电磁辐射在自然环境中的传输.docVIP

窗体顶部 §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 ? 　　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。 ? 　　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（λ0.3μm）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 窗口波长位置 　 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 　 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