遥感物理基础(1) 电磁波谱与电磁辐射

前言

本文内容较为枯燥，是遥感的物理原理，作者已经尽量去帮助读者理解了，无论是精细的阅读还是走马观花，长期下来都能提高读者对专业知识的理解；作者非物理专业，对某些知识点的总结仅是个人理解，如有问题，请指正！🙏

电磁辐射是遥感传感器与远距离目标联系的纽带。不同类型地物具有不同的电磁辐射，遥感技术正是利用地物的的不同辐射特征，转变成数据或影像，达到探测地面目标的目的。因此，要应用遥感技术，必须了解电磁辐射的基本性质及地物的波谱特征。

​ 电磁波是遥感技术的重要物理理论基础。自然界的任意物体本身都具有发射、吸收、反射以及电磁波的能力，其区别在于不同物体对于不同的电磁波存在着不同的特性。

1.电磁波及其性质

①电磁波

    根据麦克斯韦电磁场理论，假定在空间中某个区域有变化的电场，那么在邻近区域内会产生变化的磁场；这一变化的磁场又在较远区域内引起新的变化电场，并进一步在更远的区域引起新的变化磁场。变化的电场又与磁场交替产生，并以有限的速度在空间内传播。这种由同相震荡且相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量与动量的过程称为电磁波。也称为电磁辐射。光波、热辐射、微波、无线电波能均属于电磁波。在电磁波里，电场强度矢量E和磁场强度矢量B相互垂直，并且都垂直于电磁波的传播方向K，故电磁波是一种横波。如下图所示：

②电磁波的性质

    电磁波不同于水波、地震波等由震源发出的震动在介质中进行传播，电磁波的传播不需要任何介质。在量子方式的描述中，电磁波又以光子的方式传播。实际上，电磁波的载体为光子，在真空中的传播速度为光速，其值被定义为：c=299792458m/s。

    电磁波表现出波动性与粒子性两种性质。在传播过程中主要表现为波动性，与物质相互作用时又表现出粒子性，即电磁波的波粒二象性。连续的波动性与不连续的粒子性是相互排斥、相互对立，然而两者又相互联系，在一定的条件下可以相互转化。波是粒子流的统计平均，而粒子是波的量子化。（就当是连续与离散吧）

    不同波长的电磁波波动性与粒子性所表现出的程度也不相同。一般而言，波长越长的电磁波其波动性特征越明显；反之，波长越短的电磁波，其粒子特征更加明显。

    电磁波的波长、传播方向、振幅等性质与实际物体的结构密切相关，且具有一定的对应关系。遥感技术正是利用这些对应关系，来探测并获取目标物的电磁辐射特性。

2.电磁波谱

①电磁波谱的概念与划分

    电磁波通常以频率f、波长λ来进行描述，它们的关系可以表示为
$$ c=f*λ $$
    将不同波长的电磁波、按照其在真空中传播波长的长短或者频率的大小递增或递减的顺序依次排列得到的图表称为电磁波谱，如下图所示：

电磁波是连续的，一般按照电磁波波长与频率的不同可以划分为γ(伽马)射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波以及长波等类型。不同类型电磁波的单位也存在差异，习惯上电磁波区段的划分见下表。

②遥感技术中常用电磁波谱主要特性

(1)紫外线

  紫外线是电磁波谱中波长从0.01~0.38μm辐射的总称，主要源于太阳辐射。由于大气层对紫外线的强烈吸收与散射作用，紫外遥感通常在2000m高度以下的范围进行。大多数地物在该波段的反射较小，目前主要应用于测定碳酸岩的分布以及对油污的检测。

(2)可见光

​ 可见光波长范围为0.38~0.76μm，主要源于太阳辐射。尽管收到大气对它的部分吸收与散射作用，它依然是遥感成像所使用的主要波段之一。大多数地物具有良好的亮度反差特性，不同地物的图像易于区分。为进一步探测地物间的细微差别，可将此波段细分为红、绿、蓝，以及仅有及纳米波长差的百余个不同波段分别对地物进行探测，这种分波段成像的方法一般称为多光谱遥感。利用可见光成像的手段有摄影和扫描两种方式，其探测能力得到了极大提高。

(3)红外线

  红外线根据其性质可分为近红外、中红外、远红外和超远红外。近红外主要源于太阳辐射，中红外主要源于太阳辐射及地物热辐射，而远红外和超远红外主要源于地物热辐射。红外波段较宽，在此波段地物间不同的反射特性和发射特性均可较好地表现出来，因此该波段在遥感成像中有着重要作用。在整个红外波段中进行的遥感统称红外遥感，按其内部波段的详细划分可分为近红外遥感和热红外遥感。中红外、远红外和超远红外三者是产生热感的主要原因，因此又称为热红外。热红外遥感最大的特点就是具有昼夜工作的能力。由于摄影胶片感光范围的限制，除了近红外可用于摄影成像外，其他波段不能用于摄影成像，而整个红外波段都可用于扫描成像。

(4)微波

​ 微波的的波长比可见光和红外波长，受大气层中云雾的散射影响小，穿透性好，因此能全天候进行遥感。使用微波的遥感被称为微波遥感，它通过接受地面物体发射的微波辐射能量，或接收器本身发出的电磁波束的回波信号，对物体进行探测、识别和分析。由于微波遥感采用主动方式进行，其特点是对云层、地表植被、松散沙层和干燥冰雪具有一定的穿透能力，且不受光照等条线限制。因此微波遥感是一种全天候、全天时的遥感技术。

3.电磁辐射的度量

​ 电磁波的传播过程是电磁波能量的传递。在遥感过程中，需要测量从目标地物反射或辐射的电磁波能量。为了定量描述电磁辐射，一般需要了解电磁辐射度量的基本术语及其含义。

辐射能量：电磁辐射能量的度量，记作W，单位为J。

辐射通量：单位时间内通过的辐射能量，记作=dW/dt，单位为W。也称辐射功率，是关于波长λ的函数，即不同波长的电磁波具有不同的辐射通量。如果是对应某一波长辐射通量，则记作（λ）。总辐射通量是所有波长电磁波的辐射通量之和或辐射通量的积分。

辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量，或描述为通过单位面积的辐射通量，记作E=d/dS。单位为W/m²，S为面积。

辐照度：被辐射物体表面的辐射通量密度，即被辐射物体表面单位面积上的辐射通量，记作I=d/dS，单位为W/m²，S为面积。

辐射出射度：向外发出辐射的辐射源物体表面的辐射通量密度，其中辐照度描述物体接收到的辐射，辐射出射度描述物体向外发出的辐射，它们都与波长λ有关。

辐射亮度：对于某一向外发出辐射的辐射源物体，向外辐射的强度随方向存在不同。辐射亮度定义为辐射源在某一特定方向θ，单位投影面积，单位立体角内的辐射通量密度，记为L， 单位为W/(sr*m²)。
$$ > L = d²Φ/(dA*dΩ*cosθ)≈Φ/(Ω*A*cosθ) > $$
​ 式中，Ω为立体角；θ为方向角度。

​ 辐射源往外辐射电磁波时，辐射亮度L往往随着θ角的变化而变化，而与距离无关。辐射亮度L与θ角无关的辐射源称为朗伯源。

4.电磁辐射源

①太阳辐射与太阳光谱

  太阳是被动遥感中最重要的辐射源，也是遥感中最主要的辐射源之一。太阳辐射是维持地球表面温度，促进地球上水、大气以及生物活动的能源基础。日地距离被定义为14597870700m，太阳辐射到达地球需要约500s。

  地球表面不同区域接受到的太阳辐射大小是不相等的。不受地球大气的影响，在垂直于太阳辐射的方向，单位时间内单位面积的黑体接收到的太阳辐射辐照度总量的大小为：
$$ I =1.36*10³W/m² $$
  这个数值被称为太阳常数，是地球大气层顶端接收到的辐射能量大小，不受地球大气的影响。由于太阳表面存在黑子活动等影响，太阳常数并不固定。以日地距离为半径，计算出该距离上的太阳辐射球面积，再乘以太阳常数，可以算出太阳的总辐射通量约为3.826*10(26次方)W。

  太阳发出的辐射不仅包含最常见的可见光，也包括紫外线、红外线等所有形式的电磁波。经过测量，太阳辐射与温度为5777K的黑体辐射十分相似;

  其中，横轴为电磁波波长，单位为μm，纵轴为辐射出射度。从图中可以看出，太阳辐射与黑体辐射特征基本一致，包含所有形式的电磁波，大部分能量都集中在可见光波段，最强辐射对应的电磁波波长为0.47μm。同时，太阳辐射出射曲线并不光滑，存在着许多吸收带，这是因为太阳表面及大气中所存在的已经探测到的69种元素的作用形成的。这些离散的暗谱线被称为夫琅和费吸收谱线，目前已经测量得到超过25000条太阳光谱中的夫琅和费吸收谱线。

  太阳辐射中各波段所占能量比例如下表：

  可以看出，从近紫外到中红外的范围内，太阳辐射能量相对集中，而且相对稳定，变化幅度较小。在其他波段内，如γ射线、微波等，虽然其能量占比较小，但存在很大的变化。在太阳活动剧烈时期，如太阳黑子或耀斑爆发，其强度会剧烈增长，进而影响地区的磁场，中断或干扰地球的无限电波的传播，也会对空间飞行造成较大的影响。

  在遥感中，被动遥感主要是利用太阳的可见光与近红外波段，处于太阳辐射中能量集中且相对稳定的区间，因此太阳活动对被动遥感的影响可以忽略不计。

②地球辐射

  地球辐射主要指地球自身的热辐射，是热红外遥感的主要辐射源。地球辐射的能量分布在近红外到微波的范围内，主要集中在6~30μm。各波段所占能量的比例为：

  地区辐射与地球表面的热状态密切相关，因此也称为热红外遥感，被广泛应用于地表热异常的探测、城市热岛效应以及水体的热污染研究等。

③太阳辐射与地球辐射的关系

  地球除了接受太阳辐射以外，自身也同时向外不断发出辐射。地球辐射近似为300K的黑体辐射，太阳辐射出射曲线最大值对应的波长为0.47μm，而地球辐射出射曲线最大值对应的波长为9.66μm，属于远红外波段，如下图所示：

  地表物体反射的太阳辐射与自身向外发出的辐射共同被遥感传感器接收，在实际应用中，需要对太阳辐射与地球辐射加以区分。如下表：

  太阳辐射能量集中于0.3~2.5μm，属于紫外线、可见光与近红外的范围。遥感传感器在这些波段接收到的辐射能量主要以地表物体反射太阳辐射为主，此时来自地球自身的辐射可以忽略不计。

  在中红外波段，遥感传感器接收到的辐射能量同时包含反射的太阳辐射及地球自身发出的热辐射，两者皆不能忽略。在该波段的应用中，一般采用夜间成像，以去除太阳辐射的影响。

  地球自身发出的辐射集中在>6μm的远红外波段，此时太阳辐射的能量几乎可以忽略不计，遥感传感器接收到的辐射能量全部为地球自身的辐射，被广泛用于地表的地热状态探测。

④人工辐射源

  人工辐射源是指人为发射的具有一定波长(或一定频率)的波束，主动式遥感采用人工辐射源。工作时根据接收地物散射该光束返回的反向反射信号强弱，从而探测地物或测距，称为激光雷达探测。雷达可分为微波雷达和激光雷达。在微波遥感中，侧视雷达是目前常用的微波遥感方式。

  微波辐射源在微波遥感中常用的波段为0.8~30cm。由于微波波长比可见光、红外光波长要长，受大气散射影响很小，使其微波遥感具有全天候全天时的探测能力，在海洋遥感及多云多雨地区得到广泛应用。

  激光辐射源在遥感技术中逐渐得到应用，其中应用较为广泛的为激光雷达。激光雷达使用脉冲激光器，可精确测量卫星的位置、高度、速度等，也可以测量地形、绘制地图、记录海面波浪情况，还可以利用物体的散射及荧光、吸收等性能进行污染监测和资源勘查等。

参考书目

• 《遥感原理与应用》周延刚等。