微波遥感理论与技术基础 ppt课件.ppt

《微波遥感理论与技术基础 ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、微波遥感理论与技术基础（第五周）董晓龙国家863计划微波遥感技术实验室中国科学院空间科学与应用研究中心第五章：微波与物质的相互作用连续媒质与大气微波与分立目标的相互作用体散射与辐射光滑表面的反射与辐射粗糙表面的散射与辐射周期表面的散射与辐射自然表面的散射与辐射特殊的散射体。5.1连续媒质与大气概述辐射传输理论微波亮度温度谱线谱线展宽法拉第旋转概述晴空大气的传输特性和吸收特性窗（透明）区：用于对地球表面、底层大气和气溶胶的探测；对于频率<10GHz的电磁波，晴空大气的作用的可以忽略。不透明大气可以用于对大气的探测。大气的吸收包括两种

2、类型：吸收谱线：与特定成分的特定能级的变化相关；宽带吸收：随频率的增加指数增加，主要是水气的吸收。随着频率的增加，大气的吸收显著增强，对于频率>100GHz的电磁波，大气层近乎完全不透明（对卫星遥感而言）。微波波段的吸收谱辐射传输理论Chandrasekhar，恒星大气辐射特性研究辐射强度媒质中的传播，媒质的作用：吸收发射散射行星大气遥感（大气探测）：中、低层大气：温度足够高（>200K)，显著的微波辐射低频微波：无散射、无折射，热平衡尺寸足够小（水气、气溶胶），无须粒子散射模型高频（短毫米波、亚毫米波）：需考虑粒子（水、冰）的粒

3、子散射。成像遥感（主动和被动）作用：散射与发射地面上层间相互作用（辐射传输）：冰雪覆盖植被作物土壤主动遥感（雷达）主要是散射；要考虑吸收；发射可忽略（与入射相比）；大气辐射传输模型入射大气层另一侧的辐射强度传输路径上任一点的辐射强度：入射能量；传输路径上各点的辐射（Planck公式）（=吸收，Kirchoff辐射定律）大气微波亮度温度黑体辐射定律的低频近似：辐射传输模型的亮度温度表示简化模型（窄带情况）均匀大气的情况谱线吸收系数kf描述入射电磁波与有耗媒质相互作用的宏观参数；微观机理是物质分子、原子运动能级变化产生的电磁吸收与

4、辐射。高能级向低能级变化发射电磁能量低能级向高能级跃迁吸收电磁能量作用机理共振相互作用：主要位于与大气成分分子转动能级对应的窄波段，有时对应振动能级；非共振相互作用折射：主要与气体的整体特性有关，其结果是波传播速度低于在真空中的传播速度。连续吸收。谱线吸收与连续吸收发射或吸收的频率决定于能级变化的能量差（共振吸收）吸收频率=发射频率吸收频率>发射频率（多个能级）O3吸收：紫外发射：微波，远红外（THz）温室效应气体吸收：可见光气体发射：微波、热辐射（较少能量）连续吸收谱（非共振吸收）：随频率指数增加：主要是水气的衰减（水分

5、子之间及水分子与大气中氧气、氮气等分子的碰撞）其它分子（如O3）的密集吸收谱线也可以表现为连续吸收谱，但随频率的变化不是指数关系。大气分子的微波吸收谱线——共振相互作用水汽：22.235GHz，183.3GHz（转动谱线）氧气：（转动谱线）组合谱带：50-60GHz单谱线：118.75GHz臭氧（弱谱线）：＜110GHz谱线之间的区域：微波辐射的吸收主要来自水汽与氧气谱线的远翼通过碰撞将电磁波能量转化为热能（Rayleigh-Jeans近似）典型的吸收作用谱线媒质（大气）的吸收系数入射电磁波能量与大气分子相互作用的宏观参数。相互作

6、用的一般原理：Bohr频率条件：气体分子发射或吸收的频率Einstein发射和吸收定律：分子吸收光子能量从低能级Ea跃迁到高能级Eb的概率等于分子受到激发释放光子能量从高能级Eb变到低能级Ea的概率，并且这一概率正比于与入射光子频率v成正比的光子能量。所以净吸收（吸收与受激发辐射之差）正比于两个能量态的热力学概率（pb-pa）Dirac扰动理论：对于产生两个能量态a和b的的电磁波，场作用的算子必然有一个非零的矩阵元素联系两个能量态。当波分子尺寸相比很大（低频）时，该算子是一个偶极矩（电矩或磁矩）。微波谱区的大气吸收在微波谱区，只有

7、水汽和分子氧表现出明显的吸收线。在40GHz以下，占主导地位的只有微弱吸收的压致增宽的23.235GHz水汽线，该共振吸收线是核自旋转动态之间的跃迁造成的。在大约31.4GHz，空气较为透明，是共振水汽线之间的的一个窗区。氧分子有一个磁偶极矩，是由在其电子基态时两个不成对电子组合自旋造成的。电子自旋方向相对于分子转动方向的变化在60GHz附近形成一个强磁偶极跃迁带，且在118.75GHz处产生了一个单次跃迁。当频率大于120GHz时，由于在183GHz附近的水汽强吸收，水气吸收再次占主导地位。在微波频率区，由于大气中水滴（约10m

8、m）和冰晶（约100mm）的尺寸很小，对微波（约1cm）的散射影响通常很小，作为一个很好的近似，在讨论微波辐射传输时，可以忽略散射的贡献。大气透射率（总透射率、水汽透射率和氧气透射率）在微波区随频率和波长的变化示意图大气吸收谱线的增宽效应压力增宽