第3章_遥感的理论基础_001_电磁波与电磁辐射

一. 电磁波与电磁辐射的概念 ===》
1. 电磁波 ===》
电磁波(Electromagnetic wave): 由振源发出的电磁振动在空间的传播。
--(1). 依据Maxwell电磁场理论: 交变电场周围会产生交变磁场，交变磁场周围会产生交变电场，它们相互激发交替产生，形成电磁场。交变电磁场在空间的传播，形成电磁波。电磁波是通过电场和磁场间的相互联系和转化传播的。

--(2). 简单的来说就是: 交变电场和交变磁场迅速向远方传播的过程叫做电磁波。



2. 电磁辐射 ===》
概念: 能量的一种动态形式，即电磁波在空间中传播时与物质相互作用的过程。这些过程大致分为如下9类 ===》
--(1). 入射(incidence): 地球上的一些地物发展、生长依赖于太阳，所以对于地球来说，就会有一些照射到地球上的电磁波，这就是入射。

--(2). 发射(emission): 太阳的电磁波入射地球的一部分被地球吸收，使得地球有一定的温度，就会向外界发射一定的电磁波(譬如TIR, 热红外)。

--(3). 反射(reflection): 如果我们在采用的电磁波是可见光(VI)或者NIR(近红外)的话，传感器接收的就是来自探测对象的反射光谱。

--(4). 折射(refraction): 电磁波传播的时候改变方向。有折射就必能发生透射。

--(5). 吸收(absorption): 植物进行光合作用需要吸收一定波长的电磁波。

--(6). 透射(transmission): 水体、玻璃，看上去是透明的，电磁波有一定的穿透作用。

--(7). 散射(scattering): 电磁波在穿过大气层的时候，会遇上大气层中大小不同的颗粒，这时电磁波的传播方向就会向各个方向散开。

--(8). 干涉(interference): 这是波动性，主要是针对SAR(合成孔径雷达)。

--(9). 衍射(diffraction): 这是波动性，主要是针对SAR(合成孔径雷达)。




----电磁波 ===》
一. 电磁波的性质(Properties of EM wave) ===》
1. 电场矢量E和磁场矢量M互相垂直(Perpendicular to each other)，且都垂直于电磁波传播方向V，因此，电磁波是横波(Transverse wave)。


2. 在真空中的传播速度: c = 2.998 × 10⁸(m/s)。(真空中介质的相对介电常数ε = 1)


3. 电磁波的主要参量 ===》
--(1). 频率v(Frequency): Hz, MHz, GHz，主要是在进行"微波遥感探测"的时候重点关注。

--(2). 周期T = 1/v。

--(3). 波长λ(wavelength): μm, nm，电磁辐射的强度与波长密切相关，尤其是谈及"可见光" ~ "红外遥感"。
    1st. 波数(Wavenumber) = 1/λ (cm^-1);(谈及波数的时候，波长要以cm为单位)
    2nd. 波段(band): 两个波长之间的全体波长集合;

--(4). 振幅(Amplitude)，相位(Phase)，偏振(Polarization)。
公式: c = λ·v

--(5). 依据Maxwell方程(不需要掌握)，电磁波是以速度V在介质中传播的横波; 随时间变化的磁场能激发电场，随时间变化的电场能激发磁场(都是交变的)。部分的Maxwell方程组如下 ===》
ε--介电常数;                μ--相对导磁率;                 t, x--时间, 空间变量;
c --真空中的光速;            E --电场强度矢量;　　　　　　　 H--磁场强度矢量;

--(6). 电磁波在介质中的传播速度: ，小于光速。

--(7). 电磁波的波粒二象性(particle-wave duality)，电磁波作为遥感探测信息传播媒介的原因 ===》
波粒二象性的程度与电磁波的波长有关: 波长越短，辐射能量越高，辐射的粒子性越明显; 波长越长，辐射能量越低，波动特性越明显。
    1st. 波动性: 电磁波在传播的过程中，主要表现为波动性;
干涉(interference)、衍射(diffraction)、偏振(polarization)、连续性，频率、波长是波动性的属性: C = λv (m/s)
波函数:

A --振幅;                　  ω  --角频率;　　　　　　　　　　　 k--圆波数;

φ--初相位;                　t, x--分别为时间变量和空间变量         　　T, N--分别为周期和波数;
    2nd. 电磁波在与物质相互作用时，主要变现为粒子性;
电磁波由密集的光子微粒组成，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电磁波的粒子性使得电磁辐射的能量具有统计性。
离散性、能量、动量是粒子性的属性 ===》
    能量: Q = h·v
    动量: P = h / λ
其中普朗克常数h = 6.626×10^-34(J·s)，是能量与动量的桥梁。

二. 电磁波的传播 ===》
电磁波通过不同的介质时，其强度、波长、相位、传播方向和偏振面等将发生变化， 这些变化可能是单一的，也可能是复合的。
电磁波可以采用频率、相位、能量、极化等物理参数来描述。
电磁波在传播中遵循波的反射，折射，衍射，干涉，吸收，散射等传播规律。




----电磁辐射 ===》
一. 电磁辐射的量度 ===》
遥感信息是从传感器定量记录的探测对象电磁辐射数据中提取的。为了测量从目标地物反射或发射的电磁波的能量，这里列举两种测量方式 ===》
1. 辐射测量(radiometry): 以整个波段范围为对象的物理辐射量的测定。

辐射亮度(右)相当于是辐射强度(左)对面积的微分，当然还得乘上cos<法线(surface normal), 电磁波传播方向>。

　　　　

 

2. 光度测量: 由人眼的视觉特性(标准光度观察)评价的物理辐射量的测定。

 

二. 在电磁辐射中涉及到的一些行话 ===》

1. 辐射源(radiation): 任何物体都是辐射源，不仅能够吸收或反射其他物体对它的辐射，也能够向外发射能量(热辐射);

2. 辐射照度(irradiance) ：面辐射源单位面积上接收的辐射通量;
3. 辐射出射度(radiant exitance) ：面辐射源在单位面积上发出的辐射通量;
----辐照度与辐射出射度都是辐射通量密度的概念，但I为物体接收的辐射， M是物体发出的辐射，都与波长有关。

4. 黑体(black body)：绝对黑体，指能够将外来辐射能量全部吸收的物体。他是一个理想的物体，发射电磁波的能量在数值上与吸收的能量相等。黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量; 黑体的辐射能力则仅与温度有关。

 

5. 发射率(emissivity)：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。即: ε=M / M_黑

6. 反射率(reflectance)：地物的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分数表示。

7. 透射率(transmittance)：地物的透射度与其表面的辐照度之比。

8. 吸收率(absorption rate)：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。