遥感理论基础——电磁波（一）

遥感理论基础——电磁波（一）

麦克斯韦方程式
D=εE
B=μH
J=σE
D电位移矢量，ε介电常数，E电场强度
B磁感应矢量，μ磁导率，H磁场强度矢量
J电流密度，σ电导率

电磁波传播速度
V=C/√（εμ)
ε≥1,μ≧1,因此电磁波在介质中传播的速度总小于光速，在真空中等于C

电磁波的波动性
【干涉interference】：同频率ν，同振幅f，具有固定相位差的两列或多列波叠加合成而引起振动强度重新分布的现象叫做干涉。
杨氏双缝实验：强光源照射单缝S，后面有与S平行的两个单缝S₁和S₂，此时S₁和S₂成为两个新的光源，且发出光具备相干条件，干涉结果是后面的屏幕上出现明暗相间的条纹，条纹宽度和波长成正比。
【衍射differaction】电磁波在遇到障碍物时，障碍物边缘的波偏离原来的传播路线而绕到障碍物后面的现象叫做衍射。
用光照射小孔，小孔背光面上会出现一系列明暗相间、亮度逐渐减弱的圆形亮斑。亮斑大小可用衍射角θ=1.22λ/d表示。（衍射角θ：波进行衍射时，其在行进方向线与法线之间的角度）
【偏振polarization】偏振是表示电磁波电场振动方向的变化，描述电场方向关于传播方向的不对称性。偏振是横波的一种特有现象，也是与纵波区分的标志。电磁波作为一种横波，其互相垂直的电场与磁场振动方向和传播方向垂直，传播方向确定后，电场振动方向垂直于传播方向，可以是任意一个方向，也可按一定的规律或时间变化。任一振动方向都可以分解为水平与垂直两个特定偏振方向。纵波的偏振方向与传播方向一致，因此无偏振现象。

电磁辐射的度量
【辐射能量Q】物体以电磁波形式发射出来的能量，单位是J.
【辐射通量/辐射密度ф】物体在单位时间内辐射出的能量，ф=dQ/dt，单位J/s。
【辐射出射度M】面状物体在单位时间内，单位面积上辐射出的能量，M=dQ/(dA·dt）,单位J/(m²·s)或W/m²。
【辐射照度E】物体在单位时间内，单位面积上接收到的辐射能量，E=dQ/(dA·dt），单位J/(m²·s)或W/m²。
【辐射强度I】点辐射源在单位时间，单位立体角内，在某一方向上辐射出的辐射能量，I=dQ/dt·dΩ,单位是W/sr。（立体角的用Ω表示，单位是sr，叫做球面度，一个球体对全球面所张立体角为4π，Ω=4π sr)
【辐射亮度L】点辐射源在单位时间，单位里立体角内，在某一方向单位法向面积上辐射出的辐射能量，单位W/(m²·sr)。遥感观测的是辐射亮度值L。

电磁辐射定律
黑体：黑体是物理学上假设的一个理想辐射体，其发射率和吸收率均为1，也即是说，在任何温度下，对各种波长的电磁波的吸收系数恒等于1。黑体辐射只取决于黑体的温度，与黑体的物质材料无关。黑体侍朗伯体，其辐射具有各向同性。

1、普朗克辐射定律：表明黑体辐射只取决于温度和波长，而与内部特征、发射角无关。

2、斯蒂芬玻尔兹曼定律
     描述物体辐射出射度与温度的关系

M=σT⁴
σ为斯玻常数，取值5.6697x10^-8 W/(m²·K⁴)。需要注意的是，温度的指数n(λ)=4是以普朗克公式对全波长积分得来的，n_λ随温度变化，在10-12.5μm的大气窗口处，n_λ平均值为4；在中红外3μm处，n_λ≈13，因此在运用3~5μm中红外数据进行地表温度反演时需要注意。

3、维恩位移定律
     描述了物体辐射峰值波长与温度的定量关系。

λ=A/T
A为常数，取值2898μm·K

4、基尔霍夫定律
      在任一给定的温度下，物体单位面积上的辐射出射度M和吸收率ɑ的比值，对任何地物都是一个常数，并等于同温度下，相同面积黑体的辐射出射度M_b，即：
M/ɑ=M_b

电磁波与地-气的相互作用
1、太阳辐射
     太阳辐射的大部分能量集中在0.31-5.6μm，即近紫外-中红外（NUV~MIR），占全部能量的97.5%，其中可见光（VIS）占43.5%，近红外（NIR）36.8%。 而近紫外到-短波红外（NUV-SWIR）占全部能量的95%，由此可见，太阳辐射主要为短波辐射。Χ射线、γ射线、远紫外、微波的太阳辐射能小于1%。
     到达地球大气外边界的太阳辐射，30%被反射回太空，17%被大气吸收，22%被大气散射，剩余31%作为太阳直射辐射到达地表。
2、地球辐射
地球辐射可以分为长波辐射、短波辐射和中波辐射。
     长波辐射(>6μm)：主要是地表自身热辐射，太阳辐射影响极小；
     短波辐射（0.3-3μm）:主要是太阳辐射，地球自身辐射可忽略不计；
     中波辐射（3-6μm）：太阳辐射和地表自身热辐射影响均不能忽略。
a.对于地球短波辐射的反射辐射，其辐射出射度M与太阳辐照度E、反射率ρ以及波长λ有关，即M=ρE
b.对于地球自身的长波辐射，其辐射出射度M与比辐射率ε、地物温度T以及波长λ有关，即M=εσT⁴，σ为斯玻常数
c.地球上的能量来自太阳辐射，包括太阳直射辐射和天空漫射辐射，但入射到地面的太阳短波辐射R_s↓一部分被地面反射R_s↑，地面实际吸收的太阳短波辐射能量为：
R_s↓-R_s↑=(1-ρ)R_s↓

加上地表向外发射长波辐射R_L↑和大气长波辐射R_L↓，得出地表辐射净收入为
R_n=R_s↓-R_s↑+R_L↓-R_L↑
     

电磁波与大气的相互作用
大气层厚度一般可取1000km,按热力学可分为对流层、平流层、中间层和电离层。