第二章 电磁波及电磁波谱.ppt

第二章电磁波及电磁波谱第二章电磁波及电磁波谱2.1概述概述2.1.1电磁波电磁波1）电磁波）电磁波交互变化的电场和磁场在空间的传播。交互变化的电场和磁场在空间的传播。2）电磁波的特性）电磁波的特性（1）波动性：）波动性：是横波，具有波长、频率（周期）、振幅、相是横波，具有波长、频率（周期）、振幅、相位、角频率等参数。位、角频率等参数。电磁波的波动性形成光的干涉、衍电磁波的波动性形成光的干涉、衍射、偏振等现象。射、偏振等现象。（2）粒子性：光电效应：光子作为一）粒子性：光电效应：光子作为一种基本粒子，具有能量和动量。种基本粒子，具有能量和动量。能量：能量：动量：动量：2.1.2电磁波谱电磁波谱1）电磁波谱）电磁波谱按电磁波的波长的大小，依次排列画成图表，按电磁波的波长的大小，依次排列画成图表，这个图表叫做电磁波谱。这个图表叫做电磁波谱。2）电磁波谱序列）电磁波谱序列按波长递增的序列依次为：按波长递增的序列依次为：射线射线X射线射线紫紫外线外线可见光可见光红外线红外线微波微波无线电波。无线电波。电磁波谱电磁波谱2.1.2电磁波谱电磁波谱近红外近红外：0.76-3m，中红外：，中红外：3-6m，远红外：，远红外：6-15m，超远红外：，超远红外：15-1000m。任何温度高于绝对零度任何温度高于绝对零度(即即-273.15)的物体都的物体都能产生红外辐射，例如太阳、大地、云雾、冰能产生红外辐射，例如太阳、大地、云雾、冰块、建筑物、车辆等，由于其内部分子热运动块、建筑物、车辆等，由于其内部分子热运动的结果，都会产生红外辐射。的结果，都会产生红外辐射。人眼却无能感知红外辐射。人眼却无能感知红外辐射。微波微波：波长在：波长在1mm-1m的波段范围内。该范围的波段范围内。该范围内可再分为：毫米波、厘米波、分米波。用特内可再分为：毫米波、厘米波、分米波。用特定的字母表示，定的字母表示，如如Ka，K，Ku，X，C，S，L，P。2.1.3电磁波传播的基本性质电磁波传播的基本性质1）电磁波的叠加）电磁波的叠加电磁波的独立传播原理：数列波在传播过程中，电磁波的独立传播原理：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、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。波长、振幅、振动方向等）不变。电磁波可以用无穷个正弦波叠加构成，每个正电磁波可以用无穷个正弦波叠加构成，每个正弦波有它自己的振幅、频率和相位。弦波有它自己的振幅、频率和相位。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质2）干涉）干涉定义：频率、振动方向、相位相同或相位差恒定义：频率、振动方向、相位相同或相位差恒定的两（或数）列波相遇时，合成波某些地方定的两（或数）列波相遇时，合成波某些地方振动始终加强，另一些地方振动始终减弱的现振动始终加强，另一些地方振动始终减弱的现象。象。干涉的条件：电磁波必须是单色波。例如：激干涉的条件：电磁波必须是单色波。例如：激光，雷达。光，雷达。优点：能量增大，使图像清晰，方向性强。优点：能量增大，使图像清晰，方向性强。缺点：同一物质，表现性质不同。缺点：同一物质，表现性质不同。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质3）衍射）衍射定义：电磁波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方定义：电磁波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续前进，这种向发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续前进，这种现象称为电磁波的衍射。现象称为电磁波的衍射。主要用于传感器的设计和提高图像分辨率。主要用于传感器的设计和提高图像分辨率。（1）发生衍射时，电磁辐射通量的数量、质量、方向发）发生衍射时，电磁辐射通量的数量、质量、方向发生变化，测量结果不准，对目标解译带来困难。生变化，测量结果不准，对目标解译带来困难。（2）影响遥感所用仪器的分辨能力。）影响遥感所用仪器的分辨能力。（：最小分辨角，：最小分辨角，：波长，：波长，D：仪器孔径）：仪器孔径）（3）缩小阴影区域。）缩小阴影区域。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质4）极化（偏振）极化（偏振）定义：定义：当电磁波在空间传播时，其电场强度矢当电磁波在空间传播时，其电场强度矢量振动方向的瞬时取向，这种现象称为的极化量振动方向的瞬时取向，这种现象称为的极化（偏振）。（偏振）。表示：通常用电场强度矢量端点随着时间在空表示：通常用电场强度矢量端点随着时间在空间描绘出的轨迹来表示电磁波的极化。间描绘出的轨迹来表示电磁波的极化。分类分类(根据轨迹根据轨迹)：平面极化（线极化）、圆极：平面极化（线极化）、圆极化、椭圆极化。化、椭圆极化。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质平面极化（也称线极化）：电磁波的极化方向平面极化（也称线极化）：电磁波的极化方向保持在固定的方向上的极化。保持在固定的方向上的极化。水平极化和垂直极化都是平面极化的特例。水平极化和垂直极化都是平面极化的特例。平面极化方式分为：平面极化方式分为：（1）垂直（垂直（V）极化）极化：极化面与地面垂直的极化。：极化面与地面垂直的极化。（2）水平（水平（H）极化）极化：极化面与地面平行的极化。：极化面与地面平行的极化。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质极化的组合类型：极化的组合类型：HH极化极化：发射波为水平极化，接收回波为：发射波为水平极化，接收回波为水平极化；水平极化；VV极化极化：发射波为垂直极化，接收回波为：发射波为垂直极化，接收回波为垂直极化。垂直极化。正交极化正交极化：VH极化极化：发射波为垂直极化，接收回波为：发射波为垂直极化，接收回波为水平极化。水平极化。HV极化极化：发射波为水平极化，接收回波为：发射波为水平极化，接收回波为垂直极化。垂直极化。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质极化方式不同，微波遥感影像不同。具体应用极化方式不同，微波遥感影像不同。具体应用中，须经过测试，才能知道地物对雷达回波的中，须经过测试，才能知道地物对雷达回波的极化特性的影响。极化特性的影响。极化的产生：通过偏振器产生。极化的产生：通过偏振器产生。极化的效应：遥感影像便于立体观察。极化的效应：遥感影像便于立体观察。2.1.3电磁波的基本性质电磁波的基本性质5）多普勒效应）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，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。称为多普勒效应。式中：式中：f：电磁波辐射源的频率：电磁波辐射源的频率 f1：观察者接收到的频率：观察者接收到的频率c：波速：波速v：辐射源相对于介质的速度：辐射源相对于介质的速度v1：观察者相对于介质的速度：观察者相对于介质的速度例如：雷达测速仪例如：雷达测速仪2.2物体的发射辐射物体的发射辐射2.2.1黑体辐射黑体辐射1）绝对黑体（简称黑体）绝对黑体（简称黑体）对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体。对于任何波长的电磁辐射都全部吸收的物体。2）黑体辐射定律）黑体辐射定律普朗克定律普朗克定律在给定温度、单位时间、面积、波长范围内黑在给定温度、单位时间、面积、波长范围内黑体的辐射通量密度为：体的辐射通量密度为：2.2.1黑体辐射黑体辐射式中：式中：M：波长为：波长为的辐射通量密度。（的辐射通量密度。（W/cm2m）：波长。（：波长。（m）h：普朗克常数（：普朗克常数（6.625610-34Js）c：光速（：光速（3108m/s）k：玻尔兹曼常数（：玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K）T：绝对温度（绝对温度：绝对温度（绝对温度=摄氏温度摄氏温度+273.15）（）（K）几种温度下黑体辐射通量密度几种温度下黑体辐射通量密度2.2.1黑体辐射黑体辐射斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（普朗克公式积分）（普朗克公式积分）式中：式中：斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼玻尔兹曼常数（常数（5.669710-12W/cm2K4）T：黑体的绝对温度（：黑体的绝对温度（K）对遥感来说，红外探测装置能探测出对遥感来说，红外探测装置能探测出0.010.01的的温度变化。温度变化。2.2.1黑体辐射黑体辐射维恩位移定律维恩位移定律（普朗克公式微分，求极值）（普朗克公式微分，求极值）解得：解得：maxT=2897.8式中：式中：波长。（波长。（m）T：绝对温度（：绝对温度（K）常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进常用这种方法选择遥感器和确定对目标物进行热红外遥感的最佳波段。行热红外遥感的最佳波段。2.2.1黑体辐射黑体辐射2）物体的发射）物体的发射基尔霍夫定律基尔霍夫定律在给定温度下，物在给定温度下，物体对任一波长的发体对任一波长的发射和吸收成正比，射和吸收成正比，比值与物体的性质比值与物体的性质无关，只是波长和无关，只是波长和温度的函数。即有：温度的函数。即有：式中：式中：M：物体在波长为：物体在波长为的的辐射通量密度。辐射通量密度。（W/cm2m）：物体在波长为的吸物体在波长为的吸收率收率 2.2.1黑体辐射黑体辐射黑体的辐射通量密度黑体的辐射通量密度发射率发射率（）：物体辐射通量密度与同温）：物体辐射通量密度与同温度的黑体辐射通量密度之比。度的黑体辐射通量密度之比。物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率。物体的光谱发射率等于物体的光谱吸收率。2.2.1黑体辐射黑体辐射根据物体光谱发射率，将物体分为：根据物体光谱发射率，将物体分为：绝对黑体绝对黑体：=1，总辐射通量密度：，总辐射通量密度：M0=T4灰体灰体：=为常数，为常数，01，总辐射通量密，总辐射通量密度：度：M=T4选择性辐射体选择性辐射体：=f（），为变化值，），为变化值，01，辐射通量密度：，辐射通量密度：M=M0绝对白体绝对白体（理想反射体）（理想反射体）0，M=0。2.2.2太阳辐射太阳辐射1）遥感辐射源）遥感辐射源辐射源：凡是能够产生电磁辐射的物体辐射源：凡是能够产生电磁辐射的物体。分为两大类：人工辐射源（主动遥感）和天然分为两大类：人工辐射源（主动遥感）和天然辐射源（被动遥感）。辐射源（被动遥感）。天然辐射源：太阳和地球。天然辐射源：太阳和地球。（1）太阳的电磁辐射）太阳的电磁辐射主要能量集中在主要能量集中在0.2-3m。太阳的电磁辐射太阳的电磁辐射2.2.2太阳辐射太阳辐射遥感最常用的波段为：遥感最常用的波段为：0.32-1.1m，占太阳对，占太阳对地面辐射总通量密度的地面辐射总通量密度的85%以上。以上。（2）地球的电磁辐射）地球的电磁辐射大部分能量集中在大部分能量集中在4-30m之间。地球辐射也被之间。地球辐射也被大气强烈吸收。大气强烈吸收。地面物体的电磁辐射信息包括两部分：一部分地面物体的电磁辐射信息包括两部分：一部分是反射信息，它只能白天接收；一部分是发射是反射信息，它只能白天接收；一部分是发射信息，既能白天接收，又能在夜间接收。信息，既能白天接收，又能在夜间接收。2.2.3大气对辐射的影响大气对辐射的影响1）大气分层）大气分层大气厚度约大气厚度约1000km，垂直自下而上分为，垂直自下而上分为：对流层对流层：12km。飞机。飞机。平流层平流层：在：在12-80km，在，在25-30km处为臭氧层。处为臭氧层。气球、喷气式飞机。气球、喷气式飞机。电离层电离层：在：在80-1000km。150-200km为侦查卫为侦查卫星，星，800-900km为资源卫星、气象卫星。为资源卫星、气象卫星。外大气层外大气层：1000km以上以上。36000km为通讯卫为通讯卫星和气象卫星。星和气象卫星。2.2.3大气对辐射的影响大气对辐射的影响2）对流层大气变化规律）对流层大气变化规律温度随高度上升而下降，每上升温度随高度上升而下降，每上升1km下降下降6。空气密度和气压也随高度上升而下降。空气密度和气压也随高度上升而下降。地面空气密度为地面空气密度为1.310-3g/cm3，气压，气压105Pa。对。对流层顶部空气密度仅为流层顶部空气密度仅为0.410-3g/cm3，气压下，气压下降到降到0.26105Pa左右。左右。空气中相对不变成分：氮、氧、惰性气体，相空气中相对不变成分：氮、氧、惰性气体，相对变化成分：臭氧、水蒸气、烟尘微粒。对变化成分：臭氧、水蒸气、烟尘微粒。2.2.3大气对辐射的影响大气对辐射的影响3）大气对太阳辐射的吸收、散射及反作用）大气对太阳辐射的吸收、散射及反作用（1）在紫外、红外与微波区）在紫外、红外与微波区，引起电磁波衰减，引起电磁波衰减的主要原因是的主要原因是大气吸收大气吸收。引起大气吸收的主要。引起大气吸收的主要成分是水蒸气、臭氧、二氧化碳、氧气等。成分是水蒸气、臭氧、二氧化碳、氧气等。水蒸气：对电磁辐射的吸收最为显著。主要吸水蒸气：对电磁辐射的吸收最为显著。主要吸收峰为收峰为1.38m、1.87m、2.7m、6.3m、15m-1mm间的超远红外区，以及微波中间的超远红外区，以及微波中0.164cm和和1.348cm处。处。2.2.3大气对辐射的影响大气对辐射的影响臭氧臭氧：主要吸收带：主要吸收带0.3m、而在而在9.6m、4.75m和和14m处有弱吸收。处有弱吸收。二氧化碳二氧化碳：主要吸收峰为：主要吸收峰为2.70m、4.3m、10.0m、14.4m，以及全在红外区。，以及全在红外区。氧气氧气：在：在土路土路沥青。沥青。建筑屋顶材料：石棉瓦屋顶建筑屋顶材料：石棉瓦屋顶沥青粘砂屋顶沥青粘砂屋顶水泥屋顶水泥屋顶铁皮屋顶铁皮屋顶塑料顶棚。绿色顶棚与塑料顶棚。绿色顶棚与植被通过近红外区分。植被通过近红外区分。水体水体水体反射主要集中在蓝绿波段，其他波段吸收水体反射主要集中在蓝绿波段，其他波段吸收都很强。近红外波段水体呈黑色。水中含泥沙都很强。近红外波段水体呈黑色。水中含泥沙时，可见光波段反射率会增加。时，可见光波段反射率会增加。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射土壤土壤土壤的反射光谱曲线受：土壤的机械组成（颗土壤的反射光谱曲线受：土壤的机械组成（颗粒的粗细）、颜色、土壤含水量、土壤类型等粒的粗细）、颜色、土壤含水量、土壤类型等的影响。的影响。土质越细反射率越高，有机质及含水量越高反土质越细反射率越高，有机质及含水量越高反射率越低。射率越低。岩石岩石岩石的反射光谱曲线受：矿物成分、矿物含量、岩石的反射光谱曲线受：矿物成分、矿物含量、风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程风化程度、含水状况、颗粒大小、表面光滑程度、颜色等的影响。度、颜色等的影响。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射植被植被植物的反射光谱曲线植物的反射光谱曲线 叶绿素：引起叶绿素：引起0.45m、0.67m为吸收带，为吸收带，0.55m反射峰。反射峰。植物含水量：引起植物含水量：引起1.45m、1.95m、2.7m吸收带。吸收带。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射2.3地物的反射辐射地物的反射辐射不同植物类不同植物类型、植物生型、植物生长状况（生长状况（生长季节、病长季节、病虫害、含水虫害、含水量的多少）量的多少）影响植物的影响植物的反射光谱曲反射光谱曲线。线。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射红边红边一般为一般为680-750nm波长范围内反射率光谱的一阶微分最大值波长范围内反射率光谱的一阶微分最大值对应的波长。对应的波长。红边位移红边位移红移：植株生长旺盛时，红边向波长长的方向移动几个红移：植株生长旺盛时，红边向波长长的方向移动几个-十几个纳米。十几个纳米。蓝移：营养缺乏或病虫害时，红边向波长短的方向移动蓝移：营养缺乏或病虫害时，红边向波长短的方向移动几个几个-十几个纳米。十几个纳米。用于植被的定量遥感分析长势、估产、病虫害、施肥量、用于植被的定量遥感分析长势、估产、病虫害、施肥量、污染程度等。其污染程度等。其实质实质是测是测叶绿素叶绿素的含量。的含量。红边结构红边结构红边用一定的曲线表示其结构。红边用一定的曲线表示其结构。2.4地物波谱特性的测定地物波谱特性的测定植被指数植被指数近红外和红波段反射率的线性或非线性组合。近红外和红波段反射率的线性或非线性组合。植被指数主要有植被指数主要有：比值植被指数比值植被指数RVI：RVI=NIR/RED归一化植被指数归一化植被指数NDVI：NDVI=(NIR-RED)/（NIR+RED）差值植被指数差值植被指数DVI：DVI=NIR-RED其中，其中，NIR表示近红外波段反射率，表示近红外波段反射率，RED表示红光波表示红光波段反射率。段反射率。NDVI是目前应用最广泛的一种植被指数。是目前应用最广泛的一种植被指数。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射1）地物波谱的测定仪器）地物波谱的测定仪器测定地物反射波谱特性的仪器分为分光光度计、测定地物反射波谱特性的仪器分为分光光度计、光谱仪、摄谱仪等。光谱仪、摄谱仪等。仪器一般的结构：由收集器、分光器、探测器仪器一般的结构：由收集器、分光器、探测器和显示或记录器组成。和显示或记录器组成。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射2）地物波谱的测定原理）地物波谱的测定原理对不透明物体对不透明物体地物的光谱反射率地物的光谱反射率式中：式中：地物在某一波长发射率：地物在某一波长发射率：地物在某一波长反射率：地物在某一波长反射率I：地物的电流强度：地物的电流强度I0：标准板的电流强度：标准板的电流强度0：标准板在某一波长反射标准板在某一波长反射率，为已知，国家计量局鉴率，为已知，国家计量局鉴定定。2.3地物的反射辐射地物的反射辐射3）地物波谱的测定过程）地物波谱的测定过程用光谱测定仪器，置于不同波长用光谱测定仪器，置于不同波长1，2，n，分别探测地物的电流强度，分别探测地物的电流强度I1，I2，In，和标准板（和标准板（绝对白体绝对白体：硫酸钡和石膏）的电流：硫酸钡和石膏）的电流强度强度I10，I20，In0，记录和计算地物对每，记录和计算地物对每个波谱段的反射率个波谱段的反射率1，2，n。以波长为横轴，反射率为纵轴的直角坐标系中，以波长为横轴，反射率为纵轴的直角坐标系中，绘制出地物的反射特性曲线。绘制出地物的反射特性曲线。本章思考题本章思考题一、名词解释一、名词解释1.电磁波电磁波2.电磁波谱电磁波谱3.绝对黑体绝对黑体4.绝对白体绝对白体5.灰灰体体6.大气窗口大气窗口7.发射率发射率8.光谱反射率光谱反射率9.光谱光谱反射特性曲线反射特性曲线10.反射率反射率本章思考题本章思考题二、问答题二、问答题电磁波谱由哪些不同特性的电磁波组成？电磁波谱由哪些不同特性的电磁波组成？叙述沙土、植物和水的光谱反射率随波长变化叙述沙土、植物和水的光谱反射率随波长变化的一般规律。的一般规律。何为大气窗口？分析形成大气窗口的原因，并何为大气窗口？分析形成大气窗口的原因，并列出用于从空间对地面遥感的大气窗口的波长列出用于从空间对地面遥感的大气窗口的波长范围。范围。传感器从大气层外探测地面物体时，接收到哪传感器从大气层外探测地面物体时，接收到哪些电磁波能量？些电磁波能量？