1、电磁现象基本规律的方程—–麦克斯韦方程

电磁辐射：电磁波传递能量的过程，是能量的一种动态形式，只有当它与物质相互作用（包括发射、吸收、反射、透射）时，才表现出来。

电磁波的波粒二象性：电磁波在传播及与物质相互作用中，既反映出波动性，又反映出粒子性。

波动性：电磁波以波动的形式（光滑连续的波）在空间传播，可用波长、频率、振幅等来描述；表现出波的干涉（波的叠加合成）、衍射、偏振等现象（波动性的体现）。

粒子性: 电磁辐射能以密集的光子微粒流（离散形式）有规律的运动，如光电效应、黑体辐射等现象。

注意事项：粒二象波粒二象性的程度与电磁波的波长有关：波长愈短，辐射的粒子性愈明显；波长愈长，辐射的波动特性愈明显。

电磁波在传播过程中，主要表现为波动性；在与介质相互作用时，主要表现为粒子性。

1）干涉：同振幅、同频率和固定相位关系的两列（或多列）波（相干波）的叠加合成而引起振动强度重新分布的现象干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方振幅减小，振动强度在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹。

2）衍射：波在传播过程中遇到障碍物时，障碍物边缘的一部分波改变传播方向而绕到障碍物后面，称为 “衍射现象”.

3）偏振：电磁波是一种横波，传播方向确定后其振动方向并不是唯一的,振动方向可以是垂直于传播方向的任何方向，它可以是不变的，也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转，即出现偏振现象（微波中称为“极化” ）。

垂直极化–电场强度方向垂直于地面; 水平极化–电场强度方向平行于地面。

电磁波普：将各种电磁波在真空中的波长按其长短，依次排列制成的图表。

在电磁波谱中，波长最长的是无线电波，其按波长可分为长波、中波、短波和微波。波长最短的是γ射线；

电磁波的波长不同，是因为产生它的波源不同。

电磁波的传输及电磁现象的基本规律，电磁波的波动方程可由麦克斯韦（Maxwell）方程组导出和描述。沿z方向传播的平面电磁波的波动方程是

对于沿Z方向传播的电磁波的平面电磁波，其电场的解是

（式中EX 是电场强度，EX0 是电场强度的振幅。作为横波，平面电磁波沿Z方向传播时，其电场沿X方向振动，磁场沿Y方向振动 。）

2、电磁波波段

（波段波长或者频率和波段名称）

微波雷达波段：

C波段、X波段和Ku波段常常被用于海洋遥感：(这三种波段属于微波波段)

主要原因是厘米量级波长的微波能够与海面上风生毛细重力波发生布喇格共振，并通过共振带回海面信息。

L波段用来反演海水盐度（此波段也属于微波波段）

3、辐射术语

（水平和垂直极化）（立体角和天顶角）（辐照度和辐亮度）（绝对黑体概念及其性质、菲涅尔反射率、基尔霍夫定律）

水平极化：电场矢量与地面平行时的线极化波就称为水平极化波；

垂直极化：电场矢量与地面垂直时的线极化波就称为垂直极化波。

立体角：假设电磁波从波源dA自发辐射，到达半径为R的球面的一个波束对应着一个立体角微分元。

卫星天顶角：卫星观测方向与被观测海面法线之间的夹角，也称为观测的天顶角。入射角（incidence angle）和卫星天顶角是相同的概念。

卫星的观测角:卫星观测方向与星下点海面法线之间的夹角;

（卫星天顶角与卫星观测角，两者是互余的关系）

辐射能（Q）：电磁场所具有的能量，称之为辐射能量，单位为焦耳（J）、卡（cal）。任何物体都可以是辐射源。它既可能自身发射能量（即发射辐射，又称热辐射）；又可能被外部能源激发而辐射能量（即反射辐射）。

辐射通量（Ø ）：又称为辐射功率单位时间内通过某一面积的辐射能量，Ø =dQ/dt， 辐射通量密度（E）：单位时间、单位面积的辐射能量。

辐射通量密度：单位时间通过单位面积上的辐射能量,单位:W/m2。

出射度/发射度（M）：辐射源物体表面单位面积上发射出的辐射能量，即物体单位面积上发射出的辐射通量，单位为（w m-2）。

辐照度（E）：被辐射物体表面单位面积上,单位面积上接收的辐射能量，即照射到物体单位面积上的辐射通量，单位为瓦/米2（w m-2 ），表达为：

辐射强度（I）：指点辐射源在单位立体角、单位时间内，向某一方向发出的辐射能量，即点辐射源(O)在某一方向上(θ、φ)单位立体角(dΩ)内发出的辐射通量，单位为 瓦/球面度 (w sr-1 )，表达为：

辐射亮度（L）：面辐射源在某一方向、单位投影表面、单位立体视角内的辐射通量。

遥感观测到的是辐射亮度值L。

光谱辐亮度L(λ)（Spectral Radiance）单位波段内沿辐射方向单位面积和单位立体角的辐射通量：

绝对黑体：如果一个物体在任何温度下对任何波长的电磁辐射全部吸收（即吸收系数恒等于1），则这个物体称为绝对黑体。黑色的烟煤、恒星、太阳接近绝对黑体。

理论和实验表明，物体的吸收本领越大，其辐射本领也越大。

结论：黑体吸收最强，辐射也最强。

发射率也被称为一个物体的灰度，以鉴别它距离黑体的靠近程度。

• 发射率（emissivity）、反射率（reflectance）、吸收率（absorptance）和 透射率（transmittance）属于描述固有光学性质的光学量，它们的值与外界光强无关，只与介质的固有光学性质（IOP：inherent optical properties）密切相关。

菲涅尔反射率：两介质界面处的菲涅耳反射率ρ(λ,θ,φ) （Fresnel Reflectance）定义为反射的辐亮度与入射的辐亮度之比

一般地，我们使用ρ表示与立体角相关的反射率，使用r表示与立体角无关的反射率。

基尔霍夫定律：

• 根据能量守恒定律，对于入射的“光谱”辐照度，
• 基尔霍夫定律（Kirchoff Law）基本表达:如果介质处于局部热力学平衡条件下，那么它吸收能量的速率和辐射能量的速率相等：

4、黑体和灰体

黑体：理想辐射体，黑体发射的辐亮度只与温度有关。如果一个物体的发射率e等于1，那么该物体是黑体。

• 灰体：如果一个物体的发射率e小于1，那么该物体就是灰体（gray body），它黑体辐射遵循普朗克辐射定律、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律和维恩位移定律三条基本的物理定律。
• 黑体辐射特征—唯一由温度决定的发射率e俗称灰度。

5、黑体辐射三大定律有哪些？内容和对遥感的意义？

• 黑体辐射遵循普朗克辐射定律、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律和维恩位移定律三条基本的物理定律。
• 黑体辐射特征—-唯一由温度决定。

A、普朗克辐射定律（Planck ’s Law）-热辐射理论中最基本的定律

黑体辐射的能量只与波长、温度有关，与物质组成无关，发射能量是一个连续的波长谱。

B、斯特藩—玻耳兹曼辐射定律（Stefan—Boltzmann）

即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。

M—总辐射出射度 σ—斯忒藩-玻尔兹曼常数，T 为发射体的绝对温度（K）。

C、维恩位移定律（Wien’s displacement law）

维恩位移定律，描述了物体辐射的峰值波长与温度的定量关系为：

λmax为最大辐射强度对应的波长，μm; T 为绝对温度，K ；A 为常数，2898(μm·k)。

黑体辐射3个定律的意义

普朗克定律：通过普朗克定律得到两个重要的黑体辐射定律

斯特藩—玻尔兹曼定律：热红外遥感的理论依据；

维恩位移定律：针对不同的探测目标选择最佳工作波段。

6、亮温和瑞利金斯

亮温：如果已知海面发射的辐亮度，那么直接代入普朗克辐射定律经过计算可以获得一个黑体等效辐射温度。这样获得的温度不是真实的海表面温度，它被称为海表面亮温（brightness temperature）TB ，或称为黑体温度（blackbody temperature）TB。欲获得真实的海表面温度，除了从卫星遥感获得的辐亮度要经过大气校正以外，还要在计算中考虑到海水的灰度，即海面发射率（emissivity）。

• 频率低于300 GHz的微波满足瑞利-金斯定律的适用条件。根据瑞利-金斯定律，在微波波段范围，海面辐亮度L和海面亮温T有线性关系。
• 设TSST代表海表面一个薄层海水的温度。将瑞利-金斯定律（Rayleigh-Jeans Law）代入基尔霍夫定律（Kirchoff Law），

实际物体的发射特征：一般地物的辐射不适用黑体的辐射定律，一般地物的辐射都比较小，因此，引进发射率来描述地物的发射能力。

发射率：地物单位面积上辐射能量与同温度下同面积黑体辐射能量之比

或通俗理解为：地物的反射能量与入射总能量之比，用百分数表示。

影响地物发射率的因素：地物的性质、表面状况、温度（比热、热惯量）：比热大、热惯量大，以及具有保温作用的地物，一般发射率大，反之发射率就小。入射光的波长、入射角的大小、地物表面粗糙度和地表颜色。

意义：

反射率大的地物 →传感器记录的亮度值大→图像上色调浅→遥感图像判读的重要标志。

7、大气对太阳辐射的影响（大气散射、大气吸收）

（1）大气散射：瑞利散射、米氏散射、无选择散射（条件：大气粒子直径与入射波长的关系）

1瑞利散射：粒子直径d <<λ 散射强度与波长的四次方成反比。

瑞利散射的影响：

• 短波长的散射较多，例如蓝光散射>绿光> 红光。
• 瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响可以不计。
• 多波段中不使用蓝紫光的原因

无云的晴天，天空为什么呈现蓝色？

在晴朗的天气里空气中会有许多微小的尘埃、水滴、冰晶等物质，当太阳光通过空气时太阳光中波长较长的红光、橙光、黄光都能穿透大气层，直接射到地面，而波长较短的蓝、紫、靛等色光，很容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，从而使光线散射向四方，使天空呈现出蔚蓝色。

朝霞和夕阳为什么都偏橘红色？

这是光的散射所致，大气中的微粒尘埃或大气密度起伏不定，都会引起大气光学性质不均匀，对光产生散射。蓝光比红光易于散射。仰望无云的天空，看到的是被大气散射的太阳光，蓝光较强，故天空呈蓝色。清晨和黄昏时，太阳光沿地平线方向横穿大气层，蓝光被散射，到达眼中的是红光，故太阳呈红色。中午太阳光垂直穿过大气层，通过距离较短，各种色光散射都较少，太阳光呈现白色。

2米氏散射：粒子直径d ≈λ 散射强度与波长的二次平方成反比。

• 大气中烟尘、小水滴、气溶胶等的散射属此类。多在大气低层0-5km。
• 云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。潮湿天气米氏散射影响较大。

3无选择性散射：粒子直径d >>λ 符合无选择性散射条件的波段中，任何波段的散射强度相同 （大气中水滴、雾、尘埃、烟等气溶胶常常产生非选择性散射。）

• 云雾为什么通常呈现白色？
• 天空中的云是小水滴和空气中的粉尘组成的,它们的直径要比太阳光的任何一种颜色的光的波长都要长得多,所以发生瑞利散射的情况很少.一部分阳光被反射到空中；一部分发生迈以散射,然后散射的光射到地球,但迈以散射不改变太阳光中任何颜色的光；还有一部分直接穿透水滴之间的缝隙.上述3种情况都对阳光的成分没有影响,所以看上去天空中的云是白色的.但是当云层越来越厚时,小水滴越来越多,几乎连成一片,太阳光和迈以射散的光不能或者很少能穿透云层,这时白云就变成乌云了.
  正是在太阳光通过大气层入射到地球表面的过程中,大气层中的空气分子或其他微粒会对阳光有吸收,反射、透射等作用,从而形成了蓝天、白云和绚丽的落日余辉和晨时朝霞.如果没有大气层和其他微粒,即使是白天,太阳看上去也只是一个孤零零的明亮的球,天空也将是漆黑一片,所以空气不但给我们提供了赖以生存的条件,也使我们的天空变得多姿多彩.
• 阴天的云层很厚，而且大颗粒物较多，少量阳光照射到云层上发生丁达尔散射（白光散射后仍然是白光），大量阳光遇到云层后直接漫射开来，整个天空就像是一块大的柔光布，所以阴天的自然光很少有颜色上的倾向而显现出灰白色。

颜色	红	橙黄	黄	绿	青兰	紫	紫外线
波长	0.7	0.62	0.57	0.53	0.47	0.4	0.3
散射率	1	1.6	2.2	3.3	4.9	5.4	30.0

散射是由于介质中存在的微小粒子或者介质分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象

（2） 大气散射对遥感的影响

• 大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向；造成遥感图像辐射畸变、图像模糊。
• 大气散射产生天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”；使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息；并使暗色物体表现得比它自身的要亮，降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）及图像上空间信息的表达能力（灵敏度）。
• 因此，遥感器常利用滤光片，阻止兰紫散射光透过。

散射对低层大气尤为重要（约低于3 km，湿度大、气溶胶集中）。大气散射集中在太阳辐射能量最强的可见光区。因此，散射是太阳辐射衰减的主要原因。

（3）大气吸收（不同空气分子的吸收带在哪里）

• 氧气：小于0.2 μm；0.155为峰值。高空遥感很少使用紫外波段的原因。
• 臭氧：数量极少，但吸收很强。两个吸收带；对航空遥感影响不大。
• 水：吸收太阳辐射能量最强的介质。到处都是吸收带。主要的吸收带处在红外和可见光的红光部分。因此，水对红外遥感有极大的影响。
• 二氧化碳：量少；吸收作用主要在红外区内。可以忽略不计。

（4）大气窗口的概念

大气窗口——电磁波通过大气层时，较少被反射、散射或吸收，透过率较高的波段。

大气窗口是选择遥感工作波段的重要依据。

8、电磁波的衰减

(1)皮层深度：电场强度衰减为初始值的1/e（微波在海水中的衰减）

(2)穿透深度：辐照度衰减为初始值的1/e（可见光在海水中衰减）

(3)光学厚度：辐射强度衰减为初始值的1/e, (大气和海洋中的衰减)