红外辐射特性.pptx

1、遥感图像分析Analysis of Remote Sensing河南理工大学测绘学院遥感系Electromagnetic Wave Emission Characteristics of object第三讲 物体电磁波发射特性一、辐射量的定义二、黑体辐射三、太阳辐射四、地物的波谱发射特性五、红外辐射特性主要内容重点重点重点重点辐射通量 光谱分布曲线光谱辐射通量波长光谱辐射通量辐射强度：在单位立体 角、单位时间内，从微小辐 射源向某一方向辐射的辐射 能量。点辐射通量：以电磁波形式辐射能量传播的能量。辐射通量：在 单位时间内传送的 辐射能量。一、辐射量的定义辐射照度：在单位时间内、单位面积上接 受

2、的辐射能量。辐射出射度：在单位时间内、从单位面积上 辐射出的辐射能量。一、辐射量的定义面的法线辐射面 辐射亮度：在单位立体角、单位时间内、从外 表的单位面积上辐射出的辐射能量一、辐射量的定义从受到辐射的方向 看过去的单位面积，即 辐射源的投影面上的单位面积。在辐射测量的各个量中，当 加上“光谱”（spectral）这一术语时，则是指单位波 长宽度的量。例如：光谱辐射通量（spectral radiant flux），光谱辐射亮度（spectral radiance）1、什么是黑体2、为什么要研究黑体3、黑体辐射规律二、黑体辐射1、什么是黑体 白天看远处的窗户 空腔模型？二、黑体辐射定义：能全部

3、吸收外来电磁波辐射而毫无反 射和透射的理想物体。也称绝对黑体。近似黑体的例子：黑色的烟煤（吸收系数99%）太阳（接近黑体辐射的辐射源）(5%)n2、为什么要研究黑体客观现象：凡是温度大于绝对温度0K（-273.16）的任何物体都具有发射电磁波的能 力。因为地球上所有物体的温度都大于0K，因此所有物体均具备发射电磁波的能力，能 力大小与温度有关。如何比较物体的发射能力？必须有比较 的标准。常以黑体辐射为标准。二、黑体辐射3、黑体辐射规律1860年基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的 辐射体的定律。1900年普朗克用量子论的概念推出了黑体的 辐射定律，它表明了黑体辐射的能量大小即辐 射通量密度（单位时

4、间内单位面积所通过的辐 射能量）与温度波长的关系。二、黑体辐射W：分谱辐射通量密度，单位为(W/m3)；h：普朗克常数(h=6.626*10-34Ws2)；k：波耳兹曼常数(k=1.38*10-23Ws/K)；：波长，单位为m；C：光速；T：黑体的绝对温度，单位为K。二、黑体辐射3、黑体辐射规律普朗克公式900K600K0.20.6分光谱辐射通量密8 0度0K0.4700K0.8500K02468101214波长（微米）二、黑体辐射3、黑体辐射规律得到从1cm2的面积上黑体辐射到半球空间(半无限)中的总辐射通量密度W为：W=T4：斯蒂芬玻耳兹曼常数，取值为5.6697*10-8 Wm-2K-4

5、 结论：从公式W=T4 可以得出：黑体的总辐射通量密度与 其绝对温度的4次方成正比。（1）斯蒂芬玻耳兹曼定律将普朗克公式对从零到无穷大进行积分可得二、黑体辐射 遥感应用：在遥感图像上识别不 同温度的物体。900K600K0.20.6分光谱辐射通量密80度0K0.4700K0.8500K02468101214波长（微米）二、黑体辐射（1）斯蒂芬玻耳兹曼定律（2）维恩位移定律对普朗克公式微分并求极值：mT=2897.8 mK常数二、黑体辐射暗红-橙-黄m发生了向短波方向的偏移900K500K600K700K800K二、黑体辐射2维恩位移定律从mT=常数可得结论：黑体辐射能量的主波长m（峰值波长）与

6、温度成反比 黑体辐射能量主要集中在m附近 不同黑体的辐射通量密度在其m处差别最大 举例：对铁块加热后，随着铁块逐渐变热，颜色也发生变化：蓝火焰与红火焰相比谁的温度高？二、黑体辐射（2）维恩位移定律应用启示：维恩位移定律为识别特定物体而设计传感器响应 波段提供了理论基础。分波段记录时（因在m附近），温度高的黑体，其影像呈亮色调。分光谱辐射通量密度600K500K波长（微米）700K二、黑体辐射（3）每根曲线互不相交，温度越高，黑体在所有波长处的W 也越大。900K800K1、太阳和太阳常数2、太阳光谱三、太阳辐射太阳基本物理参数半径:质量:平均密度:温度:总辐射功率:696295 千米.1.98

7、91030 千克1.409 克/立方厘米6000 K(表面)15*106 K(核心)3.831026焦耳/秒表面辐射出射度：6.28*107 瓦/平方米 年龄:约50亿年 组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约 占71,氦约占27,其它元素占2。三、太阳辐射1、太阳和太阳常数太阳从中心向外可 分为核反应区、辐 射区、对流区和太 阳大气。太阳大气又可分成 光球、色球和日冕 三层。三、太阳辐射三、太阳辐射阳辐射能量损失，903W/m2，仅占大太阳辐射到达地面的有效辐射通量密度为 气上界太阳辐射的64.5%。1、太阳和太阳常数太阳常数：在日地平均距离的条件下，在地球大 气上界，垂直于太阳光线的1

8、平方厘米的面积上，在1分钟内所接受的太阳辐射能量。太阳常数=1.95卡/cm2分=1.360103 W/m21 个由天于文大单气位对：电日磁地波平传均输距的影离响而使太（=149 597 870 km）15005000200010003.02.62.21.81.41.00.20.6可见光海平面上太阳辐射6000K黑体辐射大气上界太阳辐射三、太阳辐射2、太阳光谱2500三、太阳辐射2、太阳光谱太阳的辐射光谱范围从x射线一直到无线电波，绝大部分能量 集中在0.315.6之间，大致分布如下：0.315.6占97.5%从近紫外到中红外0.380.72 占43.5%可见光0.761.1占36.8%近红外

9、1.42.5占7.8%近红外3.04.2占1.1%中红外4.55.6占0.18%中红外太阳辐射是连7.514占0.11%远红外续的，为什么 遥感中常用波段：这里给出的波 段不是连续0.381.1，占85%（可见光近红外线的）？1.42.5，占8%（短波红外,在地质遥感中有重要作用）这两个波段在RS中有重要的应用。1、地物波谱发射率2、地物波谱发射特性四、地物的波谱发射特性1、地物波谱发射率为了衡量不同的地物发射电磁波能力的大小，常用波 谱发射率来表示地物的发射能力。定义：单位面积上地物发射某一波长的辐射通量密度W与 同温下黑体在同一波长的辐射通量密度W之比，记做，=W/W。1、定义中强调了“同

10、一温度”，为什么？2、符号中有波长，为什么？四、地物的波谱发射特性该表说明什么？四、地物的波谱发射特性1、地物波谱发射率常温(200C)下部分地物的发射率人 体 皮 肤0.27石油0.27木板0.98灌木0.98稻田0.89土路0.83柏油路0.93小麦地0.93干沙0.95黑土0.87混凝土0.90黄粘土0.85大理石0.95草地0 84地物温度石英石花岗岩200C0.6940.787该表说明什么？00C0.6820.783200C0.6210.780400C0.6640.777四、地物的波谱发射特性1、地物波谱发射率地物波谱发射率随温度的变化四、地物的波谱发射特性1、地物波谱发射率结论：不

11、同的地物有不同的波谱发射率，同一地 物在不同波段的波谱发射率也不同。不同地物间的波谱发射率的差异也代表了 地物间发射能力的不同，发射率大的地物，其 发射电磁波的能力强。2、地物波谱发射特性地物波谱发射特性定义：地物的波谱发射率随波长和温度的变化而变 化的性质。地物波谱发射特性曲线的定义：以地物的波谱发射率为纵轴，以波长为横轴，将发射率与波长的对应关系在平面直角坐标系中 绘制成的曲线。四、地物的波谱发射特性波长1.00光谱发射率0.5波长光谱辐射通量密度 黑体选择性 辐射体灰体 灰体 黑体 选择性辐射体 1)绝对黑体12)灰体 但（01)3)选择性辐射体 f()4）绝对白体0四、地物的波谱发射特

12、性2、地物波谱发射特性对地物来讲是个变值，但在比较不同的地 物间发射能力的不同，常用平均发射率来表达。四、地物的波谱发射特性2、地物波谱发射特性时间沙地草地温度树林湖泊该图说明什么？四、地物的波谱发射特性2、地物波谱发射特性透射部分 入射能量反射能量吸收能量 吸收部分 E/E反射率 E/E吸收率 E/E透射率=1绝对黑体=1绝对透明体 =1绝对白体四、地物的波谱发射特性2、地物波谱发射特性依能量守恒定律：入射电磁波反射部分E()E()+E()+E()透射能量所以有=。对一般地物而言，均不透射，即=0，则有：=1-。它表明了与的关系。四、地物的波谱发射特性2、地物波谱发射特性基尔霍夫（1860年

13、）定律指出：在给定温度下，地物的辐射通量密度与其吸收率 之比对任何物体都是一个常数。即大气中的红外电磁波由两部分组成：太阳辐射中 的红外部分和地物辐射的红外部分。1、近红外（含短波红外）范围0.73.0，能量主要来自太阳辐射，而地 物的辐射很小，二者之比约为1000：1，因而在此波 段的图像上反映的是地物对太阳辐射的反射情况，而 不是反映地物本身温度的高低，离开了太阳辐射就不 能进行近红外遥感。此波段只能在白天成像。五、红外辐射特性2、中红外波段范围36，既有太阳辐射，又有地物发 射，它正好处于太阳辐射峰值（10）之间，太阳 的W为1010-3 W/cm2，地物的W为10-3 W/cm2，二者

14、之比为10：1，白天RS记录的主要是地物的反 射信息，夜间记录的主要是地物的发射信息，但白 天获取的影像解译较困难。五、红外辐射特性3、远红外范围615，此波段太阳辐射的能量很小，地物热辐射的W随温度不同而变化（如一年四季 温度变化，天气的变化），因而在白天二者约为1：100，记录的主要是地物热辐射，对太阳辐射的反 射可忽略不计；在夜间遥感时，记录的仅是地物热辐射。五、红外辐射特性4、超远红外 范围1530，主要是地物热辐射的能量，太阳辐射的能量较小，可以不计。但此波段在大 气中的透过率不高，不能进行远距离RS，只有部 分波段有可能用于遥感。五、红外辐射特性本节重点：1、黑体辐射三个特性2、地

15、物发射特性 思考题1、研究地物发射时，为什么要以黑体辐射为标准？2、试分析湖泊、树林在热红外像片上白天和晚上的 色调有何不同。3、分析热红外像片上地物色调与，T 的关系。预习：地物电磁波反射特性小结两 小 儿 辩 日孔子东游，见两小儿辩斗，问其故。一儿曰：“我以日始出时去人近，而日中时远也。”一儿曰：“我以日初出远，而日中时近也。”一儿曰：“日初出大如车盖。及日中，则如盘盂，此 不为远者小而近者大乎？”一儿曰：“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤，此不 为近者热而远者凉乎？”孔子不能决也。两小儿笑曰：“孰为汝多知乎？”太阳高度角愈大，等量的太阳辐射散布的面 积愈小；清早空气湿度大，并且阳光穿行在地面厚密 的空气中，散射的阳光多；地面经过一夜的长波辐射本身丧失热量多，地面热量亏损至低谷，气温降到最低点，在 晨曦之时，人自觉感到“沧沧凉凉”，格外 寒冷。