《遥感物理3.2 第二节土壤与植被的偏振特性 遥感物理教学课件第三章 土壤和冰雪遥感》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遥感物理3.2 第二节土壤与植被的偏振特性 遥感物理教学课件第三章 土壤和冰雪遥感（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章第三章第三章第三章 土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感遥遥 感感 物物 理理第二节第二节第二节第二节 土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性 3.2.1 3.2.1 偏振根本概念偏振根本概念偏振根本概念偏振根本概念 3.2.2 3.2.2 偏振偏振偏振偏振测测量量量量结结果与分析果与分析果与分析果与分析什么是偏振什么是偏振什么是偏振什么是偏振polarizationpolarization？电磁波是一种横波，电矢量与磁矢量的振动方向与电磁电磁波是一种横波，电矢量与磁矢量的振动方向与电磁电磁波是一种横波，电矢量与磁矢量的振动方
2、向与电磁电磁波是一种横波，电矢量与磁矢量的振动方向与电磁波的传播方向互相垂直，并服从右手定那么。波的传播方向互相垂直，并服从右手定那么。波的传播方向互相垂直，并服从右手定那么。波的传播方向互相垂直，并服从右手定那么。偏振特性就是电矢量在垂直于传输方向的平面内的振动偏振特性就是电矢量在垂直于传输方向的平面内的振动偏振特性就是电矢量在垂直于传输方向的平面内的振动偏振特性就是电矢量在垂直于传输方向的平面内的振动特性。完整地描述电磁波就必须包括对偏振特性的描述。特性。完整地描述电磁波就必须包括对偏振特性的描述。特性。完整地描述电磁波就必须包括对偏振特性的描述。特性。完整地描述电磁波就必须包括对偏振特性
3、的描述。当电磁波与物质相互作用产生反射或散射时，总会导致当电磁波与物质相互作用产生反射或散射时，总会导致当电磁波与物质相互作用产生反射或散射时，总会导致当电磁波与物质相互作用产生反射或散射时，总会导致电磁波的偏振状态的改变。因此了解反射或散射前后偏电磁波的偏振状态的改变。因此了解反射或散射前后偏电磁波的偏振状态的改变。因此了解反射或散射前后偏电磁波的偏振状态的改变。因此了解反射或散射前后偏振状态的改变便可成为了解物质特性的一种手段。振状态的改变便可成为了解物质特性的一种手段。振状态的改变便可成为了解物质特性的一种手段。振状态的改变便可成为了解物质特性的一种手段。1/11什么是右手定那么？什么是
4、右手定那么？什么是右手定那么？什么是右手定那么？电磁波的表达电磁波的表达电磁波的表达电磁波的表达前面提到的遥感中的辐射传输方程根本是根据电磁波的前面提到的遥感中的辐射传输方程根本是根据电磁波的前面提到的遥感中的辐射传输方程根本是根据电磁波的前面提到的遥感中的辐射传输方程根本是根据电磁波的粒子性推导出来的，而描述偏振那么必须用电磁波的波粒子性推导出来的，而描述偏振那么必须用电磁波的波粒子性推导出来的，而描述偏振那么必须用电磁波的波粒子性推导出来的，而描述偏振那么必须用电磁波的波动性来解释。动性来解释。动性来解释。动性来解释。2/11上式的物理意义？强度是多少？上式的物理意义？强度是多少？上式的物
5、理意义？强度是多少？上式的物理意义？强度是多少？ E E0 0E (z, t) = EE (z, t) = E0 0 cos (cos (t - kzt - kz) )其中其中其中其中E (z, t) E (z, t) 为电矢量，为电矢量，为电矢量，为电矢量，E E0 0为振幅，为振幅，为振幅，为振幅，z z为辐射源到观测点为辐射源到观测点为辐射源到观测点为辐射源到观测点的距离，的距离，的距离，的距离，t t为时间为时间， 为电为电磁波的角磁波的角磁波的角磁波的角频频率，率，率，率，k k为为波矢量。波矢量。波矢量。波矢量。波矢量：波矢量：波矢量：波矢量：k = 2k = 2/， 为电磁波波长
6、；为电磁波波长；为电磁波波长；为电磁波波长；角频率：角频率：角频率：角频率： = 2= 2 = = kckc， 为电磁波频率，为电磁波频率，为电磁波频率，为电磁波频率，c c为电磁波速度。为电磁波速度。为电磁波速度。为电磁波速度。3/11电磁波传输过程中，电磁波传输过程中，电磁波传输过程中，电磁波传输过程中，固定在某时间固定在某时间固定在某时间固定在某时间 t t 看：看：看：看： E E0 0固定在某位置固定在某位置固定在某位置固定在某位置 z z 处看，电矢量随着时间推移上下波动，处看，电矢量随着时间推移上下波动，处看，电矢量随着时间推移上下波动，处看，电矢量随着时间推移上下波动，上图的截
7、面表现为：上图的截面表现为：上图的截面表现为：上图的截面表现为：0 0/2/2 3 3/2/22 2 椭圆偏振的方程为：椭圆偏振的方程为：椭圆偏振的方程为：椭圆偏振的方程为：4/11E Ex x (z, t) = E(z, t) = Exm xm cos(cos(t kz+t kz+ x x) )E Ey y (z, t) = E(z, t) = Eym ym cos(cos(t kz+t kz+ y y) )实际上，一束电磁波既包括在实际上，一束电磁波既包括在实际上，一束电磁波既包括在实际上，一束电磁波既包括在X X轴上的波动，也包括在轴上的波动，也包括在轴上的波动，也包括在轴上的波动，也包
8、括在Y Y轴轴轴轴上的波动。即电磁波的波动可以分解为上的波动。即电磁波的波动可以分解为上的波动。即电磁波的波动可以分解为上的波动。即电磁波的波动可以分解为X X分量和分量和分量和分量和Y Y分量：分量：分量：分量：其中其中其中其中 x x、 y y分别为电场分别为电场分别为电场分别为电场X X分量、分量、分量、分量、Y Y分量的初始相位。分量的初始相位。分量的初始相位。分量的初始相位。其综合效果一般表现为其垂直于传输方向的截面为椭圆，其综合效果一般表现为其垂直于传输方向的截面为椭圆，其综合效果一般表现为其垂直于传输方向的截面为椭圆，其综合效果一般表现为其垂直于传输方向的截面为椭圆，即电矢量的端
9、点轨迹为椭圆。即电矢量的端点轨迹为椭圆。即电矢量的端点轨迹为椭圆。即电矢量的端点轨迹为椭圆。X XY Y (E(Exmxm,0),0)(0,E(0,Eymym) )其中其中其中其中 = = y y - - x x强度是多少？强度是多少？强度是多少？强度是多少？5/11当当当当 = m = m(m=0,1,2)(m=0,1,2)时时时时，椭圆椭圆椭圆椭圆偏偏偏偏振振振振简简简简化化化化为线为线为线为线偏振，方程偏振，方程偏振，方程偏振，方程为为为为：当当当当 E Exmxm=E=Eymym，且，且，且，且 = = /2 /2 时时时时，椭圆椭圆椭圆椭圆偏振偏振偏振偏振简简简简化化化化为圆为圆为圆
10、为圆偏振，方程偏振，方程偏振，方程偏振，方程为为为为：继续观察椭圆偏振方程：继续观察椭圆偏振方程：继续观察椭圆偏振方程：继续观察椭圆偏振方程： = /2 = /2，左手；，左手；，左手；，左手； = -/2 = -/2，右手，右手，右手，右手斜率？电矢量如斜率？电矢量如斜率？电矢量如斜率？电矢量如何随时间变化？何随时间变化？何随时间变化？何随时间变化？半径？半径？半径？半径？斯托克斯参数斯托克斯参数斯托克斯参数斯托克斯参数在实际应用中，常用斯托克斯参数来表述电磁波的偏振在实际应用中，常用斯托克斯参数来表述电磁波的偏振在实际应用中，常用斯托克斯参数来表述电磁波的偏振在实际应用中，常用斯托克斯参数
11、来表述电磁波的偏振特性。它与椭圆偏振方程中的特性。它与椭圆偏振方程中的特性。它与椭圆偏振方程中的特性。它与椭圆偏振方程中的 3 3个参数间关系为：个参数间关系为：个参数间关系为：个参数间关系为：6/11我们称我们称我们称我们称I, Q, U, VI, Q, U, V为为为为 4 4个斯托克斯参数，并有：个斯托克斯参数，并有：个斯托克斯参数，并有：个斯托克斯参数，并有：I I2 2 = Q = Q2 2 + U+ U2 2 + V+ V2 2作业：作业：作业：作业：请分别给出线偏振波、圆偏振波、椭圆偏振波的请分别给出线偏振波、圆偏振波、椭圆偏振波的请分别给出线偏振波、圆偏振波、椭圆偏振波的请分别
12、给出线偏振波、圆偏振波、椭圆偏振波的斯托克斯参数数值及关系。斯托克斯参数数值及关系。斯托克斯参数数值及关系。斯托克斯参数数值及关系。7/11混合波的偏振混合波的偏振混合波的偏振混合波的偏振以上分析的电矢量的以上分析的电矢量的以上分析的电矢量的以上分析的电矢量的X X、Y Y两个分量间具有固定的振荡两个分量间具有固定的振荡两个分量间具有固定的振荡两个分量间具有固定的振荡和相位关系，这是一种简单波。实际存在的波大多为多和相位关系，这是一种简单波。实际存在的波大多为多和相位关系，这是一种简单波。实际存在的波大多为多和相位关系，这是一种简单波。实际存在的波大多为多个彼此独立的简单波的混合，要复杂得多。
13、个彼此独立的简单波的混合，要复杂得多。个彼此独立的简单波的混合，要复杂得多。个彼此独立的简单波的混合，要复杂得多。当电矢量端点的轨迹椭圆的取向在任何方向上具有同等当电矢量端点的轨迹椭圆的取向在任何方向上具有同等当电矢量端点的轨迹椭圆的取向在任何方向上具有同等当电矢量端点的轨迹椭圆的取向在任何方向上具有同等概率时，称为自然光；如果在某一方向上占优势，称为概率时，称为自然光；如果在某一方向上占优势，称为概率时，称为自然光；如果在某一方向上占优势，称为概率时，称为自然光；如果在某一方向上占优势，称为局部偏振光。此时斯托克斯参数只能用统计平均值来表局部偏振光。此时斯托克斯参数只能用统计平均值来表局部偏
14、振光。此时斯托克斯参数只能用统计平均值来表局部偏振光。此时斯托克斯参数只能用统计平均值来表达：达：达：达：8/11太阳光通常可以看成自然光太阳光通常可以看成自然光太阳光通常可以看成自然光太阳光通常可以看成自然光遥感器接收的那么为局部偏振光遥感器接收的那么为局部偏振光遥感器接收的那么为局部偏振光遥感器接收的那么为局部偏振光混合波的偏振度混合波的偏振度混合波的偏振度混合波的偏振度自然光：自然光：自然光：自然光：Q=U=V=0Q=U=V=0局部偏振光：局部偏振光：局部偏振光：局部偏振光：QQ、U U、V V均不等于零，均不等于零，均不等于零，均不等于零，I2Q2+U2+V2I2Q2+U2+V2针对混
15、合波，引入偏振度概念：针对混合波，引入偏振度概念：针对混合波，引入偏振度概念：针对混合波，引入偏振度概念：9/11对于简单波如椭圆偏振、线偏振、圆偏振，对于简单波如椭圆偏振、线偏振、圆偏振，对于简单波如椭圆偏振、线偏振、圆偏振，对于简单波如椭圆偏振、线偏振、圆偏振，p=1p=1，因此这一概念无法区分简单波。，因此这一概念无法区分简单波。，因此这一概念无法区分简单波。，因此这一概念无法区分简单波。对于混合波，对于混合波，对于混合波，对于混合波， 自然光：自然光：自然光：自然光：p=0p=0 局部偏振光：局部偏振光：局部偏振光：局部偏振光：0p10p1混合波分解混合波分解混合波分解混合波分解自然光
16、可以分解为两束独立的椭圆偏振光之和；自然光可以分解为两束独立的椭圆偏振光之和；自然光可以分解为两束独立的椭圆偏振光之和；自然光可以分解为两束独立的椭圆偏振光之和；10/11局部偏振光可以分解为一束自然光与一束椭圆偏振光局部偏振光可以分解为一束自然光与一束椭圆偏振光局部偏振光可以分解为一束自然光与一束椭圆偏振光局部偏振光可以分解为一束自然光与一束椭圆偏振光之和。之和。之和。之和。总结总结总结总结研究偏振要考虑电磁波的波动性研究偏振要考虑电磁波的波动性研究偏振要考虑电磁波的波动性研究偏振要考虑电磁波的波动性11/11电磁波波动可以分解为电磁波波动可以分解为电磁波波动可以分解为电磁波波动可以分解为X
17、 X分量和分量和分量和分量和Y Y分量，根分量，根分量，根分量，根据截面形状定义据截面形状定义据截面形状定义据截面形状定义3 3种偏振形态，即：种偏振形态，即：种偏振形态，即：种偏振形态，即： 椭圆偏振、线偏振、圆偏振椭圆偏振、线偏振、圆偏振椭圆偏振、线偏振、圆偏振椭圆偏振、线偏振、圆偏振混合波分为：混合波分为：混合波分为：混合波分为： 自然光自然光自然光自然光偏振度为偏振度为偏振度为偏振度为0 0 局部偏振光局部偏振光局部偏振光局部偏振光偏振度介于偏振度介于偏振度介于偏振度介于0 0和和和和1 1之间之间之间之间斯托克斯参数是用来描述电磁波偏振特性的斯托克斯参数是用来描述电磁波偏振特性的斯托
18、克斯参数是用来描述电磁波偏振特性的斯托克斯参数是用来描述电磁波偏振特性的第三章第三章第三章第三章 土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感土壤和冰雪遥感遥遥 感感 物物 理理第三节第三节第三节第三节 土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性土壤与植被的偏振特性 3.2.1 3.2.1 偏振根本概念偏振根本概念偏振根本概念偏振根本概念 3.2.2 3.2.2 偏振偏振偏振偏振测测量量量量结结果与分析果与分析果与分析果与分析光学遥感数据中的偏振来源光学遥感数据中的偏振来源光学遥感数据中的偏振来源光学遥感数据中的偏振来源回忆对镜面反射的描述，当一束电磁波投向光滑界面并回忆对镜面
19、反射的描述，当一束电磁波投向光滑界面并回忆对镜面反射的描述，当一束电磁波投向光滑界面并回忆对镜面反射的描述，当一束电磁波投向光滑界面并产生镜面反射时，如果入射角为布儒斯特角，那么反射产生镜面反射时，如果入射角为布儒斯特角，那么反射产生镜面反射时，如果入射角为布儒斯特角，那么反射产生镜面反射时，如果入射角为布儒斯特角，那么反射波为线偏振波，折射波为局部偏振波。波为线偏振波，折射波为局部偏振波。波为线偏振波，折射波为局部偏振波。波为线偏振波，折射波为局部偏振波。即使入射角不是布儒斯特角，镜面反射的过程也会产生即使入射角不是布儒斯特角，镜面反射的过程也会产生即使入射角不是布儒斯特角，镜面反射的过程也
20、会产生即使入射角不是布儒斯特角，镜面反射的过程也会产生偏振波。偏振波。偏振波。偏振波。1/3因此地物对太阳光自然光的镜面反射是光学遥感因此地物对太阳光自然光的镜面反射是光学遥感因此地物对太阳光自然光的镜面反射是光学遥感因此地物对太阳光自然光的镜面反射是光学遥感数据中的偏振来源。数据中的偏振来源。数据中的偏振来源。数据中的偏振来源。如果界面为完全粗糙面，由于从界面不同部位的反射如果界面为完全粗糙面，由于从界面不同部位的反射如果界面为完全粗糙面，由于从界面不同部位的反射如果界面为完全粗糙面，由于从界面不同部位的反射波之间没有固定的相位差，反射波总体上也不会表现波之间没有固定的相位差，反射波总体上也
21、不会表现波之间没有固定的相位差，反射波总体上也不会表现波之间没有固定的相位差，反射波总体上也不会表现出偏振现象。出偏振现象。出偏振现象。出偏振现象。裸露土壤反射光的偏振度裸露土壤反射光的偏振度裸露土壤反射光的偏振度裸露土壤反射光的偏振度土壤颗粒尺度越小，土壤外表就越光滑，产生镜面反射土壤颗粒尺度越小，土壤外表就越光滑，产生镜面反射土壤颗粒尺度越小，土壤外表就越光滑，产生镜面反射土壤颗粒尺度越小，土壤外表就越光滑，产生镜面反射可能性就越大，偏振度也越大。可能性就越大，偏振度也越大。可能性就越大，偏振度也越大。可能性就越大，偏振度也越大。土壤含水量大时，液态水充满土壤空隙，土壤外表变得土壤含水量大
22、时，液态水充满土壤空隙，土壤外表变得土壤含水量大时，液态水充满土壤空隙，土壤外表变得土壤含水量大时，液态水充满土壤空隙，土壤外表变得更光滑，偏振度也越高。更光滑，偏振度也越高。更光滑，偏振度也越高。更光滑，偏振度也越高。2/3能否画出示意图？能否画出示意图？能否画出示意图？能否画出示意图？与波长和角度的关系呐？与波长和角度的关系呐？与波长和角度的关系呐？与波长和角度的关系呐？植被冠层反射光的偏振度植被冠层反射光的偏振度植被冠层反射光的偏振度植被冠层反射光的偏振度后向散射光的偏振度很小，前向散射光的偏振度随观测后向散射光的偏振度很小，前向散射光的偏振度随观测后向散射光的偏振度很小，前向散射光的偏振度随观测后向散射光的偏振度很小，前向散射光的偏振度随观测角的增加而增加。角的增加而增加。角的增加而增加。角的增加而增加。偏振度与反射率值成反比关系。偏振度与反射率值成反比关系。偏振度与反射率值成反比关系。偏振度与反射率值成反比关系。3/3解释上述论点解释上述论点解释上述论点解释上述论点本节参考文献本节参考文献本节参考文献本节参考文献徐希孺，遥感物理，北京大学出版社，徐希孺，遥感物理，北京大学出版社，徐希孺，遥感物理，北京大学出版社，徐希孺，遥感物理，北京大学出版社，20052005
