遥感电磁辐射基础

镜面反射的例子
辐射源
任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的 辐射，也能够向外辐射。
遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。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。人工辐射源是指人为发射的具 有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐射源，目前 较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。
发生一系列现象如：镜面反射、漫反射、方向反射、 折射、吸收和透射。全部反射、吸收和透射的能量之 和与入射的总能量相等。
方向反射
方向反射：实际地物表面由于地形起伏，在某个方向 上反射最强烈，这种现象称为方向反射，是镜面反射 和漫反射的结合。它发生在地物粗糙度继续增大的情 况下，这种反射没有规律可寻。
黑体辐射
绝对黑体：如果一个物体对于任何波长的电磁辐射 都全部吸收，则这个物体是绝对黑体（理想状态）。
光谱吸收系数α：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内，α为吸收能量与入射能量之比。
光谱反射系数ρ：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内，ρ为反射能量与入射能量之比。
光谱透射系数T：当物体的温度一定，波长在λ~ λ ＋Δλ范围内， T为透射能量与入射能量之比。
太阳光谱
通常指光球产生的光谱，光球发射的能量大部分集中 于可见光波段。
图中描绘出了黑体在6 000K时的辐射曲线，在大气层 外接收到的太阳辐照度曲线以及太阳辐射穿过大气层 后在海平面接收的太阳辐照度曲线。从图中可知：
电磁波谱
按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排 列，则构成了电磁波谱。
遥感技术中常用的是可见光、红外和微波波段。 1）可见光部分可被人眼观察到，所以应该广泛。 2）红外区间探测不可见的辐射信息，远红外可以探测 热辐射。
3）微波探测可称之为全天候探测，不受白天黑夜和天 气状况的影响。
波段
波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等 。分为横波和纵波两种,如果质点的振动方向与波的传 播方向相同,称纵波;若质点振动方向与波的传播方向垂 直,称横波。电磁波是横波。
电磁波示意图
电场
磁场
电磁波的性质
（1）是横波； （2）在真空以光速传播； （3）满足 c=f•λ （c=3×108 m/s） E=h•f； （4）电磁波具有波粒二象性； （5）电磁波在传播中遇到气体、液体或固体介质时会
基尔霍夫定律
基尔霍夫定律 给定温度下，黑体向外的辐射出射度和吸收的能量
必然相等，任何地物的辐射出射度与吸收率α之比是 常数。基尔霍夫证明下式之比仅与波长和温度有关。
黑体：最大的吸收率 最大的发射率 没有反射
实体：吸收本领大、发射本领也大
§2.2 太阳辐射和地球辐射
太阳光通过地球大气照射到地面，经过地面物体反射 又返回，再经过大气到达传感器。这时传感器探测到 的辐射强度与太阳辐射到过地球大气上空时的辐射强 度相比，已有了很大的变化。
黑体辐射规律
普郎克公式： 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。
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）
斯忒藩—玻尔兹曼定律
对普朗克定律在全波段内积分，得到斯忒潘－玻尔兹 曼定律。
地球上的能源主要来源于太阳，太阳被动遥感最主 要的辐射源。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。
太阳常数
太阳常数：是指不受大气影响，在距离太阳一个天文 单位内，垂直于太阳光辐射方向上，单位面积单位时 间黑体所接受的太阳辐射能量。通常表示为：
太阳常数可以认为是大气顶端接收的太阳能量，所以 没有大气的影响。太阳常数值基本稳定，即使有变化 也不会超过1%。太阳常数对遥感探测和进一步应用于 气象、农业、环境等领域也很重要。
常温（如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长 9.66μm ）
接近黑体的人造吸收体
自然中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方 法制成的，它只是一种理想的黑体模型，基本结构是 能保持恒定温度的空腔。
空腔壁由不透明的材料制 成，空腔器壁对辐射只有 吸收和反射作用，当从小 孔进入的辐射照射器壁上 时大部分辐射被吸收，仅 有少量通过小孔射出。
电磁辐射测量
辐射能量（W）：电磁辐射的能量，单位：J
辐射通量（Φ）：单位时间内通过某一面积的辐射 能量，Φ =dW/dt ，单位：W
辐照度（I）：被辐射(接收辐射)的物体表面单位 面积上的辐射通量，I=dΦ /dS ，单位： W/m2
辐射出射度（M）：辐射源物体(发射辐射)表面单 位面积上的辐射通量，M=dΦ /dS ，单位：W/m2
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。
σ: 斯蒂藩－玻尔兹曼常数，5.6697×10－8Wm-2K4
T：绝对黑体的绝对温度（K）
维恩位移定律
黑体辐射光谱最强的波长与黑体绝对温度T成反比：
波谱辐射曲线
维恩位移定律
黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即往波 长短的方向移动。高温物体发射较短的电磁波， 低温物体发射较长的电磁波。
长波 中波和短波
超短波 微波 超远红外 远红外 中红外 近红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外线
X射线 γ 射线
波长 大于3000m 10~3000m
1 ~10 m 1mm~1m 15~1000μm 6~15 μm 3~6 μm 0.76~3 μm 0.62~0.76 μm 0.59~0.62 μm 0.56~0.59 μm 0.50~0.56 μm 0.47~0.50 μm 0.43~0.47 μm 0.38~0.43 μm 10-3~3.8×10-1 μm 10-6 ~ 10-3 μm 小于10-6μm
遥感电磁辐射基础
§2. 1电磁波谱与黑体辐射
电磁波：也称为电磁辐射，根据麦克斯韦电磁场理论 ，变化的电场能够在它周围引起变化的磁场，这一变 化的磁场又在较远的区域内引起新的变化电场，并在 更远的区域内引起新的变化磁场。这种变化的电场和 磁场交替产生，以有限的速度由近及远在空间内传播 的过程称为电磁波。