遥感第四章 电磁辐射讲解.doc

第四章 电磁辐射 (Electromagnetic Radiation) §4.1 电磁波的波段名称 电磁波包括伽玛射线、X-射线、紫外光、可见光、红外光、微波和无线电波，可见光包括蓝光、绿光和红光，红外光涵盖了近红外、中红外、热红外和远红外波段表4-1给出了电磁波波段的名称、以及它们对应的波长和频率范围由该表可知，可见光的波长在400 nm（纳米）到700 nm的范围，红外光的波长在0.7μm（微米）到100μm的范围，热红外光的波长在3μm到15μm的范围热红外光的波长范围是地球表面的300K近似温度确定的；根据普朗克辐射定律，物体热辐射的能量最大值的波长（或频率）位置由物体温度确定，具有300K温度的地球表面主要辐射波长在3μm到15μm范围的电磁波所有电磁波在真空或空气（近似地）中的传播都遵守公式c = fλ，这里f代表频率，λ代表波长，c = 3×108m/s是电磁波在真空或空气中的传播速度，根据这个公式，我们可以从频率计算对应的波长因为波段名称仅仅是个标记，不同文献对波段的划分可能有所不同表 4-1: 电磁波波段的名称名称波长范围频率范围伽玛射线 (γ-Ray)< 0.03 nmX-射线 (X-Ray)0.03-300 nm紫外光 （Ultraviolet） 10-400 nm蓝光 （Blue） 400-500 nm绿光 （Green） 500-600 nm红光 （Red） 600-700 nm近红外 （NIR） 0.7 - 1.3 μm23,000 - 43,000 GHz中红外 （MIR） 1.3 - 3.0 μm10,000 – 23,000 GHz热红外 （TIR） 3 - 15 μm 2,000 – 10,000 GHz远红外 （FIR） 15 - 100 μm300 - 2,000 GHz微波 (Microwave)0.01 - 100 cm0.3 - 300 GHz无线电波 (Radio)≥ 1 m< 0.3 GHz表4-2: 微波雷达波段的名称名称频率范围波长范围P 0.3 – 1 GHz30 – 100 cmL1 - 2 GHz15 – 30 cmS2 – 4 GHz7.5 – 15 cmC4 - 8 GHz3.75 - 7.5 cmX8 - 12 GHz2.5 0- 3.75 cmKu12 - 18 GHz1.67 - 2.50 cmK18 - 26.5 GHz1.13 - 1.67 cmKa26.5 - 40 GHz0.75 - 11.3 mm极高频(EHF)4 0 - 300 GHz-0.10 - 0.75 mm表4-2显示了微波遥感和微波通讯专业经常使用的波段名称。

C波段、X波段和Ku波段常常被用于卫星遥感，主要原因是厘米量级波长的微波能够与海面上风生毛细重力波发生布喇格共振，并通过共振带回海面信息极高频电磁波也经常归类于高频微波范围内；这样，微波的频率在0.3 到300 千兆赫兹（GHz）的范围微波也是一种无线电波；在无线电波范围内，微波的波长最“微小”，所以被称为微波然而，与可见光相比，微波的波长比可见光大得多，大约大几个量级与无线电波相比，波长较短的微波在传播中保持直线，故传播的方向性很好；由于较高的频率，微波装载信息的能力很强；主动雷达可以发出较大功率的微波，故微波雷达可用于通讯虽然气象卫星、水色卫星和陆地卫星使用可见光和红外传感器探测目标，它们将遥感获得的信息传输到地面接收站还要依赖于微波，例如使用X波段或L波段微波作为载波传输数据资料无线电波中的短波也可用于海况遥感，主要机制是通过短波在大气电离层和海面的反射获取海况信息，并且通过利用多卜勒效应提高分辨率表4-3: 无线电波波段的名称名称频率范围极高频 (EHF)微波（属于一种波长较短的无线电波）30 - 300 GHz特高频(SHF)0.3 - 30 GHz超高频 (UHF)无线电波（波长范围：1米 – 1万公里）30 - 300 MHz甚高频(VHF)3 - 30 MHz高频 (HF)0.3 - 3 MHz中频 (MF)30 - 300 KHz低频(LF)3 - 30 KHz超低频 (VLF)0.3 - 3 KHz极低频 (ELF)30 - 300 Hz表4-3显示了无线电通讯专业经常使用的波段名称。

无线电波广泛地被用于广播电台作为声波的载波，中央电台一般选择波长为几千米的长波作为声波的载波，因为它传播较远；地方电台一般选择波长为几百米的中波作为声波的载波；国际电台往往采用更短的短波作为载波，不同于中波和长波采用沿地面的传播方式，短波采用大气电离层反射达到远距离传播的目的在遥感业务中，一般采用GHz (Giga-Hertz：千兆赫兹) 作为频率单位，1 GHz = 103 MHz (Mega-Hertz：兆赫兹)=109 Hz（Hertz）；一般采用nm (nano-meter：纳米,或称纳诺米) 作为可见光和近红外光的波长单位，1nm = 10-3μm (micro-meter：微米) = 10-9m (meter：米)在无线电波波段的名称中，EHF代表Extremely High Frequency，SHF代表Super High Frequency，UHF代表Ultra High Frequency，VHF代表Very High Frequency，HF 代表High Frequency，MF 代表Medium Frequency，LF代表Low Frequency，VLF代表Very Low Frequency，ELF代表Extremely Low Frequency。

§4.2麦克斯韦方程和方程的解(Maxwell’s equations and solutions)麦克斯韦方程描述了电磁场的动力学,它的表达式是 (4-1)对于沿Z方向传播的电磁波的平面电磁波，其电场的解是 （4-2）式中EX 是电场强度，EX0 是电场强度的振幅作为横波，平面电磁波沿Z方向传播时，其电场沿X方向振动，磁场沿Y方向振动在解（4-2）中的有关参数如下 （4-3）式中k是复波数（complex wavenumber，单位[m-1]）， ω是角频率（angular frequency，单位是rad/s）ε0 是真空电容率（permittivity of free space）, ε是介质电容率（permittivity of the medium，单位是F/m）εr 是相对电容率（relative permittivity。

电容率的旧称是介电常数(dielectric constant)，新称呼由1988年全国自然科学名词审查委员会公布的“物理学名词”规定 μ是介质磁导率（单位是H/m），μ0是真空磁导率，μr 是相对磁导率（relative permeability）c是电磁波在真空中的相速度（velocity of E-M wave in free space，单位是m/s）， v 是电磁波在介质中的复速度（complex velocity of E-M wave in the medium，单位是m/s）， n 是复折射率(complex index of refraction) 真空电容率ε0 = 8.8542*10-12 F/m = 8.8542*10-12(V/A)-1(m/s)-1 = 8.8542*10-12 N•A-2； 真空磁导率μ0 = 4π×10-7H/m = 4π×10-7N/A2 = 4π×10-7(V/A)(m/s)-1 这里F = Farad代表电容的单位“法拉第”，V代表电压的单位“伏特”，N代表“牛顿”，A代表电流的单位“安培”，H = Henry代表电感的单位“亨利”。

在国际单位制中，电流、温度、质量、长度和时间是基本单位 表4-4显示了在20ºC时某些弱磁性的顺磁质 (μr > 1) 和某些弱磁性的抗磁质（μr < 1）的相对磁导率μr与1之差所有的弱磁性物质，它们的相对磁导率都非常接近于１；在遥感研究中，相对磁导率与1的差值可以忽略不计 表4-4：某些弱磁性物质的相对磁导率μr 与1之差顺磁质μr -1抗磁质μr -1氮氧铝0.013*10-61.9*10-622*10-6氢铜汞-0.063*10-6-9.6*10-6-32*10-6在公式(4-3)中，复波数k、复速度v、复折射率n、以及介质电容率ε的虚部表示由于衰减引起的电磁波振幅的变化；这些参数的实部表示它们原来字面的物理意义以后在波动理论中，我们将使用非黑体字k (而不是复波数k ) 表示电磁波的波数，使用v（而不是复速度v ）表示电磁波在介质内传播的相速度，使用n’表示电磁波的折射率（而不是复折射率n ）关于电磁波的相速度v和电磁波的波数k的基本公式是 （4-4）在真空中，电磁波的相速度v = c = 3×108m/s。

§4.3 辐射术语（Radiometric Terms）极化 (Polarization)极化又称为偏振，极化是根据电场矢量方向与参考平面方向的关系来定义的如果电场矢量都在一个平面内，则称为线形极化的线形极化可以根据辐射的参考平面进一步分为水平极化和垂直极化两种对于线性极化的辐射，水平极化（Horizontally Polarized）的电场与参考平面垂直，垂直极化（Vertically Polarized ）的电场与参考平面平行在这里参考平面由两条直线确定，一条是入射雷达波束（对主动微波雷达）或海面发射的电磁波波束（对被动红外或微波辐射）所在的直线，另一条是海表面的垂线立体角（Solid Angle）Ω如图 4-1所示，立体角微分元对应的小面积元是 (4-5)立体角的微分被表达为 (4-6)式中立体角采用立体弧度[sr = Steradian]作为它的单位一个球面的立体角是 [sr] (4-7) Z d=∠EAB, dθ=∠BOC, dS= BC*BE 。