電磁輻射傳感�是一種獲取地面目�(biāo)電磁輻射信息的裝�,是遙感技�(shù)系統(tǒng)中數(shù)�(jù)獲取的關(guān)鍵設(shè)備。地物發(fā)射或反射的電磁波信息,通過(guò)傳感器收集、量�(cè)并記錄在膠片或磁帶上,然后�(jìn)行光�(xué)或計(jì)算機(jī)處理,最終才能得到可供幾何定位和圖像解釋的遙感圖像�
隨著家用電器的普�、通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展,的確給人們生活帶�(lái)了極大的便利,人們的生活方式�(fā)生了巨大的變�,但隨之帶來(lái)的電磁輻射污染也日趨�(yán)�,正逐漸成為水污染、大氣污�、噪聲污染之后的第四大污染.由于電磁輻射�(wú)�、無(wú)�、看不見(jiàn)、摸不著,人們無(wú)法通過(guò)感覺(jué)器官�(jué)察這種隱形污染,研究已�(jīng)證實(shí),超�(guò)一定程度和一定時(shí)間的電磁輻射�(huì)�(duì)人們產(chǎn)生不同程度的影響�
電磁輻射傳感器是由四�(gè)基本部件組成�
1、收集器:�(fù)�(zé)收集地面目標(biāo)輻射的電磁波能量.具體元件形式多種多樣,如透鏡�,反射 鏡組, 天線(xiàn)�.
2、探�(cè)�:主要功能是將收集到的電磁輻射能轉(zhuǎn)�?yōu)榛瘜W(xué)能或電能.具體 的元器件主要有感 光膠�,光電�,光敏和熱敏探�(cè)元件,共振腔諧振器�.
3、處理器:�(duì)�(zhuǎn)換后的信�(hào)�(jìn)行各種處�,如顯�,定影,信號(hào)放大,變換,校正和編碼等。具體的處理器類(lèi)型有攝影處理裝置和電子處理裝�.
4、輸出器:輸出信息的裝�.輸出器類(lèi)型主要有掃描曬像儀,陰極射線(xiàn)�,電視顯像�, 磁帶記錄儀,XY彩色噴筆記錄儀��
(1) 電磁輻射與地表的相互作用
電磁輻射能與地表的相互作用,主要有三種基本的物理�(guò)程——反�、吸�、透射�
�(yīng)用能量守恒原�,我們可將三者關(guān)系描述如下:
EI(λ)=ER(λ)+EA(λ)十Et(λ)
式中,EI為入射能�,ER為反射能,EA為吸收能,Et為透射�,它們均是波�(zhǎng)的函�(shù)。這里能量反射R、吸收A、透射t的比�,及每�(gè)�(guò)程的性質(zhì)�(duì)于不同的地表特征是變化的。這種變化一方面依賴(lài)于地表特征的性質(zhì)與狀�(tài),如物質(zhì)組成、幾何特�、光照角度等;另一方面依賴(lài)于波�(zhǎng),不同波�(zhǎng)表現(xiàn)出不同特�(diǎn)的相互作用過(guò)��
� 幾�(gè)重要的輻射度量概�
a.立體角(Solid angle):立體角是輻射通量定量�(cè)量的一�(gè)基本概念,采用類(lèi)似弧度的度量方法。表示為錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之�,表示為:�=s/r2。立體角的單位用球面度(Steradian,簡(jiǎn)�(xiě)為Sr)表�,面積為4πr2的球,其立體角為4π球面��
b.輻射能W:電磁輻射所攜帶(或傳遞)的能量,它表示在給定的�(shí)間間隔內(nèi)由輻射源輻射出的全部能量。輻射能的單位是�?fàn)枺ǚ?hào)J��
c.輻射通量Φ:輻射能傳遞的時(shí)間速率,是單位�(shí)間內(nèi)所傳遞的能�。常用單位是瓦(符號(hào)W�。表示為� Φ=dΩ /dt。大多數(shù)傳感器響�(yīng)的是輻射能傳遞的�(shí)間速率,而不是所傳遞的總能量�
d.輻射通量密度�?jiǎn)挝幻娣e所截獲的輻射通量�
e.輻射�(qiáng)度(Radiant intensity)I :輻射源每單位立體角所�(fā)出的輻射通量密度,單位為�?球面�-1(W ·Sr-1)。表示為 � I=dΦ/dΩ輻射�(qiáng)度I具有方向性,因此I(θ)是θ的函數(shù)。對(duì)于各向輻射同性輻射源� I=Φ/4π �
f.輻照度(Irradiance):投射到表面上的輻射通量密度,用符號(hào)E表示(單位為W·m-2)。表示為E=dΦ/dS �
g.出射度(Radiant emittance):從表面發(fā)出的輻射通量密度,用符號(hào)M表示(單位為W·m-2��
h.輻射亮度(Radiance)L:輻射亮度確定面輻射源的輻射�(qiáng)度。L具有方向�,指輻射源在某一方向的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量,單位是�/�2·球面度(W/m2·Sr�。表示為 L(θ)=d2Φ/dΩ(dAcos θ)。通常情況�,面元的L(θ)隨觀(guān)�(cè)的角度θ而改�。當(dāng)某一輻射源的L(θ)與θ無(wú)�(guān)�(shí),這種輻射源被�(chēng)為朗伯(Lambert)源。嚴(yán)格地�(shuō),只有黑體(Black body)才是朗伯源�
1) 反射(reflection�
�(dāng)電磁輻射能到�(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面�(shí),入射能量的一部分或全部返回原介質(zhì)的現(xiàn)�,稱(chēng)之為反射。反射的特征可以通過(guò)反射率表�,它是波�(zhǎng)的函�(shù),故�(chēng)為光譜反射率r(λ) 。光譜反射率r(λ) 被定義為�
r(λ)以百�?jǐn)?shù)表示,其值在0�1之間�
以太�(yáng)光作為入射光的反射率,稱(chēng)為反照率(albedo)。反照率也就是自然物體的反射�。物體的光譜反射率隨波長(zhǎng)變化的曲�(xiàn)�(chēng)為光譜反射率曲線(xiàn),它的形狀反映了地物的波譜特征。反射率不僅是波�(zhǎng)的函�(shù),同�(shí)也是入射�,物體的電學(xué)性質(zhì)(電導(dǎo)、介�、磁�(xué)性質(zhì)�)以及表面粗糙�、質(zhì)地等的函�(shù)。因�,對(duì)于遙感應(yīng)用而言,任何物體的反射性質(zhì),最能揭示目�(biāo)的本�(zhì),并最為有��
物體�(duì)電磁波的反射有三種形式:
a)鏡面反射(Specular reflection)
�(dāng)入射能量全部或幾乎全部按相反方向反射,且反射角等于入射角,稱(chēng)為鏡面反射。若表面相對(duì)于入射波�(zhǎng)是光滑的,則出現(xiàn)鏡面反射.對(duì)可見(jiàn)光而言,在鏡面、光滑金屬表�、平靜水體表面均可發(fā)生鏡面反射;而對(duì)微波而言,由于波�(zhǎng)較長(zhǎng),故馬路面也符合鏡面反射�(guī)律�
b)漫反�(diffuse reflection)
�(dāng)入射能量在所有方向均勻反�,即入射能量以入射點(diǎn)為中�,在整�(gè)半球空間�(nèi)向四周各向同性的反射能量的現(xiàn)象,�(chēng)為漫反射�
一�(gè)完全的漫射體�(chēng)為朗伯體(Lambertian)。從任何角度觀(guān)察朗伯體表面,其輻射亮度都相同。若表面相對(duì)于入射波�(zhǎng)是粗糙的,即�(dāng)入射波長(zhǎng)比地表高度小或比地表組成物質(zhì)粒度小時(shí),則表面�(fā)生漫反射。如�(duì)可見(jiàn)光而言,土石路�、均一的草地表面均屬漫射體。漫射體保留了反射表面的光譜信息(顏色或亮�)。因而在遙感�(lǐng)域被廣泛�(yīng)用�
c)方向反射(Directional reflection)
朗伯體表面實(shí)際上是一�(gè)理想化的表面.它被假定為介質(zhì)是均勻的、各向同性的,并在遙感中多用以作為近似的自然表面。但事實(shí)�,通過(guò)大量�(shí)�(yàn)證明電磁輻射與地表相互作用表�(xiàn)出明顯的方向性特征。自然界大多�(shù)地表既不完全是粗糙朗伯表�,也不完全是光滑的“鏡面”,而是介于兩者之間的非朗伯表�。其反射并非各向同�,而具有明顯的方向�,即方向反射。鏡面反射也可認(rèn)為是方向反射的一�(gè)特例�
2) 吸收
3) 透射(Transmission)
�(dāng)電磁波入射到兩種介質(zhì)的分界面�(shí),部份入射能穿越兩介�(zhì)的分界面的現(xiàn)�。稱(chēng)為透射。透射的能量穿越介�(zhì)�(shí),往往部分被介�(zhì)吸收并轉(zhuǎn)換成熱能再發(fā)��
介質(zhì)透射能量的能�,用透射率τ來(lái)表示。它被定義為透過(guò)物體的電磁波�(qiáng)�(透射�)與入射能量之�。對(duì)同一物體,透射率是波長(zhǎng)的函�(shù)。對(duì)于攝影遙感系�(tǒng),膠片和濾光片的透射率是�(gè)十分�(guān)鍵的參數(shù)。自然界�,人們最熟悉的是水體的透射能力。這是�?yàn)槿藗兛梢灾苯佑^(guān)察到可見(jiàn)光譜段輻射能的透射�(xiàn)�。然�,可�(jiàn)光以外的透射,雖人眼看不�(jiàn),但它是客觀(guān)存在�,如植物葉子,對(duì)于可�(jiàn)光輻射是不透明�,但它能透射一定量的紅外輻��
?�?)電磁輻射的�(fā)�
1)熱輻射
熱輻射是指輻射能的強(qiáng)弱和光譜成分決定于物體溫度的輻射。任何物體只要其溫度高于溫度0K�-273℃),都能發(fā)射電磁波,都有熱輻射。太�(yáng)光相�(yīng)于T�6000K�(shí)的輻��
灼熱物體的光譜成分與溫度的關(guān)�
�(duì)于熱輻射能,一般從三�(gè)方面研究:輻射源在單位時(shí)間內(nèi)所�(fā)射的輻射�;輻射能在輻射波譜中的分�;輻射源所�(fā)射的輻射能的峰值波�(zhǎng)。這三�(gè)方面的特征,既取決于物體的溫�,也與物體本身的性質(zhì)(物體的表面特征、物體的�(nèi)部組成)有關(guān)�
2) 黑體輻射
� 黑體的基本概�
黑體指完全的輻射吸收體和完全的輻射發(fā)射體。即它吸收所有入射到它上面的輻射,同�(shí)在一切溫度下�(fā)射的輻射。自然界中并不存在這種的黑�。基爾霍�1860年在研究真實(shí)物體的輻射時(shí),引入一�(gè)理想物體的概�。由于黑體輻射不考慮目標(biāo)性質(zhì)只考慮目標(biāo)溫度,因此它就避�(kāi)了具體物體而使�(wèn)題簡(jiǎn)單化。在�(zhǎng)波輻射研究中,常用黑體來(lái)討論�(wèn)題,并將其作為評(píng)�(jià)真實(shí)物體熱輻射的一�(gè)�(jì)量標(biāo)�(zhǔn)�
� 黑體輻射的基本定�
a) 普朗�(p1anck)定律
1900年普朗克用量子理論推�(dǎo)黑體輻射通量密度和其溫度的關(guān)系以及按波長(zhǎng)分布的規(guī)律,得出普遍適用于黑體輻射的公式�
用普朗克公式可以求得任一波長(zhǎng)不同溫度下黑體的光譜輻射通量密度�
這一公式�(duì)遙感理論的重要意義在于它的普遍適用�,可以推�(dǎo)出以下的已經(jīng)被實(shí)�(yàn)證明的黑體輻射公��
b) 斯忒潘-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律
整�(gè)電磁波譜的總輻射出射度M為某一單位波長(zhǎng)的輻射出射度Mλ�(duì)波長(zhǎng)λ�0到無(wú)窮大的積�,即 ,用普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分便導(dǎo)出斯忒潘-玻爾茲曼定�,即:黑體的總輻射出射度與黑體溫度的四次方成正比�
式中σ為斯忒潘-玻爾茲曼常�(shù),為5.669`10-8瓦·米2·K-4
該定律是普朗克黑體輻射定律在某�(gè)�(cè)面的深入和補(bǔ)充。定量地�(shuō)明物體總的輻射通量密度只與溫度有關(guān)。斯忒潘-玻爾茲曼定律表明:輻射通量密度與溫度的四次方成正比,故相當(dāng)小的溫度變化就會(huì)引起輻射通量密度的很大變�。紅外遙感主要就是靠目標(biāo)物的這種溫度差異,利用紅外探�(cè)儀器可�(cè)�0.01 ℃的變化�
c) 維恩(Wein)位移定�
微分普朗克公�,求出�,就得到維恩位移定律的表�(dá)式:
λmax為光譜輻射通量密度的峰值波�(zhǎng);c是常�(shù),c=2897.8±0.4μm`K;T為溫��
維恩定律表明:一�(gè)黑體的峰值輻射波�(zhǎng)與它的溫度成反比。即隨著溫度的增�,其峰值輻射波�(zhǎng)λmax向短波方向移�(dòng)�
從下圖中可以看出,黑體溫度越�,其曲線(xiàn)的峰頂就越往左移,即往波長(zhǎng)短的方向移動(dòng),這就是位移的含義。如溫度�300K,即27 ℃時(shí)(該溫度相當(dāng)于一般地面的平均溫度�,其輻射通量密度的峰值波�(zhǎng)�9.7微米;又�,太�(yáng)表面溫度約為6000K,其輻射通量密度的峰值波�(zhǎng)�0.48微米,為可見(jiàn)光的綠光波段。前者表�(xiàn)為熱;后者表�(xiàn)為光。如果輻射值落在可�(jiàn)光波�,物體的顏色�(huì)隨著溫度的升高而變化。波�(zhǎng)�(yuǎn)漸變�,顏色由紅外到紅色再逐漸變藍(lán)變紫。在遙感技�(shù)上,常用這種方法選擇遙感器和確定�(duì)目標(biāo)物�(jìn)行熱紅外遙感的波��
不同溫度的黑體輻射曲�(xiàn)
d) 基爾霍夫(Kirchhof)定�
在一給定溫度�,輻射通量密度和吸收率之比,對(duì)任何材料都是一�(gè)常數(shù),并等于該溫度下黑體的輻射通量密度�
M’為真實(shí)物體的輻射通量密度。說(shuō)�,好的吸收體也是好的�(fā)射體,即表明凡是吸收熱輻射能力強(qiáng)的物�,它們的熱發(fā)射能力也�(qiáng);凡是吸收熱輻射能力弱的物體,它們的熱發(fā)射能力也就弱�
3� �(shí)際物體的輻射
物體的發(fā)射本�(lǐng)即比輻射率或�(fā)射率用e 表示,它是真實(shí)物體的輻射通量密度M‘與同一溫度的黑體輻射通量密度M的比��
�(fā)射本�(lǐng)是物體性質(zhì)的函�(shù)。為使用上的方便,引入光譜發(fā)射本�(lǐng)e(λ)的概��
Mλ為真�(shí)物體的光譜出射率,Mλ為黑體的光譜出射�,對(duì)于大多數(shù)常見(jiàn)物體,在地面�(huán)境溫度范圍內(nèi),光譜發(fā)射本�(lǐng)幾乎與溫度無(wú)�(guān)�
根據(jù)光譜�(fā)射本�(lǐng)的變化規(guī)�,輻射源可以分為三種�(lèi)型:
黑體� e (λ )= ε = 1�
灰體� ε為常�(shù),其值介�0�1之間�
選擇性輻射體� ε是變量,其值也介于0�1之間。當(dāng)ε = 0�(shí),為白體�
三類(lèi)�(fā)射體的發(fā)射本�(lǐng)(A.)與輻射通量密度(B.)
在同樣溫度下,黑體總的或任意光譜區(qū)的輻射通量,都比任何其它輻射源大。因�,黑體的光譜分布曲線(xiàn)是各種輻射源光譜分布曲線(xiàn)的包�(luò)�(xiàn)。灰體的�(fā)射本�(lǐng)是黑體的一�(gè)不變的分?jǐn)?shù)。人、大地和空間背景等都可視為灰�。為了便于計(jì)�,選擇性輻射體在有限的光譜區(qū)間內(nèi)也可看成是灰��
根據(jù)能量守恒原則,物體的�(fā)射率�,反射率就小;物體的�(fā)射率小,反射率必然大。這兩�(gè)參數(shù)不僅是溫度和波長(zhǎng)的函�(shù),而且與物體的性質(zhì)有關(guān)。一般講,物體表面比較粗糙或顏色較暗�,吸收強(qiáng),而發(fā)射率�、反射率�;物體表面比較光滑或顏色較亮�,吸收弱,而發(fā)射率�,反射率高�
目前研究出新型電磁輻射傳感器,由該傳感器組成的寬頻帶多功能電磁輻射檢�(cè)儀,不僅以�(shù)字和模擬兩種方式�(shí)�(shí)顯示電磁輻射�,還具有�(yǔ)音播�(bào)功能,其原理框圖�(jiàn)�1�
�1 電磁輻射檢儀原理框圈
傳感器原理與�(jié)�(gòu)
首先由自行設(shè)�(jì)的天�(xiàn)陣把電磁輻射信號(hào)接收下來(lái),然后由�(diǎn)接觸型二極管完成檢波,再�(jīng)濾波�(wǎng)�(luò)、放大電路變成電壓信�(hào),其傳感器組成原理框圖見(jiàn)�
�2 傳感器原理框�
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