第二章微波遥感的基本原理

西安电子科技大学理学院1章序讲授题目学时主要内容第一章绪论4方法分享、遥感的基本概念概念、研究内容、微波遥感的优越性及其应用等。第二章微波遥感的基本原理6电磁辐射及其性质、微波与物质相互作用的机理、微波遥感的技术基础。第三章微波遥感器12微波遥感器（微波辐射计、雷达(高度计)、微波散射计、俯视雷达、微波全息雷达简介）介绍、了解及微波遥感器的发展方向。第四章微波遥感的应用23陆地、海洋、大气微波遥感应用及其技术手段。第五章课程及大作业评议、讨论1纵横分析、资料分析、学习方法升华，作业及课堂情况考核。西安电子科技大学理学院2第2章微波遥感的基本原理※电磁辐射及其性质※微波与物质物质相互作用的机理※微波遥感的技术基础用真心和激情去演绎人生，用真情去拥抱生活，认认真真在“探索与学习”中走过人生中的每一步，在“探索与学习”中不断发现自我、改变自我、超越自我！西安电子科技大学理学院3§2.1电磁辐射及其性质一、电磁波基本特征电磁波遥感器是利用电磁波探测和识别远距离目标的测量装置（微波波段遥感器为微波遥感），在探测和传播电磁辐射过程中，电磁能量和性质的变化是电磁波与物质相互作用的主要特征，也是人们识别目标的基本依据。1、叠加原理在大多数常见的介质中传播时，只要电磁波振幅的大小不足以改变介质的性质，仍然遵守波的叠加原理。叠加原理适用于遥感中所使用的各种电磁波(当然包括微波遥感)。西安电子科技大学理学院42、相干性和非相干性由两个(或两个以上)频率相同、振动方向相同、相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成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、某些地方掘动减弱或完全抵消的现象。这种现象称为干涉。产生干涉现象的电磁波称为相干波或相干辐射。电波天线正是利用电磁波的相干性制成的。如果两个波是非相干的，则叠加后的合成波的振幅是各个波的振幅的代数和，交叉区域不会出现振动强弱交替的现象。如果两个独同时投射到探测器，其合成波的振幅为f(t)+g(t)，则瞬时功率为西安电子科技大学理学院5西安电子科技大学理学院6一般来说，凡是单色波都是相干的。微波雷达发射的电磁波和激光器产生的激光，从远处两个靠得较近的物体反射回来的波是高度相干的；因而用这类电磁波的遥感器进行成象时，获取的影象上有的地方可能没有接收到任何功率，有的地方功率为平均反射功率的4倍。正因为波的相干性，微波雷达图象的象片上会出现颗粒状或斑点状的特征，这是一般非相干的可见光象片上所没有的，也是对解译很有意义的信息。3、衍射遥感器所接收的电磁辐射通量的方向、数量、性质成为远离遥感器的目标存在的根据(与通信中差别的地方)。测量目标辐射通量的方向和性质时，必须考虑电磁彼衍射效应的影响，当电磁波到达遥感天线孔径被切割或截获时要发生衍射。西安电子科技大学理学院7极化现象是横波所特有的。所谓电磁波的极化，是指场强随时间变化的方式。一般用E的矢端在空间描出来的轨迹来表示。按此轨迹为直线、圆、椭圆而分别称为线极化、圆极化和椭圆极化。4、极化垂直参考面为水平极化参考平面内为垂直极化面微波天线却很容易做成单一极化方向，所以观测和分析微波的极化和极化的变化会增加微波遥感所获得的信息量，可以作为鉴别目标的一种重要手段。例如，用微波辐射计测量1．41GHz、8.36GHz、19.34GHz三个频率上的海面亮度温度时发现，当入射角为55度时，海面风速对垂直极化的亮度温度没有贡献，而水平极化的亮度温度却随风速增加面增加。在19.34GHz，风速每增加1m／s，水平极化的亮度湿度增加约1.1K。西安电子科技大学理学院85、多普勒效应微波遥感中可以利用多普勒效应信息判断目标运动状态和运动速度。(随机介质中的波传播139页)西安电子科技大学理学院9二、物质的电磁辐射（基本物理过程）电磁辐射源一般有人工电磁射源和天然辐射源两种。雷达发射机就是一种人工电磁辐射源。太阳和地球是天然辐射源，它们是遥感情息的重要提供者。地面物体反射的电磁波主要来自太阳。地面物体自身发射的电磁波也与太阳有关。地球的电磁辐射与其所具有的热能有关，是一种热辐射。地球的热源：表层主要吸收太阳能量，平均温度大约300K，常温层以下主要由地热补给，受地热层温级控制。地一面切物体都能是电磁波辐射源，但与其本身的电磁性质有关。当构成物质的原于或分子受到光和热等作用时，电子能级、振动能级或转功能级的跃迁、物质的这种内部状态的变化会发射很宽频带内的各种电磁辐射，也能吸收和散射照射在它上面的电磁辐射。西安电子科技大学理学院10当没有外界能量刺激时，物质内部微现粒子的运动主要表现为三种形式，即电子绕核运动、原子核在平衡位置上振动和分子以其质量中心为的的转动，而这些运动状态是稳定的，具有一定的能量hμ(h为普朗克常数，μ为频率)，并且该能量并不因电子、原子、分子不停地运动有所衰减。当有外来刺激，如与其他粒子碰撞或在电磁辐射场中被照射而吸收足够外来能量时，它就会改变原来的运动状态而从低能级的基态轨道跃迁列更高能级的激发状态轨道上去并具有能量为nhμ。处于激发态的粒子是十分不稳定的，一般在10－8秒内就要基态转化，或者与另一个粒子碰撞，将能量传递给它而不产生电磁辐射，或者向下跃迁到一个较低的能级，以光子的形式释放出多余的能量△E＝hμ’，向外发射电磁辐射。西安电子科技大学理学院11△E不同，辐射的光子频率也不同，△E为1-20eV时，可产生波长为0.2-1.0μm的辐射，△E为为0.05-1．0eV时，可产生波长为1-25μm的辐射，△E为0.03-0.05eV时，可产生波长为25-300μm的辐射；能量再低也可辐射少量微波。不同的物质，其发射、吸收和散射电磁辐射的能力是不同的，电磁辐射的频率、极化和电磁能量随入射角变化的关系，因不同的物质而异。这种差异，既与物质表面和其内部的几何结构有关，又与物质本身的介电常数和温度的空间分布有关。正是基于这种差异，才有可能达到遥感不同物体的目的。西安电子科技大学理学院12物质内部不同运动状态对应的电磁辐射西安电子科技大学理学院13三、黑体及黑体辐射定律热辐射理想化模型能够全部吸收外来的一切频率的电磁辐射而无反射和透射的理想吸收体；也是在热力学允许的范围内能够最大限度地将其热能转变成电磁辐射能，即一切温度下发射出最大电磁幅射的理想发射体。黑体的热辐射仅仅由它的温度决定，而与材料的性质无关。煤烟吸收约99%1、黑体及黑体辐射黑体吸收模型加热到某一温度时成为理想热辐射器模型西安电子科技大学理学院14单色辐出度描述物体热辐射能按波长分布规律的物理量一定温度T下，物体单位(表)面积元在单位时间内发射的波长在－+d内的辐射能dM与波长间隔d的比值dd)(λλMTM辐出度物体在一定温度(T)下单位表面积在单位时间内辐射出的总的辐射能(一定温度下单位表面积单位时间内辐射出的各种波长的能量之和)，为辐出度0)d()(TMTMλ西安电子科技大学理学院152、辐射量（描述辐射特性的术语）遥感器的主要作用就是测量各种电磁辐射。微波辐射测量中表示各种辐射量的术语、符号和单位是从微波工程的观点选取的，与光学、红外物理所采用的不尽相向。西安电子科技大学理学院16按照辐射源对观测点所张的立体角与遥感器接收天线的主波束立体角的关系，一般将辐射源分成点源和面源两类。凡辐射体所张的立体角小于接收天线的主波束立体角，该辐射体被认为是点源，反之，该辐射体就被认为是面源。例如，辐射体是一发射天线，尽管它是存一定孔径面积的面辐射源，但只要观测距离足够远，它可以认为是具有方向性的点辐射源。辐射强度是描述点源辐射特性的辐射量，是点辐射源在某一方向上通过单位立体角的辐射功率（或者单位时间通过单位立体角对应的球面的能量）。西安电子科技大学理学院17亮度是描述面源辐射特性的辐射量，它是面辐射源在某一方向上的单位投影面积在单位立体角内的辐射功率。西安电子科技大学理学院18物体的电磁辐射，不仅与其温度有关，而且也与电磁辐射的频率或波长有关。也就是说，在一定温度下，物体发射出各种不同频率的电磁辐射，而不同频率电磁辐射的辐射能是不相同的。由于任何传感器都具有一定的频带宽度，它所接收到的辐射能是该带宽内辐射能的总和。为了求出一定带宽内接收到的总辐射能量，必须知道辐射能在各个频率或波长上的分布情况，由此需导出单位带宽或单位波长间隔内的辐射量，称之为谱辐射量。例如谱功率为西安电子科技大学理学院193、黑体辐射定律西安电子科技大学理学院20西安电子科技大学理学院21西安电子科技大学理学院22西安电子科技大学理学院23表明：黑体表面在单位立体角内，每单位带宽所产生的辐射通量密度或亮度仅仅是频率(或波长)和温度的函数，而与方向和位置无关。西安电子科技大学理学院241)整个谱亮度曲线随着温度T增大二上升。(2)对应于Bb(f)最大值的频率也随温度T而增高。西安电子科技大学理学院25西安电子科技大学理学院26维恩位移定律在波长较短、温度较低时才与实验结果相吻合，长波范围则完全不适用，维思公式也只能应用在黑体能量分布曲线的短波部分；而瑞利-金斯公式恰恰相反，它只在波长相当长的部分才与实验事实相符，在紫外区域与实验结果完全相悖（称为紫外灾难）。普朗克公式是描写黑体辐射性质的最正确最普遍的形式，而维思公式和瑞利-金斯公式都不过是它的特例而巳。维恩位移定律和斯特藩-玻耳兹曼定律也都可以由它推导出来。维恩位移定律应用：从实验测得太阳热辐射的峰值波长为470nm入＝0.47μm，可以估计太阳的表面温度约为6160K，实际上它的表面温度更高。地球表面的温度约为300K，对应刚峰值波长为9600nm＝9.6μm。所以，人们感受到太阳主要是光而地球主要是热。西安电子科技大学理学院274、黑体的辐射效率辐射效率是用来判定在一定波段内的辐射能对接收器作用大小的标志。辐射效率定义为某谱段所产生的谱辐射通量密度(即谱辐射（出）度；单色辐出度)与整个波段内的总辐射通量密度(即总辐（出）射度)之比。黑体的辐射效率为西安电子科技大学理学院28黑体的辐射效率为对温度求导数求极大值给定的波长λe对应的特定温度Te，在这一温度上，当辐射源的辐射通量密度（辐出度）值固定不变时，辐射效率最大，Te称为工程最大值。西安电子科技大学理学院29给定波长上的工程最大值的温度Te，比物理最大值的温度Tm要高27.6％，相应地，对应于工程最大值的温度下的谱辐射通量密度也要大11.6%。四、非黑体辐射一切能发射电磁辐射能的真实物体统称为非黑体Me和Me(λ)分别为非黑体的总辐射通量密度(即辐出度)和辐射通量密度(即单色辐出度)；e(λ)为一与波长、物质的性质、温度等有关的系数，称为谱发射率或谱发射射本领。西安电子科技大学理学院30K称为(平均)发射率或(平均)发射本领，它与物质的性、温度及表面状况等有关。发射本领与波长无关的非黑体叫做“灰体”，K＝e。多数辐射体部是灰体。发射本领与波长有关的非黑体叫做“选择性辐射体”。黑体模型灰体模型选择模型西安电子科技大学理学院31基尔霍夫定律：物体在一定温度下，当与外界的辐射处于热平衡状态时，它的辐射通量密度(辐射度或者辐出度)为与黑体辐射出度的关系。a为物体吸收率。对于灰体在一定温度下，任何灰体材料的发射率等于它的吸收率。也表明，一个好的辐射体也一定是一个好的吸收体，反之亦然。对于不透明材料透明材料？西安电子科技大学理学院32发射率是遥感研究中地物的重要参数，它给出了辐射体在球面空间内的发射本领，如与方向无关称为半球发射率。材料的发射率也可能随测量方向而变，特别是表面磨光的金属或者光滑平面，此时需要分析材料的定向发射本领。它是与辐射表面的法线成θ角的小立体角内所测到的发射率。通常，在一定波长下，发射率既与辐射体表面的电磁特性和几何形状有关，又与电磁波的辐射方向和极化方式有关。例如，波长为了3cm时，垂直表面方向的平静海水的发射率约为0.6，含水25％的肥沃土壤的发射率为0.6，含水6％的肥沃土壤的发射率0.9，导电良好的金属板的微波发射率接近于0。西安电子科技大学理学院33几种材料的微波发