西北农林科技大学：《遥感原理与方法》课程教学资源（教案讲义）第2章 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...·1 S2.1电磁辐谢.…1 2.1.1电磁辐射的本质 212申磁波谱 2.1.3电磁辐射的产生 .8 2.1.4电磁辐射的基本性质」 .10 S2.2电磁辐射与物体的相互作用. …………13 2.2.1电磁辐射的反射. 13 2.2.2电磁辐射的发射. 15 2.2.3物体的波谱特性 .19 S23电磁辐射的大气传输.…… 26 2.3.1地球大气概况 .26 2.3.2大气传输特性 27 2.3.3大气透射和大气窗口 .29

目 录 第 2 章 电磁辐射及物体的波谱特性 ............... 1 §2.1 电磁辐射 ................................... 1 2.1.1 电磁辐射的本质............................................................................................ 1 2.1.2 电磁波谱....................................................................................................... 3 2.1.3 电磁辐射的产生............................................................................................ 8 2.1.4 电磁辐射的基本性质................................................................................... 10 §2.2 电磁辐射与物体的相互作用 ..................... 13 2.2.1 电磁辐射的反射.......................................................................................... 13 2.2.2 电磁辐射的发射.......................................................................................... 15 2.2.3 物体的波谱特性.......................................................................................... 19 §2.3 电磁辐射的大气传输 .......................... 26 2.3.1 地球大气概况.............................................................................................. 26 2.3.2 大气传输特性.............................................................................................. 27 2.3.3 大气透射和大气窗口................................................................................... 29

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 波是根动在空间的传播，电磁福射是振原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，使电磁场传播到很远的区域。电磁场在空间以一定谏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。 H 图2-1电磁波一横波 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21，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： 1

1 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) c ar 式中￡为介质相对介电常数，μ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入，周期T,频率V、振幅A,波数N,圆波数k和角 频率ω，以及波速)，初相位日，中是波函数，这些参数之间的关系为： = =2=2v, N=I T C = su 分=A=2经=2N (2-2) 中=Asin[(o1-kx)+0] 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 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 E=hv (2-3a)） 光子动量与其波长成反比，即 P=h/ (2-3b) E、P分别为光子的能量和动量，h=6.625×10-27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2-3a),(2-3b)两式中可以看出能量E、 动量P是粒子的属性，可表征粒子性：而频率Y,波长入是波的属性，可表征波动性，两 者通过普朗克常数h联系了起米。 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 1=1A12 (2-4a) 从粒子性来看，申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S，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少 I=S (2-4b) 将(2-4a)与(2-4b)两式合并，取比例常数为1时

2 x E t H c   = −    x H t E c   = −    式中ε为介质相对介电常数，μ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λ，周期Ｔ，频率 ν、振幅Ａ，波数Ｎ，圆波数 k 和角 频率ω，以及波速υ，初相位θ，ψ是波函数，这些参数之间的关系为： ν＝ T 1 , ω＝ T 2 ＝２πν ， Ｎ＝  1 υ＝  C ＝ T  ＝λν， k＝  2 ＝２πＮ ψ＝Asin[(ωt－kx)＋θ] 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 Ｅ＝ｈν (2-3ａ) 光子动量与其波长成反比，即 Ｐ＝h／λ （2-3ｂ） Ｅ、Ｐ分别为光子的能量和动量，ｈ＝6.625×10－２７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(2-3ａ)，(2-3ｂ)两式中可以看出能量Ｅ、 动量Ｐ是粒子的属性，可表征粒子性；而频率γ，波长λ是波的属性，可表征波动性，两 者通过普朗克常数ｈ联系了起来。 从波动性来看，电磁辐射在某时空的强度Ⅰ和波振幅的平方成正比，比例常数为 1 时 Ｉ＝｜Ａ｜２ (2-4a) 从粒子性来看，电磁辐射在某时空的强度Ｉ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Ｓ，为单位时间内通过单位截面的粒子数目的多少。 Ｉ＝Ｓ (2-4b) 将（2-4a）与(2-4b)两式合并，取比例常数为 1 时 (2-2) (2-1)

S=A12 (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一粒二象性，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、Y射线、义射线、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 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22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)y-射线(Gamma Ray) Y射线波长λ<0.03nm,由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。 一射线是原子核跃迁产生的，由放射性元素形成，来自放射性矿旷物的？一射线可以被低空 探测器所探测，是一个有前景的遥感波区。 (2)t一射线(x-Ray) 一射线波长入为0.03-3nm,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。X一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) 紫外线波长入为3nm一0.38μm,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(0.38μm一300nm),远紫外(300一200nm)和超远紫外(200 一3nm)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于0.3μm者完全被大气吸收，0.3-0.38 μm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) 可见光波长入为0.38μm一0.76μm,由分子外层电子跃迁产生，是电磁波中眼睛所 观察到的唯雌一波区。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(Infrared Ray IR) 红外线波长入为0.76一1000μm,由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红

3 Ｓ＝｜Ａ｜２ (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、γ 射线、χ 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)γ—射线(Gamma Ray) γ 射线波长λ＜0.03ｎｍ，由于波长短，频率高，所以具有很大的能量，很高的穿透性。 γ—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 γ—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)χ—射线(χ－Ray) χ—射线波长λ为 0.03－３ｎｍ，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。χ—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λ为３ｎｍ－0.38μｍ，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(0.38μｍ－300ｎｍ)，远紫外(300－200ｎｍ)和超远紫外(200 －３ｎｍ)。粒子性明显。来自太阳的紫外线，小于 0.3μｍ者完全被大气吸收，0.3－0.38 μｍ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λ为 0.38μｍ－0.76μｍ，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(Infrared Ray IR) 红外线波长λ为 0.76－1000μｍ，由分子振动与转动产生，按波长不同，可分成近红

外(0.76-3μm),中红外(3-6μm),远红外(6-15μm)超远红外(15-300μm)和赫兹 波(300-1000μm)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中0.76-1.4μm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。红外线对人眼晴不起作用，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。 4

4 外(0.76－3μｍ)，中红外(３－６μｍ)，远红外(６－15μｍ)超远红外(15－300μｍ)和赫兹 波(300－1000μｍ)。近红外是地球反射来自太阳的红外辐射，其中 0.76－1.4μｍ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