑体辐射——辐射现象遥感原理与方法RS2.2电磁辐射与物体的相互作用②电磁辐射的发射第2章电磁辐射及物体的波谱特性◆黑体辐