遥感原理与方法第2章 电磁辐射及物体的波谱特性.doc

1、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 .271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

2、象反射、发射的电磁辐射信息，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，

3、使电磁场传播到很远的区域。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：2xEtHc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： , ，

4、T121 ， k CAsin( tkx)2 电磁辐射的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

5、-3)光子动量与其波长成反比，即h （2-3）、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，

6、取比例常数为 1 时(2-2)(2-1)3 (2-5)该式直接把粒子密度与波函数的关系统一起来。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

7、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

8、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 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

9、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(Infrared 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(0.76 3)，中红外( ) ，远红外(15 )超远红外(15300)和赫兹波(300 1000)。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4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。5图 2-2

10、电磁波谱及其应用6(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、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

11、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外层电子的离子化 摄影紫外 0.30.38 穿过大气层，用胶片和光电探测器可检出，但是大气散射严重紫 0.38-0.43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外层

12、电子的激励可见光红 0.62-0.76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0.76-1000与物质的相互作用随波长而变，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分子振动，晶格振动红外线远红外(热红外) 8-14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。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

13、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 无线电波 100-106cm 用于无线电通讯，分超短波、短波、中波、7的相互作用 工业用电 106cm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。82.1.3 电磁辐射的产生1 物质内部

14、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

15、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：

16、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。 2 1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

17、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。辐射形式有三种：共振辐射、荧光现象和热辐射。9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。