隨著家用電器的普及、通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，的確給人們生活帶來(lái)了極大的便利，人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，但隨之帶來(lái)的電磁輻射污染也日趨嚴(yán)重，正逐漸成為水污染、大氣污染、噪聲污染之后的第四大污染．由于電磁輻射無(wú)色、無(wú)味、看不見(jiàn)、摸不著，人們無(wú)法通過(guò)感覺(jué)器官覺(jué)察這種隱形污染，研究已經(jīng)證實(shí)，超過(guò)一定程度和一定時(shí)間的電磁輻射會(huì)對(duì)人們產(chǎn)生不同程度的影響。

　　電磁輻射傳感器是由四個(gè)基本部件組成：

　　1、收集器:負(fù)責(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,如透鏡組,反射 鏡組, 天線(xiàn)等.

　　2、探測(cè)器:主要功能是將收集到的電磁輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能或電能.具體 的元器件主要有感 光膠片,光電管,光敏和熱敏探測(cè)元件,共振腔諧振器等.

　　3、處理器:對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行各種處理,如顯影,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置.

　　4、輸出器:輸出信息的裝置.輸出器類(lèi)型主要有掃描曬像儀,陰極射線(xiàn)管,電視顯像管, 磁帶記錄儀,XY彩色噴筆記錄儀等。

　　(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過(guò)程——反射、吸收、透射。

　　應(yīng)用能量守恒原理，我們可將三者關(guān)系描述如下：

　　E_I(λ)＝E_R(λ)＋E_A(λ)十E_t(λ)

　　式中，E_I為入射能量，E_R為反射能，E_A為吸收能，E_t為透射能，它們均是波長(zhǎng)的函數(shù)。這里能量反射R、吸收A、透射t的比例，及每個(gè)過(guò)程的性質(zhì)對(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)與狀態(tài)，如物質(zhì)組成、幾何特征、光照角度等；另一方面依賴(lài)于波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)表現(xiàn)出不同特點(diǎn)的相互作用過(guò)程。

　　● 幾個(gè)重要的輻射度量概念

　　a.立體角（Solid angle)：立體角是輻射通量定量測(cè)量的一個(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的平方之比，表示為：Ω=s/r²。立體角的單位用球面度（Steradian，簡(jiǎn)寫(xiě)為Sr）表示，面積為4πr²的球，其立體角為4π球面度。

　　b.輻射能W：電磁輻射所攜帶（或傳遞）的能量，它表示在給定的時(shí)間間隔內(nèi)由輻射源輻射出的全部能量。輻射能的單位是焦?fàn)枺ǚ��?hào)J）。

　　c.輻射通量Φ：輻射能傳遞的時(shí)間速率，是單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的能量。常用單位是瓦（符號(hào)W）。表示為： Φ=dΩ /dt。大多數(shù)傳感器響應(yīng)的是輻射能傳遞的時(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.輻射強(qiáng)度（Radiant intensity）I ：輻射源每單位立體角所發(fā)出的輻射通量密度，單位為瓦?球面度-1（W ·Sr-1)。表示為 ： I=dΦ/dΩ輻射強(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強(qiáng)度。L具有方向性，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，單位是瓦/米²·球面度（W/m²·Sr）。表示為 L(θ)=d2Φ/dΩ(dAcos θ)。通常情況下，面元的L(θ)隨觀(guān)測(cè)的角度θ而改變。當(dāng)某一輻射源的L(θ)與θ無(wú)關(guān)時(shí)，這種輻射源被稱(chēng)為朗伯（Lambert）源。嚴(yán)格地說(shuō)，只有黑體（Black body）才是朗伯源。

　　1) 反射（reflection）

　　當(dāng)電磁輻射能到達(dá)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，入射能量的一部分或全部返回原介質(zhì)的現(xiàn)象，稱(chēng)之為反射。反射的特征可以通過(guò)反射率表示，它是波長(zhǎng)的函數(shù)，故稱(chēng)為光譜反射率r(λ) 。光譜反射率r(λ) 被定義為：

　　r(λ)以百分?jǐn)?shù)表示，其值在0－1之間。

　　以太陽(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率。物體的光譜反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為光譜反射率曲線(xiàn)，它的形狀反映了地物的波譜特征。反射率不僅是波長(zhǎng)的函數(shù)，同時(shí)也是入射角，物體的電學(xué)性質(zhì)(電導(dǎo)、介電、磁學(xué)性質(zhì)等)以及表面粗糙度、質(zhì)地等的函數(shù)。因此，對(duì)于遙感應(yīng)用而言，任何物體的反射性質(zhì)，最能揭示目標(biāo)的本質(zhì)，并最為有用。

　　物體對(duì)電磁波的反射有三種形式：

　　a)鏡面反射(Specular reflection)

　　當(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)于入射波長(zhǎng)是光滑的，則出現(xiàn)鏡面反射．對(duì)可見(jiàn)光而言，在鏡面、光滑金屬表面、平靜水體表面均可發(fā)生鏡面反射；而對(duì)微波而言，由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，故馬路面也符合鏡面反射規(guī)律。

　　b)漫反射(diffuse reflection)

　　當(dāng)入射能量在所有方向均勻反射，即入射能量以入射點(diǎn)為中心，在整個(gè)半球空間內(nèi)向四周各向同性的反射能量的現(xiàn)象，稱(chēng)為漫反射。

　　一個(gè)完全的漫射體稱(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)于入射波長(zhǎng)是粗糙的，即當(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)，則表面發(fā)生漫反射。如對(duì)可見(jiàn)光而言，土石路面、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(顏色或亮度)。因而在遙感領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

　　c)方向反射(Directional reflection)

　　朗伯體表面實(shí)際上是一個(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)上，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明電磁輻射與地表相互作用表現(xiàn)出明顯的方向性特征。自然界大多數(shù)地表既不完全是粗糙朗伯表面，也不完全是光滑的“鏡面”，而是介于兩者之間的非朗伯表面。其反射并非各向同性，而具有明顯的方向性，即方向反射。鏡面反射也可認(rèn)為是方向反射的一個(gè)特例。

　　2) 吸收

　　3) 透射(Transmission)

　　當(dāng)電磁波入射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，部份入射能穿越兩介質(zhì)的分界面的現(xiàn)象。稱(chēng)為透射。透射的能量穿越介質(zhì)時(shí)，往往部分被介質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)換成熱能再發(fā)射。

　　介質(zhì)透射能量的能力，用透射率τ來(lái)表示。它被定義為透過(guò)物體的電磁波強(qiáng)度(透射能)與入射能量之比。對(duì)同一物體，透射率是波長(zhǎng)的函數(shù)。對(duì)于攝影遙感系統(tǒng)，膠片和濾光片的透射率是個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。自然界中，人們最熟悉的是水體的透射能力。這是因?yàn)槿藗兛梢灾苯佑^(guān)察到可見(jiàn)光譜段輻射能的透射現(xiàn)象。然而，可見(jiàn)光以外的透射，雖人眼看不見(jiàn)，但它是客觀(guān)存在的，如植物葉子，對(duì)于可見(jiàn)光輻射是不透明的，但它能透射一定量的紅外輻射。

　�。�2）電磁輻射的發(fā)射

　　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。太陽(yáng)光相應(yīng)于T－6000K時(shí)的輻射。

　　灼熱物體的光譜成分與溫度的關(guān)系

　　對(duì)于熱輻射能，一般從三個(gè)方面研究：輻射源在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的輻射能；輻射能在輻射波譜中的分布；輻射源所發(fā)射的輻射能的峰值波長(zhǎng)。這三個(gè)方面的特征，既取決于物體的溫度，也與物體本身的性質(zhì)（物體的表面特征、物體的內(nèi)部組成）有關(guān)。

　　2) 黑體輻射

　　● 黑體的基本概念

　　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，同時(shí)在一切溫度下發(fā)射的輻射。自然界中并不存在這種的黑體。基爾霍夫1860年在研究真實(shí)物體的輻射時(shí)，引入一個(gè)理想物體的概念。由于黑體輻射不考慮目標(biāo)性質(zhì)只考慮目標(biāo)溫度，因此它就避開(kāi)了具體物體而使問(wèn)題簡(jiǎn)單化。在長(zhǎng)波輻射研究中，常用黑體來(lái)討論問(wèn)題，并將其作為評(píng)價(jià)真實(shí)物體熱輻射的一個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　● 黑體輻射的基本定律

　　a) 普朗克(p1anck)定律

　　1900年普朗克用量子理論推導(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。

　　這一公式對(duì)遙感理論的重要意義在于它的普遍適用性，可以推導(dǎo)出以下的已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明的黑體輻射公式。

　　b) 斯忒潘－玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann)定律

　　整個(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對(duì)波長(zhǎng)λ做0到無(wú)窮大的積分，即  ，用普朗克公式對(duì)波長(zhǎng)積分便導(dǎo)出斯忒潘－玻爾茲曼定律，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－玻爾茲曼常數(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個(gè)側(cè)面的深入和補(bǔ)充。定量地說(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化。紅外遙感主要就是靠目標(biāo)物的這種溫度差異，利用紅外探測(cè)儀器可測(cè)出0.01 ℃的變化。

　　c) 維恩（Wein）位移定律

　　微分普朗克公式，求出值，就得到維恩位移定律的表達(dá)式：

　　λmax為光譜輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)；c是常數(shù)，c=2897.8±0.4μm`K；T為溫度。

　　維恩定律表明：一個(gè)黑體的峰值輻射波長(zhǎng)與它的溫度成反比。即隨著溫度的增加，其峰值輻射波長(zhǎng)λmax向短波方向移動(dòng)。

　　從下圖中可以看出，黑體溫度越高，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。如溫度為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長(zhǎng)為9.7微米；又如，太陽(yáng)表面溫度約為6000K，其輻射通量密度的峰值波長(zhǎng)為0.48微米，為可見(jiàn)光的綠光波段。前者表現(xiàn)為熱；后者表現(xiàn)為光。如果輻射值落在可見(jiàn)光波段，物體的顏色會(huì)隨著溫度的升高而變化。波長(zhǎng)遠(yuǎn)漸變短，顏色由紅外到紅色再逐漸變藍(lán)變紫。在遙感技術(shù)上，常用這種方法選擇遙感器和確定對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行熱紅外遙感的波段。

　　不同溫度的黑體輻射曲線(xiàn)

　　d) 基爾霍夫（Kirchhof）定律

　　在一給定溫度下，輻射通量密度和吸收率之比，對(duì)任何材料都是一個(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)明，好的吸收體也是好的發(fā)射體，即表明凡是吸收熱輻射能力強(qiáng)的物體，它們的熱發(fā)射能力也強(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） 實(shí)際物體的輻射

　　物體的發(fā)射本領(lǐng)即比輻射率或發(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的比值。

　　發(fā)射本領(lǐng)是物體性質(zhì)的函數(shù)。為使用上的方便，引入光譜發(fā)射本領(lǐng)e(λ)的概念。

　　Mλ為真實(shí)物體的光譜出射率，Mλ為黑體的光譜出射率，對(duì)于大多數(shù)常見(jiàn)物體，在地面環(huán)境溫度范圍內(nèi)，光譜發(fā)射本領(lǐng)幾乎與溫度無(wú)關(guān)。

　　根據(jù)光譜發(fā)射本領(lǐng)的變化規(guī)律，輻射源可以分為三種類(lèi)型：

　　黑體： e (λ )= ε = 1；

　　灰體： ε為常數(shù)，其值介于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時(shí)，為白體。

　　三類(lèi)發(fā)射體的發(fā)射本領(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。因此，黑體的光譜分布曲線(xiàn)是各種輻射源光譜分布曲線(xiàn)的包絡(luò)線(xiàn)。灰體的發(fā)射本領(lǐng)是黑體的一個(gè)不變的分?jǐn)?shù)。人、大地和空間背景等都可視為灰體。為了便于計(jì)算，選擇性輻射體在有限的光譜區(qū)間內(nèi)也可看成是灰體。

　　根據(jù)能量守恒原則，物體的發(fā)射率大，反射率就小；物體的發(fā)射率小，反射率必然大。這兩個(gè)參數(shù)不僅是溫度和波長(zhǎng)的函數(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者，吸收強(qiáng)，而發(fā)射率高、反射率低；物體表面比較光滑或顏色較亮者，吸收弱，而發(fā)射率低，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測(cè)儀，不僅以數(shù)字和模擬兩種方式實(shí)時(shí)顯示電磁輻射值，還具有語(yǔ)音播報(bào)功能，其原理框圖見(jiàn)圖1．

　　圈1 電磁輻射檢儀原理框圈

　　傳感器原理與結(jié)構(gòu)

　　首先由自行設(shè)計(jì)的天線(xiàn)陣把電磁輻射信號(hào)接收下來(lái)，然后由點(diǎn)接觸型二極管完成檢波，再經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)、放大電路變成電壓信號(hào)，其傳感器組成原理框圖見(jiàn)圖

　　圈2 傳感器原理框圖