第2章电磁辐射与地物光谱特征(1)

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第2章 电磁辐射与地物光谱特征2.1 电磁波谱与电磁辐射2.1.1 电磁波谱 1.波：是振动在空间的传播。如声波、水波、地震波等。 分为横波和纵波两种,如果质点的振动方向与波的传播方向 相同,称纵波;若质点振动方向与波的传播方向垂直,称横波. 2.电磁波:当电磁振荡进入空间,变化的磁场激发了涡旋电场,变 化的电场又激发了涡旋磁场,使电磁振荡在空间传播. 方向:由电磁振荡向各个不同方向传播的. 3.电磁波谱:按照电磁波的波长(频率的大小)长短，依次排列 构成的图表，成为电磁波谱

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波段 长波 中波和短波 超短波 微波 超远红外 远红外 中红外 近红外

波长 大于3000m 10~3000m 1 ~10 m 1mm~1m 15~1000µm 6~15 µm 3~6 µm 0.76~3 µm 0.62~0.76 µm 0.59~0.62 µm 0.56~0.59 µm 0.50~0.56 µm 0.47~0.50 µm 0.43~0.47 µm 0.38~0.43 µm 10-3~3.8 10-1 µm 10-6 ~ 10-3 µm 于10-6µm

电 磁 波 谱

红

外 X γ

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4. 电磁波的性质(1)是横波； (2)在真空以光速传播； (3)满足f λ= c E=h f;

(4)电磁波具有波粒二象性；

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2.1.2 电磁辐射的度量1. 辐射源任何物体都是辐射源。不仅能够吸收其他物体对它的辐射，也能够向外 辐射。遥感的辐射源分为自然辐射源和人工辐射源两类。 自然辐射源主要包括太阳辐射和地物的热辐射；太阳辐射是可见光及近 红外遥感的主要辐射源，地球是远红外遥感的主要辐射源。 人工辐射源是指人为发射的具有一定波长的波束；主动遥感采用人工辐 射源，目前较常用的人工辐射源为微波辐射源和激光辐射源。

2. 辐射测量辐射能量(W):电磁辐射的能量，单位：J 辐射通量(φ):单位时间内通过某一面积的辐射能量，单位：W 辐射通量密度(E):单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位：W/m2 辐照度(I):被辐射的物体表面单位面积上的辐射通量，单位： W/m2

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辐射出射度(M):辐射源物体表面单位面积上的辐射通量，单位：W/m2 辐射亮度(L):假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不 同，则L定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辐射通 量，单位：W/(sr·m2) 朗伯源：辐射亮度L与观察角θ无关的辐射源，称为朗伯源。

2.1.3 黑体辐射1. 绝对黑体如果一个物体对于任何波长的电磁辐射都全部吸收，则这个物体是 绝对黑体。 实验表明，当电磁波入射到一个不透明的物体上，在物体上只出现 对电磁波的反射现象和吸收现象时，这个物体的光谱吸收系数α与光 谱反射系数ρ之和恒等于1。 光谱吸收系数α :当物体的温度为T,波长在λ~ λ + λ范围内， α为 吸收能量与入射能量之比。 光谱反射系数ρ:当物体的温度为T,波长在λ~

λ + λ范围内，ρ为反 射能量与入射能量之比。

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自然界中并不存在绝对的黑体，实用的黑体是由人工方法制成的，它只是 一种理想的黑体模型，基本结构是能保持恒定温度的空腔。

人工制造的接近黑体的吸收体

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2. 黑体辐射规律(1) 普郎克公式 描述黑体辐射通量密度与温度、波长分布的关系。

2πh c Mb(λ , T ) = 5 hc λkT λ (e 1)2H: 普朗克常数6.6260755*10-34 Js K: 玻尔兹曼常数，k=1.380658*10-23 W·s·K-1 C: 光速; λ: 波长(μm); T: 绝对温度(K) M: 辐射出射度

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(2) 斯忒藩—玻尔兹曼定律对普朗克定律在全波段内积分，得到斯蒂藩-玻尔兹曼定律。辐射通量 密度随温度增加而迅速增加，与温度的4次方成正比。

Wb = σ T(3)维恩位移定律

4

σ: 斯蒂藩-玻尔兹曼常数，(5.6697+-0.00297)×10-8Wm-2K-4

λ max T = bb : 常数，2897.8+-0.4 μm· K

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黑体温度越高，曲线的顶峰就越往左移，即往波长短的方向移动。 高温物体发射较短的电磁波，低温物体发射较长的电磁波。 常温(如人体300K左右，发射电磁波的峰值波长9.66μm )

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3. 实际物体的辐射(1)基尔霍夫定律给定温度下，任何地物的辐射出射度与吸收率α之比是常数，即等于 同温度下黑体的辐射出射度。

M (λ, T ) α (λ, T ) =

Mb(λ, T )

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(2)实际物体的辐射对于一般物体而言，需要引入发射率(热辐射率、比辐射率),表明 物体的发射本领。

ε (λ , T ) = M (λ , T ) Mb(λ , T )

ε = α

实际物体的辐射出射度与同一温度下黑体辐射出射度的比值。发射率等于吸 收率。好的吸收体也是好的发射体，如果不吸收某些波长的电磁波，也不发 射该波长的电磁波。

发射率与物质种类、表面状态、温度等有关，还与波长有关。按照发 射率与波长的关系，辐射源可以分为：

1)黑体 2)灰体：没有显著的选择吸收，吸收率虽然小于1,但基本不随波长变化

3)选择性辐射体(如线谱，带谱)

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一般辐射体和发射率

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