第三章 電磁輻射源

第二章熱輻射與電磁輻射源第一節(jié)表征電磁輻射的物理量第一節(jié)熱輻射第二節(jié)太陽輻射源第三節(jié)地球輻射源第四節(jié)人工輻射源第一節(jié)表征電磁輻射的物理量輻射能量Q輻射通量(radiantflux)Φ輻射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M輻射強(qiáng)度(radiantintensity)I輻射亮度(radiance)L分譜輻射通量波數(shù)

ν輻射能量Q電磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在：?使被輻照的物體溫度升高?改變物體的內(nèi)部狀態(tài)?使帶電物體受力而運(yùn)動(dòng)……輻射能量（Q）的單位是焦耳（J）1/11輻射通量(radiantflux)Φ在單位時(shí)間內(nèi)通過的輻射能量稱為輻射通量：

Φ=dQ/dt輻射通量（Φ）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）2/11輻射通量密度(irradiance)E、(radiantexitance)M單位面積上的輻射通量稱為輻射通量密度。自放射面射出的輻射通量密度為輻射度（輻出度，radiantexitance）；也稱輻照度；到達(dá)接收面上的輻射通量密度稱為輻照度（irradiance）：

E=dΦ/dAM=dΦ/dA輻射通量密度的單位是瓦/米2（W/m2）輻射源輻照度輻射出射度被輻照物輻射體法向3/11輻射強(qiáng)度(radiantintensity)I輻射強(qiáng)度是描述點(diǎn)輻射源的輻射特性的，指在某一方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量：I=dΦ/dΩ輻射強(qiáng)度（I）的單位是瓦/球面度（W/Sr）輻射強(qiáng)度點(diǎn)輻射源Ω=A/R22π、4π各向同性源？4/11分譜輻射通量輻射通量是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射通量稱為分譜輻射通量：Φλ=dΦ/dλ分譜輻射通量的單位是瓦/微米（W/μm）λ1-λ2間隔內(nèi)的Φ(λ1-λ2)?總輻射通量Φ？輻射通量波長(zhǎng)5/11分譜？？？分譜輻射通量分譜輻照度、分譜輻射出射度分譜輻射強(qiáng)度“分譜”兩字可以忽略6/11輻射亮度(radiance)L單位面積、單位波長(zhǎng)、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱為輻射亮度：L=3Φ/AλΩ輻射亮度（L）的單位是瓦/米2?微米?球面度（W/m2

?

μm?Sr）通量Φ面輻射源θ立體角ΩA圖中出射輻射亮度是多少？6/11波數(shù)ν單位長(zhǎng)度（CM）內(nèi)所包含的波長(zhǎng)數(shù)：?jiǎn)挝唬篶m-1小結(jié)輻射度量一覽表輻射量符號(hào)定義單位輻射能量Q焦耳(J)輻射通量ΦdQ/dt(λ)瓦(W)輻照度EdΦ/dA瓦/米2(W/m2)輻射出射度MdΦ/dA瓦/米2(W/m2)輻射強(qiáng)度IdΦ/dΩ瓦/球面度(W/Sr)輻射亮度L2Φ/AΩ瓦/米2?球面度(W/m2?Sr)光譜輻照度EdE/d瓦/米2?微米(W/m2?um)光譜輻出度MdM/d瓦/米2?微米(W/m2?um)光譜輻亮度LdL/d瓦/米2?球面度?微米(W/m2?Sr?um)7/11基本輻射量總結(jié)：表征輻射的物理量很多：能量、通量、密度、強(qiáng)度、亮度，以及譜（分譜）……需要注意的是：文獻(xiàn)中的稱謂不盡相同，關(guān)鍵看單位最重要的是密度（輻照度）和亮度凡是涉及面積的都要注意使用法向面積，即cosθ11/11第二節(jié)熱輻射概念普朗克公式史蒂芬—玻爾茲曼公式維思位移定律基爾霍夫定律一、概念熱輻射自然界中一切物體。當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)，都會(huì)不斷向四周空間輻射電磁波，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射能量的大小及波長(zhǎng)分布取決于物體本身的溫度。吸收系數(shù)：物體吸收能量與入射總能量之比。絕對(duì)黑體：任何溫度、頻率和波長(zhǎng)條件下吸收系數(shù)恒等于1的物體稱為“絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱黑體。絕對(duì)黑體任何溫度、頻率和波長(zhǎng)條件下吸收系數(shù)恒等于1的物體稱為“絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱黑體。對(duì)于黑體，有：顯然，黑體的反射率和透射率均為0：灰體：各波長(zhǎng)吸收率近似為一小于1的常數(shù)的物體一、普朗克公式1、普朗克公式：絕對(duì)黑體在波長(zhǎng)為，絕對(duì)溫度為T時(shí)的輻射通量密度為式中：C—31010cm

/秒，光速；h—6.625610-34瓦.秒2，普適恒量；K—1.3810-23瓦.秒.K-,玻爾茲曼常數(shù)；—波長(zhǎng)；T—絕對(duì)溫度;普朗克量子假說物體中分子、原子等的振動(dòng)可視作帶電的線性諧振子。這些諧振子只能存在于一些分離的狀態(tài)中這些分離的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的能量是不連續(xù)的，其相應(yīng)的參量是某一最小能量的整數(shù)倍。輻射或吸收參量時(shí)，振子從這些狀中之一躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。所以能量是不連續(xù)的，存在著最小單元（能量子hv)物體發(fā)射或吸收能量必須是小單元的整數(shù)倍，且是一份一份不連續(xù)的方式進(jìn)行的。二、史蒂芬—玻爾茲曼公式對(duì)普朗克公積分得：式中：0(T)—絕對(duì)溫度時(shí)，黑體單位時(shí)間和單位面積上發(fā)出的總輻射能;=（5.6697,為史蒂芬—玻爾茲曼常數(shù);T—絕對(duì)溫度.上式可見：絕對(duì)黑體表面上，單位面積發(fā)出的總輻射能與絕對(duì)溫度的四次方成正比，對(duì)于一般物體可用上式概略推算出總輻射能與絕對(duì)溫度的關(guān)系三、維思位移定律對(duì)普朗克公式對(duì)微分后求極大植，即得出黑體后最大輻射能的波長(zhǎng)（m）與其對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度（T）的關(guān)系式為:上式說明：黑體的絕對(duì)溫度增高時(shí)，它輻射能最大的波段向短波方向移動(dòng)。據(jù)此可對(duì)特定的目標(biāo)選擇紅外遙感的最佳波段。四、基爾霍夫定律基爾霍夫發(fā)現(xiàn)：任何物體在任一給定的溫度和波長(zhǎng)條件下，它的輻射通量密度和吸收系數(shù)之比是一個(gè)常數(shù)，并且等于同一溫度波長(zhǎng)下，絕對(duì)黑體的輻射通量密度。一個(gè)好的吸收體也是一個(gè)好的發(fā)射體。溫度相同的兩物體，對(duì)于某波長(zhǎng)的的輻射，如果甲比乙吸收得多，則甲比乙發(fā)射得也多物體不吸收某波長(zhǎng)的輻射，也就不發(fā)射該波長(zhǎng)的輻射一般物體的熱輻射出射度小于同溫度的絕對(duì)黑體的輻射出射度定義物體的輻射能力與黑體輻射能力之比為物體的比輻射率或發(fā)射率，即：故有：即物體的吸收率就是它的比發(fā)射率第三節(jié)太陽輻射源一、概述二、太陽輻射能量組成三、太陽輻射在大氣中的損耗四、太陽輻射與日地距離及天頂角(一)太陽是地球環(huán)境中，最強(qiáng)大天然電磁輻射源，是當(dāng)前航天、航空可見光及近紅外遙感的主要輻射源是一個(gè)表面溫度約5900K的熾熱發(fā)光球體。太陽是地球上除核能外一切有用能量的源泉地球距太陽1.5億KM，太陽輻射能經(jīng)500秒方到達(dá)地球，地球反接收太陽輻射能約二十二億分之一。太陽輻射是一種十分復(fù)雜的連續(xù)電波光譜，從波長(zhǎng)10-4或更短的X射線延伸到大于100m的無線電波，但輻射能主要集中在0.31-5.6um波段內(nèi)。(一)太陽輻射與太陽光譜1太陽電磁輻射強(qiáng)度用太陽常數(shù)表示。太陽常數(shù)：日地距離等于地球平均半徑時(shí)，指大氣層頂部平均日—地距離處，垂直于太陽入射光線的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)接收到的太陽輻射的總能量.太陽常數(shù)=135.3毫瓦/厘米2=1352w/m2太陽輻射太陽發(fā)射的電磁輻射在地球大氣頂層隨波長(zhǎng)的分布稱為太陽光譜。極大值位于0.47μm，維恩位移定律λmaxT=2.897810-3mK，色溫Tsun?8/11Wien’sdisplacementlaw夫瑯和費(fèi)(Fraunhofer)吸收線(一)太陽(3)2太陽輻射能量的組成(一)太陽(4)3太陽輻射在大氣中的損耗大氣及其它成份反射：30%大氣吸收：17%大氣散射：22%到達(dá)地面:31%地球太陽大氣層四、太陽輻射與日地距離及天頂角地球公轉(zhuǎn)軌道為橢圓形；太陽輻射能（太陽常數(shù)）是在平均日地距離的情況下測(cè)得，故任一時(shí)刻的太陽輻射能需考慮日地距離的變化大氣層外太陽輻照度：為太陽輻亮度，為日地距離任一時(shí)刻太陽輻照度：為太陽常數(shù)，為平均日地距離可從天文年歷中查獲出（在應(yīng)用時(shí)取其倒數(shù)）太陽常數(shù)也隨太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱而稍有變化，由于變化很小，一般應(yīng)用時(shí)不予考慮。太陽輻射與天頂角的關(guān)系地面太陽輻照度與天頂角的關(guān)系為：太陽常數(shù)在日地平均距離處通過與太陽光束垂直的單位面積上的太陽輻射通量稱為太陽常數(shù)。F0=1353(±21)W/m2(1976,NASA)太陽常數(shù)是對(duì)太陽光譜的積分。太陽表面輻出度是多少？太陽對(duì)地球的張角很小(<9)，因此太陽光可以認(rèn)為是平行光束。θ大氣頂?shù)耐棵芏葹镕=F0(dm/d)2cosθ00.9674<(dm/d)2<1.03449/11太陽常數(shù)與太陽輻射亮度立體角定義：Ω=σ/r2，半球？(極坐標(biāo)中)微分立體角元：dΩ=dσ/r2=sinθdθdφ太陽在光學(xué)波段可以看作各向同性，因此太陽常數(shù)與太陽輻射亮度的關(guān)系為：F0=πL0輻射亮度的法向分量對(duì)整個(gè)球面立體角積分：對(duì)于各向同性輻射，輻照度：Fλ=πLλLλ=3Φ/AλΩFλ=2Φ/Aλ比較公式：10/11第四節(jié)地球輻射源

地球是目前熱紅外遙感的主要輻射源.1.地球電磁輻射的特性:能量集中在遠(yuǎn)紅外和中紅外譜段，峰值在9.7um處，大部分集中在8-14的范圍內(nèi)。這是由于地球表面平均溫度約270C，接近（不超過）3000K，故為3000K黑體光譜曲線所包圍。(二)地球(2)2.與太陽輻射的關(guān)系地球輻射曲線與太陽輻射曲線在5.5處相交，3處地球輻射減弱至接近于0，6處，太陽輻射減至接近于0。(二)地球(3)波長(zhǎng)0.3-3um，主要是反射太陽輻射能，地球熱輻射可忽略不計(jì)。波長(zhǎng)3-6um中紅外波段太陽與地球輻射均不能忽略.作該波段的紅外遙感時(shí)，常選擇在清晨時(shí)分，經(jīng)減少太陽輻射影響波長(zhǎng)>6um，主要是地球表面的熱輻射。(三).人工輻射源用于主動(dòng)遙感之中，輻射直接安裝在傳感器里，產(chǎn)生所需波長(zhǎng)和功率的電磁輻射。如側(cè)視雷達(dá)系統(tǒng)中心微波脈沖發(fā)生器，激光雷達(dá)中使用的脈沖輸出激光器等.1.微波屬無線電波中波長(zhǎng)最短的部分，這種高頻電磁震蕩主要由微波諧振器產(chǎn)生。(三).人工輻射源(2)微波特點(diǎn)：1)似光性，傳播特性與光相似。2)頻率高，可用頻帶寬，信息容量大。4)具有一定的穿透性：如3.2cm的微波束可穿透4000m厚的云層，只衰減1dB，大氣影響可忽略不計(jì)