光譜產(chǎn)生機理與電磁輻射解析課件

1、第1節(jié) 光譜產(chǎn)生機理與電磁輻射武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院龔 龑高光譜遙感第二章 地物光譜數(shù)據(jù)的獲取與分析1一、光譜特征產(chǎn)生機理二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)第二章 第1節(jié) 光譜產(chǎn)生機理與電磁輻射21.為什么高光譜遙感中要討論物質(zhì)結(jié)構(gòu)？一. 光譜特征產(chǎn)生機理遙感影像解譯與數(shù)字圖像處理的一個重要差別影像數(shù)據(jù) 光譜特征像元灰度數(shù)值運算地面目標屬性分析3一.光譜特征產(chǎn)生機理 高光譜遙感準確記錄電磁波與物質(zhì)間的這種作用隨波長大小的變化，通過反映出的作用差異，提供豐富的地物信息，這種信息是由地物的宏觀特性和微觀特性共同決定的。關(guān)鍵詞： 絕對溫度 宏觀特性 微觀特性 在絕對溫度為0K以上時

2、，所有物體都會發(fā)射電磁輻射，也會吸收、反射其他物體發(fā)射的輻射。2.物質(zhì)的微觀和宏觀特性4一.光譜特征產(chǎn)生機理A. 絕對溫度（absolute temperature）熱力學(xué)溫度又稱開爾文溫度，或稱絕對溫度。絕對零度時的溫度定義為0K。冰水混合物的溫度為273.15K。攝氏溫度0 = 絕對溫度273.15K = 華氏溫度32 絕對溫度的原理 一定質(zhì)量的氣體等壓膨脹時，在常溫下其Vt 圖線為一條不過坐標原點的直線（蓋呂薩克定律）。若實驗測得這條圖線，加以外推，找出圖線與t軸的交點處的攝氏溫度值，它就是使氣體體積變?yōu)榱愕淖畹蜏囟?，即熱力學(xué)溫度（絕對溫度）的零度。 2.物質(zhì)的微觀和宏觀特性5B.宏觀特

3、性C.微觀特性一.光譜特征產(chǎn)生機理分布、粗糙度、混雜物質(zhì)結(jié)構(gòu) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀特性和光譜存在直接的關(guān)系。物質(zhì)的光譜，是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一把鑰匙。2.物質(zhì)的微觀和宏觀特性6一、光譜特征產(chǎn)生機理二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)第二章 第1節(jié) 光譜產(chǎn)生機理與電磁輻射7二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜原子光譜與原子結(jié)構(gòu) 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)固體光譜與固體結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)主要涉及內(nèi)容：81. 原子光譜與原子結(jié)構(gòu)二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜 從只有一個電子的原子說起氫原子光譜 最簡單的光譜是氫原子光譜，因為氫原子的結(jié)構(gòu)最簡單，只有一個質(zhì)子和一個電子。通過對氫原子光譜產(chǎn)生過程的理解，可以了解一般原子光譜的產(chǎn)生機理

4、。9 原子受激發(fā)光是重要的原子現(xiàn)象之一， 光譜學(xué)的數(shù)據(jù)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)10二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)11 氫原子譜線的波長可以用下列經(jīng)驗公式表示：里德堡常量(單位長度內(nèi)的)波數(shù)二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)12賴曼系，紫外區(qū)巴爾末系，可見光區(qū)帕邢系，紅外區(qū)布拉開系，紅外區(qū)普豐德系，紅外區(qū)哈弗萊系，紅外區(qū)二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)13（1）定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，電子雖然作加速運動，但并不輻射電磁波，這些狀態(tài)稱為原子的穩(wěn)定狀態(tài)（簡稱定態(tài)），相

5、應(yīng)的能量分別為 。（2）頻率條件 當原子從一個能量為 的定態(tài)躍遷到另一能量為 的定態(tài)時，就要發(fā)射或吸收一個頻率為 的光子。 玻爾輻射頻率公式玻 爾二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜 玻爾理論14 其他元素的光譜也有類似的規(guī)律性原子光譜線系的規(guī)律性深刻地反映了原子內(nèi)部的規(guī)律性。 原子所發(fā)射或吸收的光譜，是由一條條分離的譜線組成的，一般稱為線狀光譜。各種原子都有各自的一組光譜，因而可以從光譜中識別出不同的元素。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)15 原子外層電子躍遷所發(fā)射的光譜，位于 “紫外-可見光-近紅外”波段。 原子內(nèi)層電子的躍遷，產(chǎn)生的光譜是更高頻的 射線與 射線。1 .原子光譜與原子結(jié)構(gòu)二

6、、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜162. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu) 同原子結(jié)構(gòu)相比，分子結(jié)構(gòu)的突出特點是存在化學(xué)鍵。分子光譜的產(chǎn)生機理除了電子能級躍遷之外，還擁有其自身的特征光譜?；瘜W(xué)鍵(chemical bonding) 分子或晶體中原子(或離子)之間強烈的作用力叫做化學(xué)鍵。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜17 分子之所以能夠吸收或發(fā)射光譜，是因為分子中的電子在不同的狀態(tài)中運動，同時分子自身由原子核組成的框架也在不停地振動和轉(zhuǎn)動。 按照量子力學(xué)，分子的所有這些運動狀態(tài)都是量子化的。分子在不同能級之間的躍遷以光吸收或光輻射形式表現(xiàn)出來，就形成了分子光譜。2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜18 分子光譜的構(gòu)成分

7、子狀態(tài) 電子能級狀態(tài)、振動態(tài)、轉(zhuǎn)動態(tài)分子能量 E = Ee + Ev + Er 分子光譜 分子中電子的躍遷, 分子中原子的振動, 分子的轉(zhuǎn)動.二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)19這里R，r 分別是核運動和電子運動的坐標。在量子力學(xué)理論中，包含核和電子的分子總Schrdinger方程是核動能電子動能勢能二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)20核運動方程電子運動方程 該方程中包含了分子的平動、振動和轉(zhuǎn)動，它決定了分子的振動光譜和轉(zhuǎn)動光譜。電子運動方程決定了分子的電子光譜。 以上方程涉及量子力學(xué)的范疇，本課程不做深究。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜21分子的總能量主要由以下三項組成分

8、子在兩個能級之間的躍遷給出了光譜：（a）轉(zhuǎn)動光譜：同一振動態(tài)內(nèi)不同轉(zhuǎn)動能級之間躍遷所產(chǎn)生的光譜。轉(zhuǎn)動能級的能量差在10-310-6eV，故轉(zhuǎn)動頻率在遠紅外到微波區(qū)，特征是線光譜。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)22（b）振動光譜：同一電子態(tài)內(nèi)不同振動能級之間躍遷所產(chǎn)生的光譜。振動能級的能量差在10-21eV，光譜在近紅外到中紅外區(qū)。由于振動躍遷的同時會帶動轉(zhuǎn)動躍遷，所以振動光譜呈現(xiàn)出譜帶特征。H37Cl和H36Cl的振動光譜吸收強度28003000二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜23（C）電子光譜：用分子光譜項標記，反映了分子在不同電子態(tài)之間的躍遷。電子能級的能量差在120eV，使得電子光

9、譜的波長落在紫外、可見光區(qū)。 在發(fā)生電子能級躍遷的同時，一般會同時伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷，所以電子光譜呈現(xiàn)譜帶系特征.化學(xué)鍵使得電子為多個原子核共有電子躍遷存在復(fù)雜性光譜譜線豐富二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜24分子光譜二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)25分子光譜的分布和特征電子光譜1eV振動光譜103102 cm-1轉(zhuǎn)動光譜 10cm-1二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)26 由于不同形式的運動之間有交叉作用，分子的電子運動、振動和轉(zhuǎn)動是無法嚴格分離的二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)27 從理論上講，發(fā)射光譜與吸收光譜頻率相同。但由于分子結(jié)構(gòu)差異，能級躍遷

10、存在多樣性，所以不同分子存在不同的吸收峰。 思考：既然分子的發(fā)射光譜與吸收光譜頻率相同，那為什么各種大氣分子存在不同的吸收特性？二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)28地球大氣中重要的分子吸收光譜: H2O CO2 O3 二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)29 H2O 0.942 1.35 1.454 1.875 2.5-3 5.5-7 CO2 2.7 4.3 15 O3 0.3 0.6 (弱) （單位：微米）二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)30要點總結(jié)： 1.分子的光譜特征主要由三方面決定，即分子的轉(zhuǎn)動光譜、分子的振動光譜和分子的電子光譜。 2.引起這三種

11、特征光譜的原因，分別是分子自身的轉(zhuǎn)動、分子中原子的振動和分子中電子的躍遷。 3.轉(zhuǎn)動光譜位于遠紅外到微波區(qū)，振動光譜位于近紅外到中紅外區(qū)，而電子光譜則位于紫外、可見光區(qū)。 二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜2. 分子光譜與分子結(jié)構(gòu)313. 固體光譜特點 固體光譜一般是連續(xù)光譜，由于固體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，固體結(jié)構(gòu)與固體光譜之間的對應(yīng)關(guān)系也就非常復(fù)雜。 從可見光及近紅外遙感技術(shù)的當前現(xiàn)狀來看，固體發(fā)射、吸收光譜涉及較少。 在應(yīng)用中，固體的反射光譜特征占據(jù)主導(dǎo)地位。二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜32一、光譜特征產(chǎn)生機理二、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與光譜三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)第二章 第1節(jié) 光譜產(chǎn)生機理與電磁輻射33電磁輻射基本原理太

12、陽輻射地球輻射三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)341.電磁輻射基本原理電磁波 交互變化的電磁場在空間的傳播。描述電磁波特性的指標 波長、頻率、振幅、位相等。電磁波的特性電磁波是橫波，傳播速度為3108 m/s;不需要媒質(zhì)也能傳播;與物質(zhì)發(fā)生作用時會有反射、吸收、透射、散射.三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)(a)基礎(chǔ)知識回顧35電磁波譜三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)1.電磁輻射基本原理36三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)1.電磁輻射基本原理 遙感應(yīng)用的電磁波段37(b)電磁輻射的定量描述三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)1.電磁輻射基本原理 輻射能量 Q 輻射通量 輻射通量密度 E 輻射亮度 L38 輻射能量 Q電

13、磁輻射是具有能量的，它表現(xiàn)在： 使被輻照的物體溫度升高 改變物體的內(nèi)部狀態(tài) 使帶電物體受力而運動 輻射能量（Q）的單位是焦耳（J）三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)(b)電磁輻射的定量描述39 輻射通量 (radiant flux) 在單位時間內(nèi)通過的輻射能量稱為輻射通量：輻射通量（）的單位是瓦特=焦耳/秒（W=J/S）=Q/ t三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)(b)電磁輻射的定量描述40 輻射通量密度單位面積上的輻射通量稱為輻射通量密度： E輻照度= / A M輻出度= / A輻射通量密度的單位是瓦/米（W/m）輻射源輻射照射度輻射出射度被輻照物輻射體法向(b)電磁輻射的定量描述三、高光譜遙感的電磁輻

14、射基礎(chǔ)(irradiance) E、(radiant exitance) M41 輻射亮度 (radiance) L 單位面積、單位波長、單位立體角內(nèi)的輻射通量稱為輻射亮度。輻射亮度（L）的單位是瓦 / 米微米球面度（W/m m Sr）亮度 L面輻射源立體角 AL= / A 方向空間分布規(guī)律三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)(b)電磁輻射的定量描述42輻射度量一覽表輻射量符號定義單位輻射能量QQ焦耳(J)輻射通量 (2) Q/ t( )瓦(W)輻照度E (2) / A ( )瓦/米(W/m)輻出度M (2) / A ( )瓦/米(W/m)輻射亮度L2(3) / A ( ) 瓦/米球面度(W/m Sr

15、)三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)(b)電磁輻射的定量描述43(c)黑體輻射 如果一個物體在任何溫度下對任何波長的電磁輻射全部吸收（即吸收系數(shù)恒等于1），則這個物體稱為絕對黑體。三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ) 絕對黑體 實際物體的輻射 對于實際物體，都可以看作輻射源。如果物體的吸收本領(lǐng)大，它的發(fā)射本領(lǐng)也大，即越接近黑體輻射。實際物體的輻射比黑體輻射弱，而且隨波長不同而不同。44 黑體輻射特性 （1）黑體輻射出射度隨波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個最大值。(普朗克公式) （2）溫度愈高，黑體的輻射出射度也愈大，不同溫度的曲線是不相交的。絕對黑體的總輻射出射度與黑體溫度的4次方成正比。（斯忒藩玻爾茲曼定律

16、）三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)再對溫度差分說明: 輻射能量隨溫度變化的梯度很大普朗克公式對波長積分亮溫遙感可用于溫度監(jiān)測的基本理論依據(jù)（星體、地表）45 黑體輻射特性 （3）黑體輻射光譜中最強輻射的波長與黑體絕對溫度成反比。（維恩位移定律）。隨著溫度的升高，輻射最大值所對應(yīng)的波長移向短波方向。三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)對普朗克函數(shù)求波長曲線極值，得到：可用來選擇對特定地物的監(jiān)測波段，如火災(zāi)檢測。光譜位移定律對遙感研究有何意義？46 2.太陽輻射（a）太陽輻射是被動遙感的主要能源（b）太陽輻射光譜的特征 太陽的中心溫度約為1.5*107k, 表面溫度6000k 輻射總功率3.826*1026w 表面輻射出射度6.284*107w.m-2 太陽輻射是連續(xù)光譜 主要能量集中于紅外、可見光和紫外區(qū)三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ)47三、高光譜遙感的電磁輻射基礎(chǔ) 2.太陽輻射480.32.5um波段（主要在可見光和近紅外波段） 地表以反射太陽輻射為主，地球自身的輻射可以