电磁辐射在自然环境中的传输.doc

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§4 电磁辐射在自然环境中的传输
　　远距离探测是信息获取与处理技术的基本功能或主要应用。这必然会遇到电磁辐射在自然环境中的传输问题。不论是对地观测还是空间监视，辐射必然要穿越地球大气。显然，大气传输既是系统的组成部分，也是技术的基本内容。
　　辐射传输的基本问题是辐射同大气的相互作用。地球表面（陆地和水面）被大气包围着，大气分布在高度300km以下的空间。共分三层。对流层（0～10）km；同温层（10～60）km；电离层60km以上。大气密度随高度增加而减少。到30km高度已经下降二个数量级。大部分气体分布在10km以下高度。大气成份包括气体分子和悬浮粒子（气溶胶）。前者由氮（N2，78％）、氧（O2，21％）、臭氧（O3）、氩（Ar）和二氧化碳（CO2）等十几种分子组成。后者为烟尘、灰尘等微粒子。
　　电磁辐射在大气中传输，与大气中分子和粒子发生相互作用，主要是散射或吸收。其结果会使辐射中所携带的信息损失或畸变。传输特性的知识给出这种作用的详情。一方面可以校正畸变，另一方面也帮助系统设计者选择优良的辐射波段（窗口），保证信息传送。有许多情形，辐射同大气物质相互作用本身也是一种信息媒介。特别是主动式敏感过程，通过源（自然的或人工的）辐射同目标相互作用的结果来推断目标的相关性质。研究这种传输过程的本身就是获取目标信息的过程。例如，光雷达的光束穿过大气 后，根据其变化测量大气成份。
　　　　4.1 反射、吸收、透射
　　　　4.2 大气的透射窗口
　　　　4.3 太阳辐射与地面反射
　　　　4.4 大气中的吸收和散射
　　　　　　4．4．1吸收
　　　　　　4．4．2散射

4.1 反射、吸收、透射
　　照理，电磁辐射同物体相互相互作用，会发生三种可能的情况。部分能量被反射和散射（反射率ρ），即改变了原来的传播方向而未进入物体；其它的能量则进入了物体。在进入物体的能量中，一部分被物体吸收（吸收率α），而另一部分则因物体透明而使其发生折射，然后从物体的另一端透射出去（透射率τ）。根据能量守恒原理，这三部分的比例因子之和应当等于1，即
　　　　　　　　　　　 α＋ρ＋τ＝1　　　　　　　　　 （1－7）
如前所述，物质吸收辐射的能力越强，则它的发射本领越大。比辐射率（ε）～吸收率（α）0对于不透明物体（τ＝0），则反射率ρ和比辐射率ε两值之和等于1。在辐射传输中，反射、透射和吸收这三部分的比例关系是与许多因素有关的。包括入射辐射的光谱分布、入射角、物体的光学性质以及物体的厚度等。

4.2 大气的透射窗口
　　在对地观测和空间监视系统中，利用电磁辐射在大气中的透射性能把载有信息的电磁辐射传输到敏感仪器。人们把全部或大部分穿透大气的辐射波段（或频率）叫作大气窗口。表（1－3）列出了在整个电磁波谱上所有的大气窗口的波长位置。地球大气强烈地吸收太阳的γ射线，使其无法到达地面。仅有低飞的飞机才有可能探测到地面放射材料的γ射线。X射线在大气路径中仅能穿透几十米，太阳X射线在低层大气完全会被吸收。紫外辐射在上层大气就被完全吸收。因此，大气对于短波辐射（λ<0.3μm）是不透明的。窗口都分布在可见、红外、微波和无线电频段。
表1－3穿透大气的主要电磁辐射窗口
波段
窗口波长位置

波段
窗口波长位置
紫外和可见光
近红外

短波红外

中波红外
0.30-0.75 μm
0.77-0.91 μm
1.00-1.12 μm
1.19-1.34 μm
1.55-1.75 μm
2.05-2.40 μm
3.5-4.16 μm
4.50-5.00 μm

热红外
远红外
微波
8.00-9.20 μm
10.20-12.40 μm
17.00-22.00 μm
2.06-2.22 mm
3.00-3.75 mm
7.50-11.50 mm
20.00 mm

　　可见光和近红外辐射（0.3μm～1.4μm）是电磁辐射最重要的窗口。可见光波段透明度很高，但它受到大气中汽溶胶和气体分子散射的影响。特别，水汽经常阻挡这个窗口。
　　在短波红外波段（1μm～3μm），也存在几个较好的大气窗口。(1.19～1.34)μm，(1.55～1.75)μm，(2.05～2.40)μm。实际上，在这些波段避开水汽的吸收带，透射率都比较高。
　　中段红外（3μm～5μm）是重要大气红外窗口。自然环境温度物体在这个波段热辐射比较强，使用价值比较高。但在白天，太阳辐射也较强。
　　长波红外（也称为热红外）波段（8μm～14μm）是优良的大气窗口。除了在9.6μm附近臭氧吸收带之外，一般透射性能都比较好。由于该波段位置正好与自然环境物体热辐射的主要能量波段相重，为传输地球环境信息提供优良条件。14μm～16μm正好是CO2的吸收带，为传送大气信息提供可能性。22μm～1000μm辐射能量与分子转动跃迁相对应。大气透射性能很差。
　　在微波，除了2.22mm～3.00mm，3.75mm～7.50mm波长范围因大气吸收透射性能不好，其他辐射均为透明窗口。特别长波微波（cm波），穿透云雾的能力很强，是传递信息最重要媒介之一。

4.3 太阳辐射与地面反射
　　太阳是地球自然环境中最重要的天然辐射源。在白天，它照亮地球，使我们能够摄下地面环境的图像。在可见光与近红外波段（0.3μm～3μm），太阳是地球自然环境最强的辐射源。月光仅为它的十万分之一（10-5）。在地球大气层外，太阳常数（即辐射强度）为135.3mW/cm2，相当于1.35KW/m2。太阳相当于温度为5900K的黑体。图1－6 示出它的辐射分谱曲线。辐射强度峰值在0.47μm处。短波波长的能量（λ<0.47μm）为22％。可见光（0.4μm～0.76μm）能量44％。太阳辐射照射到地面之前受到大气的衰减作用。在图1－6 中还示出在大气层外和海平面处太阳辐射分谱曲线。曲线上有几个大气中气体分子的吸收峰，它们相当于窗口之间的不透明波段。

图1－6太阳光谱曲线
　　太阳照射地球表面之后根据地面的具体情况，发生反射。地面反射辐射的总量用一个小于1的（反射率）比值来表征。反射率是电磁辐射反射能量与入射能量之比。它由以下四个因素所决定：随波长而变化的入射能量、入射角、观测角以及地面物理性质。对于太阳照射地面的具体情形，前三个因素都是可以预知的。通过太阳反射测得地面反射率，实际上是获得了有关地面物理性质的信息。
　　辐射的反射过程有两类，镜面反射和漫反射。它们是相对于两类不同的反射表面发生的。如果反射面是镜面（平滑度在波长的1/10之内），则发生镜面反射，入射角等于反射角。许多"镜面"情形，例如平静的海面和光滑的岩石面，会出现太阳闪烁。如果反射面是粗糙的表面，它们可以在各个不同的方向上均匀地反射电磁辐射能量。漫反射的反射率与观测角无关，仅是波长的函数。地球上许多自然表面，如土壤、沙地、植被等均属于漫反射表面。大多数天然物体的表面，具有双重的反射性质。
　　物体的反射率在各个波长上并不相同。用分谱反射率表征。其定义是特定波长上反射能量和入射能量的比值。物体的反射特性曲线是在特定的波长范围分谱反射率的变化曲线。曲线形状取决于特定的物质性质。图 1－7示出雪地、沙漠、小麦和湿地等四种地面的分谱反射曲线。可以根据曲线的形状或特点将四种地面区分开来。因此，测量分谱反射曲线，也是获取目标信息的重要途径。

图1－7地面物体光反射曲线

4.4 大气中的吸收和散射
　　仔细分析图1－6中的两条曲线发现，太阳辐射虽然穿过大气到达地面，但强度减弱了。这种现象叫消光。由于大气中分子和汽溶胶粒子的作用。辐射一部分被吸收和散射。同时，大部分（或一部分）透过了大气。辐射强度衰减的比例系数称为消光系数。大气作用所引起的吸收和散射常用光学厚度表示。大气的光学厚度是把各个高度的大气消光系数对其大气层厚度积分。
　　辐射在介质（大气）中传输遵守比尔（Beer）定律。强度按指数下降。
　　　　　　　　　　I(ν)=I0（ν）exp［-μl］　　　　　　 （1－8）
式中μ（ν）为消光系数。即单位长度辐射衰减的比例。l为辐射传输路径长度。根据透射率定义τ=I/I0，则上式为
　　　　　　　　　　τ=exp(-μl) 　　　　　　　　　　　　 （1－9）
实际上，τ与μ均为辐射波长的函数。μl为光学厚度。光学厚度小，称为光学薄介质。反之称为光学厚介质。

　　4. 4．1吸收
　　大气对电磁辐射的吸收是由气体分子的能级结构所决定。因此，吸收不仅取决于分子种类，而且强烈地依赖波长。吸收谱线有位置、形状和强度等三个要素。前面已经提到，由于大气分子严重吸收，在吸收波长上不透明。即使在大气窗口里也不完全透明。一般采用透射率来表示这种作用的综合结果。在红外波段，对应于气体分子振动的能量，含有丰富的吸收谱线，这里试举大气主要成份的强吸收带。水分子（H2O）的吸收中心波长：0.72、1.87、2.70、3.20、3.70、6.27μm。二氧化碳（CO2）的吸收中心波长：1.40、1.60、2.00、4.30、4.80、5.20、15.00μm。臭氧（O3）有0.19、0.60、4.80、9.60、14.00μm。氧分子（O2）有0.20、0.69、0.76μm。二氧化氮（NO2）有4.70、7.80μm。各吸收峰强弱不同。

　　4．4．2散射
　　大气中的一切粒子，包括原子、分子和汽溶胶等，都会散射辐射能量。散射作用取决于粒子的尺寸。当粒子直径比辐射波长小很多（1:10）时，发生瑞利散射。散射强度与辐射波长的四次方成反比。波长越小，则散射强度越大。大气中原子和分子等粒子对于短波辐射的散射作用较强。利用这一原理可以解释象天空是蓝色和日落是红色等许多自然现象。大气分子随季节和纬度变化，散射在大气厚度中的贡献也随之改变。大气中还存在颗粒更大的粒子，如云、雾、汽溶胶。它们的半径（r）可达数微米，r/λ＝0.1～0.3。此时发生米氏（Mie）散射。这种散射的主要特征是散射强度与辐射波长几乎无关。云和雾实际是大气中的水滴，它们对辐射产生米氏散射。这也可以解释为什么云雾呈白色。
　　应当强调，必须综合考虑吸收和散射作用的总的结果。这正如公式1－8所表示的。由于大气成份并非不变量，而且无法准确描述其变化规律，它们对辐射的作用很难准确计算或预测。现场测量的结果益显重要。
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