电磁辐射及物体的波谱特性.docx

1、电磁辐射及物体的波谱特性目 录第2章 电磁辐射及物体的波谱特性 12.1 电磁辐射 12.1.1 电磁辐射的本质 12.1.2 电磁波谱 32.1.3 电磁辐射的产生 72.1.4 电磁辐射的基本性质 92.2 电磁辐射与物体的相互作用 122.2.1 电磁辐射的反射 122.2.2 电磁辐射的发射 142.2.3 物体的波谱特性 182.3 电磁辐射的大气传输 242.3.1 地球大气概况 242.3.2 大气传输特性 252.3.3 大气透射和大气窗口 27第2章 电磁辐射及物体的波谱特性 电磁辐射是遥感的能源，是传感器与远距离目标联系的纽带。遥感的本质是通过探测器接收物体或现象反射、发射

2、的电磁辐射信息，进而转变成影像或磁带。所以我们要应用遥感技术，首先必须了解电磁辐射的基本性质，及其物体的波谱特性。2.1 电磁辐射2.1.1 电磁辐射的本质 电磁辐射是自然界中以“场”的形式存在的一种物质，现代物理学的研究证明，电磁辐射具有两重性：波动性与粒子性。也就是说，电磁辐射是一种高速运动的粒子流，在空间的传播具波动性。1 电磁辐射的波动性 波是振动在空间的传播，电磁辐射是振源发出的电磁场在空间的传播。电磁学理论指出：在空间某区域有变化电场，那么在其邻近区域内将引起变化磁场；同样，有变化磁场也会在其邻近区域内引起变化电场。它们相互激发形成统一的电磁场，变化的电场与磁场的交替产生，使电磁场

3、传播到很远的区域。电磁场在空间以一定速度由近及远的传播过程，实质上就是电磁辐射，它具有波动的特性，所以又称为电磁波。图2-1 电磁波横波 麦克斯韦尔把电磁辐射抽象为一种以速度v在介质中传播的横波，振动着的是空间里的电场强度矢量E和磁场强度矢量H，其振动方向垂直于前进方向，如图2-1，且同一点的E和H相互垂直，变化位相相同。这种关系可用下列方程组表达：(2-1)式中为介质相对介电常数，为相对磁导率，c为真空中的光速。表征波动的主要物理量是波长，周期，频率、振幅，波数，圆波数k和角频率，以及波速，初相位，是波函数，这些参数之间的关系为： , ， (2-2) ， k Asin(tkx)2 电磁辐射的

4、粒子性 电磁辐射的波动学说，在解释电磁辐射的一些现象时，如电磁辐射能在真空中的传播，光电效应等遇到困难。近代物理学研究证明：电磁辐射本身是一种很小的物质微粒，电磁辐射过程就是具有质量的粒子的运动过程，这种运动在时空上是一种不连续的随机性运动，它携带一定的能量。也就是说，这些微粒不能连续地吸收或发射辐射能，只能不连续地一份份地吸收或发射，这种情况叫做能量的量子化。量子化的最小单位是光子，光子具有一定的能量和动量，而能量与动量都是粒子的属性，能量分布的量子化是粒子的基本特征。因此，光子也是一种基本粒子。 实验证明，光子的能量与其频率成正比，即 (2-3) 光子动量与其波长成反比，即 h （2-3）

5、、分别为光子的能量和动量，6.62510尔格秒，称为普朗克常数。3 波粒二象性的关系 电磁辐射的波动性与粒子性是对立统一的，从(2-3)，(2-3)两式中可以看出能量、动量是粒子的属性，可表征粒子性；而频率，波长是波的属性，可表征波动性，两者通过普朗克常数联系了起来。 从波动性来看，电磁辐射在某时空的强度和波振幅的平方成正比，比例常数为1时 (2-4a) 从粒子性来看，电磁辐射在某时空的强度与该时空粒子出现的几率成正比，粒子出现的几率即粒子流密度，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少。 (2-4b)将（2-4a）与(2-4b)两式合并，取比例常数为1时 (2-5)该式直接把粒子密度与波函数

6、的关系统一起来。 由上面的论述可看出，电磁辐射具明显的波粒二象性，连续的波动性和不连续的粒子性是相互排斥，相互对立的；但两者又是相互联系并在一定条件下可以互相转化的。可以说波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化，在传播过程中以波动性为主，遵守波动规律，当与物质作用时又以粒子性为主。电磁辐射波长的大小影响波粒二象性的表现，波长较长、能量较小的波动性明显；波长较短，能量较大的粒子性显著。2.1.2 电磁波谱 实验证明，现在我们所知道的宇宙射线、射线、射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波、工业用电等都是电磁波。所有这些波在本质上基本相同，但是，由于它们的波长和频率不同而产生差别。为了便于比较电磁辐

7、射的内部差异和进行描述，按照它们的波长(或频率)大小，依次排列画成图表，这个图表就叫做电磁波谱，如图2-2所示。 不同波长的电磁波谱，既有共同特点，又有内部差异，各波段的主要特点如下。(1)射线(Gamma Ray) 射线波长0.03，由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。射线是原子核跃迁产生的，由放射性元素形成，来自放射性矿物的射线可以被低空探测器所探测，是一个有前景的遥感波区。(2)射线(Ray) 射线波长为0.03，能量也较大，贯穿能力较强，是原子层内电子跃迁产生的，可由固体受高速电子射击形成。射线在大气中会被完全吸收，不能用于遥感。(3)紫外线(Uitraviolet

8、Ray UV) 紫外线波长为0.38，紫外线由原子或分子外层电子跃迁产生，按波长不同，可进一步分成近紫外(0.38300)，远紫外(300200)和超远紫外(200)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于0.3者完全被大气吸收，0.30.38的可以通过大气，用感光胶片和光电探测器进行探测。但是，该波段散射严重。(4)可见光(Visible Light) 可见光波长为0.380.76，由分子外层电子跃迁产生，是电磁波中眼睛所观察到的唯一波区。能通过透镜聚焦，经过棱镜色散分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色光波段，具光化作用和光电效应，在遥感中能用胶片和光电探测器收集记录。(5)红外线(Infrare

9、d Ray IR)红外线波长为0.761000，由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红外(0.763)，中红外()，远红外(15)超远红外(15300)和赫兹波(3001000)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中0.761.4的辐射可以用摄影方式探测，所以也称摄影红外。中远红外等是物体发射的热辐射，所以也叫热红外，它只能用光学机械扫描方式获取信息。红外线对人眼睛不起作用，能聚焦、色散、反射，具有光电效应，对一些物体有特殊反映：叶绿素、水、半导体、热等。图2-2 电磁波谱及其应用(6)微波(Micro wave)微波波长为0.1100cm，由固体金属分子转动所产生。其中可分为毫米波

10、、厘米波和分米波，微波的特点是能穿云透雾，甚至穿透冰层和地面松散层，其它辐射和物体对它干扰小。物体辐射微波的能量很弱，接收和记录均较困难，要求传感器非常灵敏。(7)无线电波(Radio wave)无线电波由电磁振荡电路产生，不能通过大气层 短波被电离层反射，中波和长波吸收严重，故不能用于遥感。 实际上，整个电磁波是连续不断的，各个波区或波段的分界点并不十分严格，各家划分标准不一，且相邻波区有相当重迭。电磁波谱各波段的产生及其遥感应用如表2-1。表2-1 各电磁波谱段的产生及其遥感应用特征产生方式谱 段波 长遥感应用特征原子核内部的 相互作用射线0.03来自太阳的辐射完全被上层大气所吸收，不能为

11、遥感利用，来自放射性矿物的辐射作为一种探矿手段可被低空飞机探测到层内电子的离子化X-射线 0.033进入的辐射全被大气所吸收，遥感中未用外层电子的离子化紫外线30.38波长小于0.3的由太阳进入的紫外辐射完全为上层大气中的臭氧所吸收摄影紫外0.30.38穿过大气层，用胶片和光电探测器可检出，但是大气散射严重外层电子的激励可见光紫0.38-0.43用照相机、电视摄影机和光电扫描仪等均可检测，包括在0.5附近的地球反射比峰值蓝0.43-0.47青0.47-0.50绿0.50-0.56黄0.56-0.59橙0.59-0.62红0.62-0.76分子振动，晶格振动红外线0.76-1000与物质的相互作

12、用随波长而变，各大气传输窗口被吸收谱段所隔开，一般有以下的划分近红外(反射红外)0.76-3m这是初次反射的太阳辐射，0.7-1.4的辐射用红外胶片检测，称之为摄影红外辐射中红外(热红外)3-5这是热区中的主要大气窗口，是一个宽谱段内的总辐射，用这些波长成像需要使用光学一机械扫描器(红外辐射计)而不是用胶片。远红外(热红外)8-14分子旋转和反转，电子自转与磁场的相互作用微 波0.1-100cm这些较长的波长能穿透云和雾，可用于全天候成像。其下可续分为毫米波，厘米波和分米波，而且都是无线电波的一种核自转与磁场的相互作用无线电波工业用电100-106cm106cm用于无线电通讯，分超短波、短波、

13、中波、长波 因波长范围与相应谱的划分不太统一，作者仅采用一般划分。 电磁波谱中的高频波段，如宇宙射线到大部分紫外线，粒子性特征明显；低频波段，如大部分红外线、微波、无线电波，波动性特征明显；处于中间波段的可见光和部分紫外线、红外线，具有明显的波粒二象性。这些不同的电磁波，从理论上讲都可进行遥感。但是，由于技术的限制和其它干扰，目前遥感使用的主要为可见光、红外线和微波。2.1.3 电磁辐射的产生1 物质内部结构及运动规律(1)内部结构由现代物理学、化学研究证明，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由带正电的原子核和绕核旋转的带负电的电子组成，原子核又由质子和中子构成。(2)运动规律根据

14、现代量子理论，微观物质世界的运动主要表现为三种形式：即电子的绕核运动，原子核在平衡位置上的振动和分子以其质量中心为轴的转动。当没有外来能量刺激时，这些运动状态是稳定的，具有一定的能量，并且该能量并不因为电子、原子、分子不停地运动而有所衰减，当与其它粒子碰撞，或者在电磁场中被照射而吸收足够的能量时，它就会改变运动状态，从基态轨道跃升到更高的激发态轨道上去。基态：根据最低能量原理，在正常情况下，粒子处于最低能量的运动状态，这个状态称为基态。对任一频率的粒子，基态能量为1。激发态：处于基态的粒子，如果受到外来能量的激发，当它接收了足够的能量后，跃升到较高的能量的运动状态，这种较高的状态称为激发态。激

15、发态的能量Enn。为电子层数，表示电子离核的距离。当增大时，的数值也大，表示该粒子离质量中心越远，所具有的能量越大，处于更高的激发态。激发：粒子从低能级跃迁到高能级的过程叫激发。激发能：激发态与基态的能量之差，称该激发态的激发能。 电磁辐射的产生粒子受激从基态进入高能量状态时，是瞬时的跃迁，不允许有中间的能量状态；处于激发状态的粒子十分不稳定，一般在10秒内就要往基态转化。这种转化可以有两种情况：一是和另一个粒子碰撞，激发态被破坏，能量传递给另一个粒子，这时没有电磁辐射的发射；另一种情况是粒子向下跃迁到一个较低的能级，释放出多余的能量，以光子的形式带走，产生电磁辐射。以表示各能级的激发能，光子

16、的能量为，二者相等。即较高状态的粒子跃迁到较低能级时多余的能量就以光子的能量辐射出去。21这一过程发射的电磁波的频率和波长分别为=/ =c/=ch/E （26）该式说明，激发能不同，辐射的光子频率不同，所发射的电磁波的波长也不同。电子能级的激发能较高，约为20ev，可产生频率较高的光子，发射波长为0.21.0微米的近紫外可见光近红外；原子能级的激发能较低，约为0.051.0ev，可发射波长为25微米的近红外远红外辐射；分子能级的激发能最低，约为0.030.05ev，发射辐射的波长为25300微米，属超远红外，它也可辐射少量微波。物质内部运动状态被激发方式有三种：电能激发、热能激发和辐射能激发。

17、辐射形式有三种：共振辐射、荧光现象和热辐射。共振辐射：受激跃迁到激发态的粒子，直接回到基态，辐射的光子频率与吸收的光子频率一样。荧光现象：受激跃迁到激发态的粒子，通过中间能级回到基态，它发射的光子的频率比吸收的光子频率低。热辐射：物质受激发时，将激发能转变成热能，产生热运动，这种运动所引起的粒子互相碰撞，从而使粒子运动发生改变，由于碰撞而产生的高能量运动状态可以自发的转变到低能运动状态，热能转变成辐射能，发出电磁辐射。2.1.4 电磁辐射的基本性质 电磁辐射是能量的一种动态形式，它把辐射源的能量通过自由空间传送到传感器上。那么，电磁辐射是怎样传播的呢？在传播中有那些基本特性？这里主要介绍与遥感

18、有关的基本性质。1 电磁波传播的性质(1)波的叠加原理 数列波在传播过程中，相遇后仍能保持它们各自原有的特性(频率、波长、振幅、振动方向等)不变，按照自己原来的传播方向继续前进，好象在各自的传播过程中，没有遇上其他波一样，在相遇区域内，任一点的振动为各波所引起的振动的合成。这也叫波的独立传播原理。电磁波的传播遵守这一原理。 在遥感中，所遇到的电磁波的波形都很复杂。但是，不管波的形式多么复杂，也无论其产生方式如何，实际上都可以用无穷个正弦波叠加构成，只要这些正弦波具有适当的振幅、频率和相位。(2)电磁波的干涉频率相同、振动方向相同、相位相同或相位相差恒定的两(数)列波相遇时，使某些地方振动始终加

19、强，而在另一些地方振动始终减弱的现象叫做波的干涉现象。能产生干涉现象的波叫做相干波，其波源叫相干波源。相干现象的基本原理是波的叠加原理。 电磁波的相干对遥感来说是很重要的。如果有两列波投射到一个传感器上，这些波传递给探测器的功率能够被测量出来。假如是非相干波，则合成的波功率是两个分波的功率之和，投射到传感器上的总辐射强度为两分波辐射强度之和，即12，且传感器上的任何位置的强度是一致的。假如是相干波，合成波的功率可能大于也可能小于两个波分别投射时的功率之和，其辐射强度和振幅分别为： cos (2-7a) (2-7b)且传感器得到的辐射强度各个位置也不同。干涉有利的方面是利用能量增大趋势，使图像清

20、晰，方向性强；不利的地方是造成同一物质所表现的性质不同。在分析图像时对于这些影响要特别注意。（3）电磁波的衍射 波在传播过程中遇到阻碍物时，其传播方向要发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续前进，这种现象叫做波的衍射。衍射现象可以用惠更斯原理解释。电磁波的衍射对遥感技术影响很大： ）电磁波通过传感器的孔径而被切割时，就要发生衍射，使电磁辐射通量的数量，质量和方向都发生变化，结果测量不准确，对目标物的解译也带来困难。 ）影响遥感所用仪器的分辨能力，理论上光学仪器的最小分辨角为： 1.22 (2-8)式中为电磁辐射的波长，D为光学仪器的孔径。 ）缩小阴影区域。(4)电磁波的偏振(极化) 偏振的概念 一

21、般情况下，天然波的振动在垂直于传播方向的平面上可以取所有可能的方向，且波的振幅完全相等。如果波在各方向上振幅大小不相同，而且各方向振动之间没有固定位相关系，极大值与极小值之间的夹角为90，则称该波发生了偏振现象，常用偏振度来衡量偏振程度。 (2)如果电磁波的电场强度E的振动只限于某一确定方向，则称这种波为全偏振波，其中=；如果则称为部分偏振波。 偏振的产生 偏振波可以用偏振器生产，如图2-3所示，在电磁波传播方向上依次放两块偏振器P、P，当天然波(光)经过偏振器P时，只有与偏振器P方向一致的分振矢量才能通过，与P方向垂直的分振不能通过。通过偏振器P的波就成为偏振波。偏振光再通过第二个偏振器P时

22、，视P方向而定，如果P与偏振波1成一角度，则偏振波在P方向的分量可以通过，垂直P方向的分量被挡住，令通过的分量为，若的振幅为，的振幅为，则光强分别为，且cos(为与的夹角)，所以 cos (2-10)当时，0、；当PP时，90，0。图2-3 偏振的产生 偏振的作用 在遥感中，电磁波的偏振非常重要，如进入传感器的电磁波都有一定的偏振性，偏振摄影、侧视雷达成像接收的完全是偏振波，利用偏振原理制作立体镜进行遥感影像立体观察等。(5)电磁波的多普勒效应 电磁辐射因辐射源或观察者相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。就是说，当一个频率为的电磁辐射源对于观察者作相对运

23、动的时候，观察者从这个源接收到的辐射将具有另一个频率。与1的关系式是： 式中：波速，：辐射源对介质的速度；S：观察者对介质的速度。 其中为源与观察者的相对运动速度之比，为源的运动方向和与观察者方向的联线所成的夹角。 在源与观测者的相对运动速度远小于光速的情况下，可用近似公式表达之： = - =cos （2-11）式中是频率变化值，为电磁波的速度，为源与观察者之间的相对速度。 对于向着观察者运动的源，为锐角，介于090之间，是正值；对于背离观察者的源，而为钝角，是负值。 在遥感中，主动式遥感都是从运动着的平台上发射电磁辐射，所以地面所接收到的辐射频率要发生改变；被改变了的辐射又被地面再反射到平台

24、上的传感器，传感器接收的辐射频率又要经过一次多普勒效应的改变。从发射到接收回波，其总的频率改变为单次多普勒效应的两倍。 cos (2-12)2 电磁辐射的光电效应 电磁辐射的能量激发物体，释放出带电粒子，形成光电流，这种现象称做电磁辐射的光电效应。光电效应是粒子性的明显表现，用光子假设可得到圆满地解释：电磁辐射照射到物质表面(金属物体)，金属中的自由电子吸收了光子能量，而从金属中逸出。电子吸收一个光子，便获得h的能量，该能量一部分消耗于电子从金属逸出时克服表面对它的吸引力所需的逸出功，另一部分转换为电子的初动能。 h (2-13)式中：为电子的质量，为电子的运动速度。由公式可得出： 1)当电磁

25、粒子的能量h小于电子逸出功A时，电子不能脱出金属，只有当hA时，即A/h时，才能生产光电效应。即光电效应具有一定的截止频率，其数值为vA/h。 2)电子的初动能和电磁辐射的频率成线性关系。 3)光电流的强度和入射的电磁辐射强度成正比。 4)光电流呈瞬时性。 光电效应在遥感中很重要，扫描成像、电视摄像等就是利用的光电效应，把光像变成电子像，把对人们眼晴无作用的电磁辐射用一定的探测元件接收下来，使其通过光电效应变成电子像，最后变成人们可以看见的影像。2.2 电磁辐射与物体的相互作用 在遥感中，从辐射源发出的电磁辐射，经过自由空间的传播，到达大气和地面，经过与大气和地面的作用，又到达传感器上。在此过

26、程中，电磁辐射一旦与物体接触，它所携带的能量就会表现出来，进行能量的交换，发生相互作用。作用的结果，使入射的电磁辐射发生变化。不同物体，由于组成它们的物质结构不同(分子、原子)，与电磁辐射作用时，这些分子和原子在旋转和振动过程中，所产生的能级跃迁性能就不同，进而所反射或吸收的电磁波频率也不一样。这些不同就构成我们识别与区分物体的依据。电磁辐射与物体作用后主要在强度、方向、波长(或频率)、相位等方面发生变化，甚至发生偏振。表现形式为物体使入射辐射发生反射、透射以及吸收和再发射等。电磁辐射和物体相互作用的本质是：入射到物体的电磁辐射使物体表面的自由电荷和束缚电荷发生振荡运动，这种运动转而辐射出次级

27、场返回初始介质或者向前进入第二种介质。具体地说，电磁辐射与物体相互作用，使得入射的电磁辐射(Q)受到反射(Qr)、透射(Q)和吸收(Q)。根据能量守恒律，入射的电磁辐射量等于作用后辐射量，即QQQQ。2.2.1 电磁辐射的反射电磁辐射与物体作用后产生的次级波返回原来的介质，这种现象就称为反射，该次级波便称之为反射波(辐射)。任何地物都具有反射和自己特有频率不同的外来辐射的能力。电磁辐射从某一特定物体上的反射强度在整个电磁波谱范围内是有显著差别的，它是波长、入射角、偏振和物体性质的函数，其中波长、入射角、偏振等变量，基本上与反射物体无关，这些参数可以通过用适当的遥感仪器以及工作条件来控制。因此，

28、反射强度主要与物体的性质 电学性质和磁学性质，以及物体表面粗糙程度有关。1 反射系数 物体的反射能力常用反射系数来表示，其实质是反映反射与物体性质的关系。当前，使用最普遍的是菲涅尔反射系数r，其表达式是： (2-14) s (2-15)式中：、分别为反射波和入射波的电矢量振幅，、分别表示平行和垂直入射面的分量，为投射角(入射角)。 在垂直入射的情况下，统一为 (2-16) 由上述公式可看出：反射系数是反射的电矢量振幅与入射的电矢量振幅之比，其实质是入射角、物体的介电常数及磁导率的函数，在入射角相同情况下，由于物体的结构不同，介电常数和磁导率不一样，因此有不同的反射系数，这种反射系数的差别就是我

29、们区分不同物体的依据。2 物体表面状况对反射的影响(1)物体表面的划分 物体的表面一般比较复杂，往往是粗糙不平的，根据它对反射的影响，分为两类：光滑表面和粗糙表面。二者的划分以入射波波长为标准，是一相对概念。 划分准则：物体表面的划分一般用瑞利准则，关系式是： cos (2-17)式中：是入射波的波长，是入射角。如果物体表面的起伏度，则该表面为光滑表面 镜面；如果，则为粗糙表面。 上述表明：入射辐射的波长决定了反射表面的粗糙度，入射波长不一样，同一物体的表面可显示不同的粗糙度，如土壤对无线电辐射是光滑的，而对可见光是粗糙的。一般说来，凡物体表面的颗粒线度远小于入射波的波长，该表面属光滑表面 “镜面”；当入射波的波长远小于物体表面起伏度或构成表面的颗粒的线度时，该表面就是粗糙表面。另外，入射角对表面的粗糙度也有影响，入射角越大，表面的粗糙度越小；反之，入射角越小，则粗糙度越大。(2)反射类型 镜面反射 由光滑表面产生的反射叫镜面反射。镜面反射具高度的方向性，能量集中向相反方向反射，且反射角等于入射角（反射方向遵守反射定律），可以用菲涅尔反射系数表示反射能力的大小，反射波位相相干。反射率为： ()2 (2-18) 漫反射 粗糙表面上产生的反射称漫反射。漫反射的入射能量以入射点为中心，在整