电磁波及电磁辐射特性资料课件

第二章 电磁辐射及其度量,2.1 电磁波与电磁辐射 2.2 物质的电磁辐射特性 2.3 电磁辐射的传播特性 2.4 电磁辐射的物理和化学效应 2.5 电磁辐射的度量 2.6 遥感有关的辐射基本定律 2.7 物体的温度与热惯量,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,振动与波 波是振动在介质或真空中的传播。振动是质点在某一中心位置附近的周期性运动。振动和波分别由振动方程和波动方程描述。 简谐振动的振动方程： 一维简谐波的运动方程为：,2.1电磁波与电磁辐射,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,电磁波及其特性 电磁波是在空间交互激化传播的电场和磁场。其载体是具有波动性和粒子性的电磁场。 电磁波的传播符合一般波动方程，其解为：,2.1电磁波与电磁辐射,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,平面电磁波示意图，E,H,k成右手螺旋关系,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,1) 波随空间的变化(曲线被“凝固”在给定瞬间t) 2) 波随时间的变化(给定位置r，即凝视某个位置如r=) 3) 时间与位置的关系(给定振幅y，如P点),遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,平面电磁波的传播速度 与介质的介电性质和磁导性质有关。在真空中，电磁波的频率与波长的乘积恒等于光速c，即 在介质中有： 电磁波在不同介质中的频率不变(非线性晶体可以产生高次谐波频率)。不同频率的电磁波在同一介质中和相同频率电磁波在不同介质中的速度和波长是变化的。 用电场E和磁场H描述电磁波是等价的。但电磁波与物质的相互作用主要是电场起作用，因此约定俗成地一般都以电场E来描述电磁波。 电磁波具有量子性和波动性，可以用频率、振幅、方向、偏振状态、相位几个参数来描述。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,Q 是每个光子的能量(焦耳) h 是普朗克常数 h= 6.3 10-34 J s 与 Q 成反比关系,电磁波的能量 电磁波具有能量，称为辐射能。平面电磁波的能量密度(单位体积内波的能量)为：,单个光子(photon)的能量：,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,电磁辐射与电磁波谱 由电磁振源产生的电磁波脱离波源而传播，这个过程或现象称为电磁波的辐射，简称电磁辐射。 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波、低频电波等都是电磁波 电磁辐射的微观机理是一切带电粒子的加速运动。 按照真空中的波长或频率的顺序，把各种电磁波排列起来，构成了电磁波的谱序列电磁波谱。由于各频段电磁波的产生方法和探测手段颇为不同，特征和应用又有明显差异，故分频段命名，以示区别。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,各波段区间的特征和应用有所不同,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,对地遥感应用的主要波段是 紫外线、 可见光、 红外线、 微波。 星际空间遥感(观测宇宙学)还用到射线和X射线等。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,关于电磁波谱各区间的划分规定 没有很严格的统一规定。一般地（真空中） 紫外线：0.10.38m(上端变化：0.300.40m) 可见光：0.380.76m(上端变化：0.70.78m) 红外线：0.761000m(上端变化：1001000m) 国际照明协会对红外的划分： 近红外： 0.761.4m；中红外：1.4 3m；远红外： 31000m. 另一种划分： 近红外： 0.763m；中红外：3 6m；远红外： 615m；极远红外：15 1000m.,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,关于短波红外、中波红外和长波红外 短波红外(SWIR)：以反射为主。13m 中波红外(MWIR)：兼有反射和发射。 38m 长波红外(LWIR)：以发射为主。815m ERDAS文件中的SWIR包括NIR、 SWIR和MWIR,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,电磁辐射波谱的4种表示方法： 频率()：单位Hz，1Hz=1s-1； 波长()：单位见下表； 波数()：单位cm-1； 角频率()：单位rad/s，或s-1； 相互关系： =/2=c/=c 电磁波谱中各波段使用的波长单位：,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,物质与电磁辐射的内在联系是涉及遥感原理的物理基础问题。物质中的分子、原子、电子处于不断的运动中，其运动状态和能量状态与其结构和其他多种因素有关，从而物体的电磁辐射特性就与物质的性质和其他因素有关。因此，电磁辐射是传递物质的多种信息的重要载体。物质的电磁辐射的微观机理和影响因素是十分复杂的。下面我们就物质结构与物质电磁辐射的微观机理和影响物质电磁辐射的其他因素做一简要分析。 辐射的频率与能量变化的关系波尔频率关系：,2.2物质的电磁辐射特性,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,与原子结构有关原子光谱 与分子结构有关分子光谱 与固体结构有关固体光谱,紫外-可见光-近红外(UV-VIS-NIR)范围,红外-微波范围,微波以下各种波长,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,吴昀昭,田庆久,季峻峰,陈骏,遥感地球化学研究,地球科学进展,第18 卷第2 期,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,吴昀昭,田庆久,季峻峰,陈骏,遥感地球化学研究,地球科学进展,第18 卷第2 期,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,与表面状况有关表面各向异性反射、发射 与环境条件有关不同辐照环境条件下不同辐射 与探测单元大小有关单元的构成组分不同,花岗岩块，未抛光,花岗岩块，抛光,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,遥感探测的物理依据 物质的电磁辐射特性与物质本身因素（物质成分、结构、表面状况）及其所处环境因素（太阳辐照度、温度、湿度）等多种因素有关。电磁辐射与物质本身的成分、结构的内在联系使我们能够借以识别物体性质，与表面及环境条件的联系使我们借以识别物体的形态及其所处环境条件。因此，物质与电磁波相互作用的内在规律是遥感的物理基础。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,实验室条件下的光谱测试分析技术与遥感探测分析技术的异同： 物理原理相同 对象与技术过程不同 探测对象、探测距离、探测目的、探测环境(野外实地与实验室)、探测的精细程度、探测方式(成像与非成像)不同。此外，远距离探测还存在尺度效应(探测单元的尺度不同引起的辐射特性的变化)、大气效应(大气层对辐射传输的影响)等现象，由此带来电磁辐射的某些物理规律、定理的适应性的变化，需要研究一些新的理论和分析方法以适应这种变化。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,由于遥感器多数在离地面很远距离的地方工作，所探测的地面电磁辐射必然要经过在大气介质中较长路程的传输过程，这个过程中电磁辐射与介质发生相互作用，产生一些与光传播相同的现象，我们将其概括为电磁辐射的传播特性。了解这些特性对辐射探测方法和遥感应用分析都很重要。这些特性包括： 干涉、 衍射、偏振、 反射、折射、透射、 多普勒效应、色散效应、散射效应、吸收效应,2.3 电磁辐射的传播特性,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,杨氏双缝干涉图,干涉：两列或两列以上(离散)的波，因波的迭加而引起传播的交迭区域内振动强度重新分布(加强或削弱)的现象称为波的干涉。 相干条件：两列波的频率相同、存在相互平行的振动矢量以及相位差稳定。稳定的相位差这一条只对微观客体发射的电磁波是必要的。微波遥感中的SAR和InSAR (干涉雷达)都用到干涉。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,图片来自国家地理09,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,衍射：当波遇到障碍物时偏离直线传播的方向的现象称为波的衍射，电磁波同样存在衍射现象。严格来说衍射不简单是偏离直线传播的问题，其微观过程与复杂干涉效应有关。 衍射规律在光学仪器制造、遥感图像解译和光学图像处理中有应用。,从矩形孔到圆形孔的衍型射图,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,偏振：是横波特有的特性。电磁波在传播过程中其电场矢量与传播方向垂直，电场矢量的振动在垂直传播方向的平面(波面)内可以有不同的取向。电磁波的偏振就是指电磁波电场矢量在传播过程中的取向和振动状态。 根据电场矢量端点在波面内的轨迹，将偏振分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。线偏振是该端点的轨迹为一直线。圆偏振是端点轨迹为一圆，它可视为两个互相垂直、振幅相等的线偏振的合成。椭圆偏振是端点轨迹为一椭圆，可视为两个互相垂直、振幅不相等的线偏振的合成。 偏振现象在微波遥感中称之为极化，有重要应用。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,多普勒效应：接收器接收到的振动频率随接收器与振源之间的相对运动状态而变化的现象。 多普勒效应的结果是，振源与接收器相向运动时，接收器收到的频率增高，即波长向短波方向(习惯用蓝波段代表)移动，称为“蓝移”；相离运动时收到的频率降低，即波长向长波方向(习惯用红波段代表)移动，称为“红移”。 多普勒效应在合成孔径雷达中有重要意义。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,色散效应 色散是电磁波在介质中的传播速度(也即折射率 n = c/v) 随波长而变化的现象。 利用介质将电磁辐射分离成单色电磁波是分光的重要手段之一，也是遥感中进行多光谱探测的重要技术。,日光通过三棱镜的色散,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,吸收、反射、折射、透射 电磁波在通过两种介质界面传播时，会产生传播方向、能流分配、相位跃变和偏振状态等的变化。这些现象包括反射、折射、透射、散射、吸收等。 吸收 是电磁波的强度随穿过介质的深度而减少的现象。除真空以外的任何介质都对电磁波有吸收效应。 反射 是电磁波遇到比自身波长大的界面时部分或全部从界面上返回原介质的现象。 折射 是电磁波入射到另一种介质表面，进入该介质的电磁波改变传播方向的现象。 透射 是电磁波穿透介质的现象。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,电磁辐射在两种介质中的传播,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,吸收效应 在电磁波强度的很大变化范围内，电磁波强度的衰减量(dIx)与所通过的距离(dx)成线性关系(-dIx=Ixdx)，图2.16。与电磁波强度无关，称为该介质的吸收系数，是介质的固有特性。根据上述线性微分关系，经积分就得到x=l时电磁波强度(I )与初始强度(I0，即x=0时的I)的关系式：I = I0 e - l。这个关系式称为布格尔定律、比尔定律或朗伯定律。 的物理含义是： -1表示电磁波强度因吸收而减到原来的e-1=36%时所穿过介质的厚度(这个厚度又称为趋肤深度)。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,介质吸收,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,散射效应 在不均匀介质中(存在微粒质点、分子涨落等)，电磁辐射向与原来传播方向不同的其他方向分散的现象称为散射(图2.6)。 在遥感中电磁辐射要通过厚厚的大气层，产生严重的散射。因此散射是遥感的一个非常重要的概念。,介质散射示意图,散射的成因与介质的不均匀性有关。介质的不均匀性可以是由胶体(如大气中的气溶胶)、烟、雾、灰尘等悬浮质点导致，也可以是由分子热运动造成的密度局部涨落产生。后者引起的散射称为分子散射。,遥感-原理.技术.应用武汉大学资源与环境学院,主要的散射类型： 瑞利散射：微粒尺度比波长小的散射。瑞利散射的强度与波长的四次方成反比。 米氏散射：微粒尺度与波长尺度相当的 散射。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比 无选择性散射：微粒尺度远大于波长的散射(反射)。散射强度与波长无关。 从散射到反射是随介质中微粒尺度而变的一个连续过程。 散射强度随散射方向与入射电场的方向或入射电场传播方向的夹角而变化，称之为散射强度的角分布。下图中是散射方向与入射电场方向的夹