第二章 遥感的物理基础

遥感原理与应用刘 勇

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第二章 电磁波及遥感物理基础

遥感技术是建立在物体电磁波辐射理论 基础上的。由于不同物体具有各自的电磁波 反射或辐射特性，才可能应用遥感技术探测 和研究远距离的物体。理解并掌握地物的电 磁波发射、反射、散射特性，电磁波的传输 特性，大气层对电磁波传播的影响是正确解 释遥感数据的基础。

本章主要介绍遥感的物理基础，包括地物的电 磁波特性、太阳辐射、大气对太阳辐射的影响、大 气窗口的概念、地物反射太阳光谱的特性、地物的 热辐射、地物与微波的作用机理。

本章重点是掌握电磁波谱，大气窗口，可见光、 近红外、热红外和微波遥感机理，以及地物波谱特 征。

第一节 电磁波与电磁波谱

电磁学发展 1845年，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑 定律(1785年),安培—毕奥—萨伐尔定律(1820年), 法拉第定律(1831-1845年)已被总结出来，法拉第的 “电力线”和“磁力线”概念已发展成“电磁场概念”。 场概念的产生，也有麦克斯韦的一份功劳，这是当时物 理学中一个伟大的创举，因为正是场概念的出现，使当 时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱 出来，普遍地接受了电磁作用和引力作用都是“近距作 用”的思想。 1855年至1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、 安培—毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数 学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯 韦电磁理论的诞生。

麦克斯韦方程J.C. Maxwell, 1831~1879,英国， 是继法拉第之后，集 电磁学大成的伟大科学家。 1.电学的高斯定理，M氏第一方程：

D dS qs i

i

电场性质的描述。表明在任何电磁场中，通过任何闭合曲面的电位移通量 等于该闭合曲面内自由电荷的代数和。

2.磁学的高斯定理，M氏第二方程：

B dS 0s

磁场性质的描述。在任何磁场中，通过任何闭合曲面的磁通量为零。

d B E dl 3.法拉第电磁感应定律，M氏第三方程： L dt描述了变化的磁场激发电场的规律。在任何电场中，电场强度沿任意闭合 回路的线积分等于回路中磁通量对时间的变化率的负值。

麦克斯韦方程4.普遍的安培环路定理，M氏第四方程： L H dl I 闭合回路的线积分等于回路的全电流。

d D dt

描述了变化的电场激发磁场的规律。在任何磁场中，磁场强度H沿任意

以上是Maxwell方程的积分形式，是电磁理论的基础。Maxwell方程与电 磁学的关系如同牛顿运动定律与经典力学的关系一样。但不同的是，在 物体接近光速时，牛顿定律需要作较

大的修改，而麦氏方程无需任何修 改。 在麦氏预言电磁波存在20多年之后，H.R. Hertz在实验室中产生了电磁 波，并证实了电磁波具有麦氏所预言的性质。

赫兹电火 花实验

两块边长16 英寸的正方形锌板，每块锌板接上一个12 英寸长的铜棒，铜 棒的一端焊上一个金属球，将铜棒与感应圈的电极相连。通电时，如果使 两根铜棒上的金属球靠近，便会看到有火花从一个球跳到另一个球。这些 火花表明电流在循环不息，在金属球之间产生的这种高频电火花，即电磁 波，麦克斯韦的理论认为由此电磁波便会被送到空间去。赫兹为了捕捉这 些电磁波，证明它确实被送到了空间，他用一根两端带有铜球的铜丝弯成 环状，当作检波器。他把这个检波器放到离电磁波发生器10 米远的地方， 当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花。

电磁波的产生 电磁波的产生，要有适当的电磁振源：LC 振荡电路。

T 2 LC

1 2 LC

LC振荡电路振荡过程

电磁波的发射 频率必须高 电路必须开放：LC电路演变成振荡偶极子

电磁波的传播 波是振动在空间的传播，对于机械波必须有传播振动的 介质，如真空中就不能传播声波； 电磁波能在空间传播，主要靠：

变化的磁场激发涡旋电场； 变化的电场激发涡旋磁场。

电磁波的传播

电磁波 交互变化的电磁场在空间的传播。 描述电磁波特性的指标 波长、频率、振幅、相位等。 电磁波的特性 电磁波是横波，不需要媒质也能传播，与物 质发生作用时会有反射、吸收、透射、散射等， 并遵循同一规律。

电磁波的特性(衍射)衍射-------光通过有限大小的障碍物时偏离直线 路径的现象。