第三章_电磁波与辐射度学基础

北京师范大学地理学与遥感科学学院遥感原理与应用第三章电磁波与辐射度学基础3.1电磁波与电磁波谱3.2辐射度学的基本参数3.3普朗克定理3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础•电磁波定义：在空间传播的交变电磁场。物质的一种，相互依存的电场和磁场的总和。电场和磁场一有变化，就会以光速传播，形成电磁波。具有质量、动量、能量，静止质量为0.•波动性1860年麦克斯韦（C.Maxwell)提出光是电磁波的理论。光在传播时表现出波动性，如光的干涉、衍射、偏振、反射、折射。•粒子性1900年,普朗克（Max.Planck)提出了辐射的量子论，1905年，爱因斯坦（Albert.Einstein)将量子论用于光电效应之中，提出光子理论。光与物质作用时表现出粒子性，如光的发射、吸收、散射。同时达到最大/最小3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础右图给出了电磁波使用分配情况：·105HZ附近频率范围，调幅（AM）无线电波长在千米级；·107~108HZ，包含调频（FM）、电视和移动电话波段；·109~1011HZ(1~100GHZ)，包含被动、主动微波遥感和大量商业、军用的通信和地面雷达业务；·1013~1014GHZ，红外波段；·1015GHZ附近，可见光波段；·更高频率区，紫外波段。3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础卫星遥感所用的电磁波谱，特别是在微波部分非常拥挤，从而限制了遥感观测频率位置和带宽可见光与热红外（VIR）波长大约在0.4~20μm，在遥感中广泛使用，但易受云和大气干扰。下表给出了从紫外到红外的光谱分区，其中：可见光波谱位于0.4~0.7μm，并且近似分为以下色段：400~440nm，紫色；440~500nm，蓝色；500~550nm，绿色；550~590nm，黄色；590~630nm，橙色；630~700nm，红色。紫外带（UV）的波长比可见光短。近红外波长比可见光长，与可见光相似，主要是反射的太阳辐射。热红外（TIR）包括那些主要有地球表面辐射构成的信号，可用来反演地表温度。表中还列出了对生物很重要的UV-B辐射的波长范围，它破坏DNA并且导致皮肤癌。3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础从红外到紫外的光谱分区名称缩写波长范围紫外（ultraviolet）UV10~400nm紫外-B（ultraviolet-B）UV-B280~320nm可见光（visible）V或VIS400~700nm近红外（nearinfrared）NIR0.7~3.5μm可见近红外（visible/nearinfrared）VNIR0.4~3.5μm热红外（thermalinfrared）TIR3.5~20μm可见/红外（visible/infrared）VIR0.4~20μm3.1电磁波与电磁波谱第三章电磁波与辐射度学基础微波频率分区与命名名称频率/GHz波长P0.25~0.39076.9~133cmL0.390~1.5519.35~76.9cmS1.55~4.27.14~19.35cmC4.2~5.755.22~7.14cmX5.75~10.92.75~5.22cmKu10.9~22.01.36~2.75cmKa22.0~36.08.33~13.6mmQ36.0~46.06.52~8.33mmV46.0~56.05.36~6.52mmW56.0~1003.0~5.36mm返回3.2辐射度学的基本参数第三章电磁波与辐射度学基础立体角：一个半径为r的球面，从球心到球面作任意形状的锥面，锥面与球面相交的面积为A，则A/r2就是此椎体的立体角。一般用符号Ω表示，单位为球面弧度sr。第三章电磁波与辐射度学基础3.2辐射度学的基本参数立体角的微分定义：在球坐标中，因此，一个球面的面积为，因此球体的立体角是。2ArddddrdrdrdsinsinA2dddsin24r4第三章电磁波与辐射度学基础3.2辐射度学的基本参数辐射通量：在单位时间内通过某一面积的辐射能，称为通过该面积的辐射通量。符号，单位为W，如果是某个波长的辐射通量，则记为()。辐射强度：点辐射源在某一方向上的单位立体角所发出的辐射通量。符号I，单位为W/sr。辐射出射度：对于面辐射源，其单位面积向半球空间（立体角空间）内发射的辐射通量，称为辐射出射度（辐射出射度是描述面元特性的，因此又称为辐射通量密度），符号M，单位W/m2。ddIlim02dAdAMlim0第三章电磁波与辐射度学基础辐照度：单位面积接受到的辐射通量，称为该处的辐照度。符号E，单位为W/m2。如果是单位光谱波长上的，单位为W/m2/um。辐亮度：单位投影面积、单位立体角上的辐射通量（右图）。辐亮度的符号为L，单位为W/m2/sr.如果是单位在光谱波长上，那么为W/m2/sr/um。3.2辐射度学的基本参数dAdE)()(ddAdLcos)(2第三章电磁波与辐射度学基础3.2辐射度学的基本参数在水体光学及其遥感中，有以下辐亮度参数：（1）处于水表面以下的辐亮度。符号Lu(0-)表示刚好处于水表面以下的向上辐亮度；0-含义为刚好处于水表面以下。（2）剖面向下/向上辐亮度。符号Lu(z)表示水下z深度处的向上辐亮度；深度z的单位为米（m）。（3）辐亮度。符号Lw，含义为经水汽界面反射和透射后的Lu(0-)，式中，n为水体折射系数，一般取1.34；为水汽界面的反射率，与海面粗糙度、入射角有关。不考虑辐亮度的二项性时，可简单的令Lw=0.54Lu(0-)。（4）归一化离水辐亮度。含义：把太阳移到天顶、把大气去掉是的离水辐亮度。)0()1(2uwawLnLwa00EFLLwwn第三章电磁波与辐射度学基础漫辐射源：辐射亮度与方向无关的辐射源就是漫辐射源。3.2辐射度学的基本参数设垂直于漫辐射面和与辐射面发现方向夹角为θ的辐射强度分别为Io和Iθ，根据辐亮度与辐射强度的定义，有如下关系：理想漫辐射面的辐射强度按余弦规律变化，因此理想漫辐射表面也称为余弦表面，或朗伯表面。cos0AIAILcos0II第三章电磁波与辐射度学基础根据辐亮度与辐照度定义：3.2辐射度学的基本参数因此，由于漫射体的辐亮度L0与方向无关，因此漫反射体的出射辐照度与辐亮度的关系为：第三章电磁波与辐射度学基础对于理想的漫反射表面，即朗伯表面，不管入射方向如何，其漫反射后的各方向上的辐射亮度相同，即满足辐射强度分布服从余弦定律。其辐射亮度只与其反射比和入射辐照度有关。式中，M为漫射表面的辐射出射度；E为入射辐照度;ρ为反射比。因此朗伯表面的辐照度，3.2辐射度学的基本参数EMEML第三章电磁波与辐射度学基础波长、波谱与频率3.2辐射度学的基本参数（1）波长λ，光学遥感中一般单位用μm或nm；（2）波数υ=1/λ，单位一般为cm-1；（3）频率f=C0/λ，其中C0为光速。第三章电磁波与辐射度学基础辐射测量的基本定律辐射强度为I的点辐射源，平面A上点P与点源的连线与平面法线夹角为θ，点源与P的点距离为r，由点源到达点P周围dA面积上的辐射通量dФ=IdΩ,dФ为点源向dA所张开的立体角。而辐照度由上式可以看出：（1）辐照度与距离的平方成反比关系；（2）平面辐照度与辐射强度成余弦关系。3.2辐射度学的基本参数返回E=d/dA=(d/d)(d/dA)=I(dAcos/r2)/dA=Icos/r2第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理所有物体都在不断的发射和吸收着辐射能量。入射的电磁波全部被吸收，没有反射和透射的物体称为黑体。黑体表面的辐射特性是唯一由其温度决定且是光谱连续的，是朗伯表面，且在热平衡的条件下，其发射的能量等于其吸收的能量。黑体辐射出射度M，由普朗克公式表示。①如果用波长表示②如果用波数表示③如果用频率表示dkThchcdTM]1)/[exp(2,0520dkThchcdTM1)/exp(2,0320dfkThfcfcdfTfM]1)/[exp(2,20320第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理维恩位移定律所有的黑体辐射与辐射波长的对应关系都是双值的，且在某一波长上有最大值；最大值出的波长与黑体温度成反比，即温度越高，最大值对应的波长越短，这就是维恩位移定律。根据普朗克公式若令，那么可得，dkThchcdTM]1)/[exp(2,05200ddM1)/exp()/exp(52212TcTcTc第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理令x=C2/(T)，则上式变为5(ex-1)=xex，解这个超定方程，则x=4.965。因此，最大值对应波长为由此可得太阳辐射的最大值出现在2898.3/6000=0.48um，25℃左右的海水的辐射峰值出现在10um左右。人类所看到的白色光，实际上是蓝绿波段（青色）有一个峰值的光。第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理在海洋温度范围内，11μm左右峰值波长上的红外辐射，几乎随温度直线变化。因此，如果波段选择在11μm左右，信号强，有利于提高信噪比，而且其图像灰度与温度梯度有很好的相关性。某一波长的红外辐射随黑体温度的变化第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理瑞利-琼斯定律对于波长很长的波段，如在微波波段，公式分母中的e指数项变得很小，此时，ex=1+x，则原式变为即表示在很长的波段时，黑体辐射和温度成正比。1)/exp(]1)/[exp(2,2510520kTcckThchcTMkThc/0TkcTML402,第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理斯特芬波尔兹曼(Stephen-Boltzman)定律如果考虑所有频率上的黑体辐射，式中，ρ=5.67032×10-8W/m2/K4为斯特芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzman)常量。此公式表明，总辐射度与温度的四次方成正比，如果温度有微小变化，就可以导致对应的辐射出射度发生很大的变化。第三章电磁波与辐射度学基础3.3普朗克定理基尔霍夫定律在达到热平衡状态下，物体的单色辐出度EV，T和吸收比度AV，T的比值与物体的性质无关，而只是频率和温度的函数，即上述规律称为基尔霍夫定律。由德国物理学家基尔霍夫与1859年建立。该定律表明，热辐射出射度大的物体其吸收比也大，反之亦然。TMTMB,,第二章遥感的基本概念