单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,电磁辐射,(Electromagnetic Radiation),4.1,电磁波的波段,4.2,麦克斯韦方程组和它们的解,4.3,辐射术语,4.4,基尔霍夫定律,4.5,黑体辐射,4.6,菲涅耳公式,4.7,菲涅耳反射率的公式,4.8,相对电容率的公式,第四章 电磁辐射(Electromagnetic Radi,1,名称,波长范围,频率范围,伽玛射线(-Ray),0.03 nm,X-射线 (X-Ray),0.03-200 nm,紫外光 (Ultraviolet),200-400 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 m,中红外 (MIR),1.3-3.0 m,热红外 (TIR),3-15 m,2,10,4,-1,10,5,GHz,远红外 (FIR),15-1000 m,300-2000 GHz,微波 (Microwave),0.1-100 cm,0.3-300 GHz,无线电波(Radio),1 m,0.3 GHz,电磁波,可见光,红外光,4.1,电磁波的波段,(,Bands of Electro-Magnetic Waves,),名称波长范围频率范围伽玛射线(-Ray)0.03 n,2,名称,频率范围,波长范围,P,0.3 1 GHz,30 100 cm,L,1-2 GHz,15 30 cm,S,2 4 GHz,7.5 15 cm,C,4-8 GHz,3.75-7.5 cm,X,8-12 GHz,2.50-3.75 cm,Ku,12-18 GHz,1.67-2.50 cm,K,18-26.5 GHz,1.13-1.67 cm,Ka,26.5-40 GHz,0.75 1.13 cm,极高频(EHF),30-300 GHz-,0.10-0.75 cm,微波雷达波段的名称,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,频率范围波长范围P0.3 1 GHz30 100 c,3,微波通讯,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。,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,S,波段（,2-4GHz,）、,L,波段（,1-2GHz,）或,X,波段（,8-12GHz,）,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，并且利用多普勒效应提高分辨率。,微波通讯微波也是一种无线电波；在无线电波范围内，微波的波长最,4,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,无线电波波段的名称,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。,名称频率范围极高频(EHF)微波30-300 GHz特,5,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=10,3,MHz,（,Mega-Hertz,：兆赫兹）,=10,9,Hz,（,Hertz,）,；,一般采用,nm,（,nano-meter,：纳米）作为可见光和近红外光的波长单位，,1nm=10,-3,m,（,micro-meter,：微米）,=10,-9,m,（,meter,：米）,。,单位,所有电磁波在真空或空气（近似地）中的传播都遵守公式,c=f,，这里f代表频率，代表波长，c=3108 m/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,波长计算,在遥感业务中，一般采用GHz（Giga-Hertz：千兆赫兹,6,4.2,麦克斯韦方程组和它们的解,麦克斯韦电磁场方程组描述了电磁场的动力学,它的表达式是,对于沿Z方向传播的电磁波的平面电磁波，其电场的解是,式中,E,X,是电场强度，,E,X0,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,。,4.2 麦克斯韦方程组和它们的解 麦克斯韦电磁场方程组描述,7,有关参数如下：,k,是复波数,是角频率,0,是真空电容率,是介质的复电容率,r,是复相对电容率,是介质磁导率,0,是真空磁导率,r,是相对磁导率,（在遥感研究中，相对磁导率与1的差值可以忽略不计）,c,是电磁波在真空中的相速度,v,是电磁波在介质中的复速度,n,是复折射率,有关参数如下：k是复波数,8,在公式中，,复波数k、复速度v、复折射率n、以及介质电容率,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,在真空中，电磁波的相速度v=c=310,8,m/s；电磁波在空气中传播的相速度近似地等于在真空中的相速度。,关于,复波数k、复速度v、复折射率n等：,在公式中，复波数k、复速度v、复折射率n、以及介质电容率的,9,4.3,辐射术语,4.3.1,极化和立体角,4.3.2,描述表观光学性质的术语,4.3.3,描述固有光学性质的术语,4.3.4,余弦辐射体,4.3 辐射术语4.3.1 极化和立体角,10,4.3.1,极化和立体角,（Polarization&Solid Angle）,极化（Polarization）,位于某一点电磁波的电场矢量都在一个平面内，则称为,线性极化的或线性偏振,。,线性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。,设一个参考平面由两条直线确定，一条是入射海面的电磁波波束或海面发射的电磁波波束所在的直线，另一条是海表面（或者海表面上小面积元的表面）的垂线。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。,任何电磁波都可以分解成水平极化和垂直极化两个部分,。有许多文献认为垂直极化的电场与海平面垂直，这种理解是错误的。,4.3.1 极化和立体角（Polarization&,11,微波辐射计（microwave radiometer）,探测来自地球表面（陆地、海洋或者大气）的自发辐射。海面风可以改变局部海面斜率，进而改变海面自发辐射的电磁波的极化状态。在微波辐射计里，一个波段可能对应着两个通道。,主动微波雷达（active microwave radar）,探测到的是经过海面反射和后向散射的雷达先前发射的电磁波。海面反射和后向散射的电磁波的极化状态也受局部海面斜率变化的影响。所以，极化状态也是主动微波雷达的一个重要参数。,可见光和红外辐射计（visible and near infrared radiometer）,一般不必过多考虑极化问题。,首先，探测到的是原始地来自太阳的自然光，各向同性，水平极化和垂直极化两个方向的能量相同。其次，在可见光和红外频率范围内，海面反射率和离水辐射率相对于海面的极化状态受风的影响很小，海面近似地是朗伯表面。第三，在设计上有一个偏振度指标，较小的偏振度可以保证仪器对于水平极化和垂直极化电磁波的响应度基本相同。由于不出现极化因子，每个波段对应着一个唯一的通道。,热红外辐射计（thermal-infrared radiometer）,探测来自地球表面（陆地、海洋或者大气）的自发辐射。在热红外频率范围内，海面自发辐射的电磁波相对于海面的极化状态受风的影响很小，海面近似地是朗伯表面。所以，极化状态在热红外辐射计中一般不作为一个参数出现。然而，对于使用可见光或红外频率激光（非自然光）的主动遥感仪器，可能要考虑极化问题。,微波辐射计（microwave radiometer）,12,立体角,假设电磁波从波源dA自发辐射，到达半径为R的球面的一个波束对应着一个立体角微分元。,立体角假设电磁波从波源dA自发辐射，到达半径为R的球面的,13,立体角的微分被表达为,式中立体角采用立体弧度sr=Steradian作为它的单位,该立体角微分元对应的小面元面积：,一个球面的立体角是：,立体角的微分被表达为式中立体角采用立体弧度sr=Ster,14,4.3.2,描述表观光学性质的术语,辐射能Q（Radiant Energy）,单位时间辐射能量的多少,辐射通量（Radiant Flux）,单位时间里通过一个面积的功率,辐射强度I（Radiant Intensity）,点光源在特定方向上单位立体角的辐射通量,辐亮度L（Radiance）,沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量,亮度B,（brightness）,沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量，主要被用来描述“亮温”或“亮度温度”,4.3.2 描述表观光学性质的术语 辐射能Q（Radian,15,光谱辐亮度（Spectral Radiance）,代表在单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量,辐照度E（Irradiance）,表示通过单位面积的辐射通量,光谱辐照度E()（Spectral Irradiance）,辐照度相对于频率或波长的能量分布,发射度M（Emittance or Exitance）,特指辐射源的自发辐射,光谱辐亮度（Spectral Radiance）,16,4.3.3,描述固有光学性质的术语,根据能量守恒定律，对于入射的“光谱的”辐照度，,我们有：,式中i 表示入射，r表示反射，a表示吸收，t表示透射,吸收率a()反射率r()透射率t(),发射率e(),发射率也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠近程度。,发射率（emissivity）、反射率（reflectance）、吸收率（absorptance）和 透射率（transmittance）属于描述固有光学性质的光学量，它们的值与外界光强无关，只与介质的固有光学性质（IOP：inherent optical properties）密切相关。,4.3.3 描述固有光学性质的术语 根据能量守恒定律，对于,17,图显示了关于玻璃板、镜子和黑体的三个典型例子,对于透明玻璃板，入射光被全部透射过去，故t=1，r=0，a=0，e=0；,对于镜子，入射光被全部反射回去，故r=1，t=0，a=0，e=0；,对于黑体，入射光被全部吸收然后全部被发射，a=1，e=1，t=0，r=0,对于海洋整个垂直水柱，在大多数情况下t（）0，因此有,在遥感理论研究中，这是一个很有用的公式。,对于有吸收能力的大气，在大多数情况下r（）0，因此有a（）1-t（），这里t（）是大气透射率，r（）是大气的漫反射率。,