bază fizică de teledetecție în domeniul infraroșu termic
Proprietățile radiațiilor termice
In toate obiectele lumii, cu o temperatură peste zero absolut (0 K sau -273 ° C), există o întâmplare particule de substanță de mișcare - molecule. Energia moleculelor în mișcare aleatoare se numește energie cinetică. Când moleculele se ciocnesc, isi schimba starea lor de energie și emit radiații electromagnetice. Această radiație este numită termică.
Fusion apar pe Soare, produce un flux puternic de radiații într-o gamă largă, constând inclusiv lumina vizibilă cu unde scurte. O parte din această radiație unde scurte trece prin atmosferă și este absorbită de suprafața pământului și transformată în energie cinetică a obiectelor terestre, adică le încălzește. Acest lucru, precum și o varietate de făcut-om (producție, utilități) și procese naturale (activitate seismică, procese mineralogenesis) se combină pentru a crea condiții pentru formarea fluxului de facilități naturale de radiații electromagnetice. Astfel, toate obiectele terestre care emit energie termică, pot fi împărțite în două grupe - având o sursă internă de căldură și încălzire sub acțiunea unei radiații solare continuu variabile. Obiectele, caracterizate prin intensitatea radiației termice, semnificativ diferită de intensitatea radiației termice a zonei înconjurătoare din jurul obiectului (ca în cele mai multe, iar partea de jos), numite de obicei anomalii termice. Set de anomalii termice formează o zonă de câmp geotermală.
Radiația electromagnetică emisă de obiecte de diferite temperaturi ale pământului, este în cele mai multe cazuri longwave (până la 1 mm). O parte din această radiație longwave emisă trece prin atmosferă și pot fi fixate prin senzori de căldură în infraroșu (cealaltă parte este reținută în atmosferă). Este această radiație de undă lungă, înregistrate de senzori și furnizează informații privind caracteristicile termice ale suprafeței pământului și obiecte pe ea.
Toate obiectele de pe pământ, valuri naturale sau provocate de om, în infraroșu radia căldură, ceea ce determină posibilitatea teledetecție în intervalul termic. Formația în infraroșu termic amplasat în spatele părții în infraroșu vizibil, în apropierea și de mijloc a spectrului electromagnetic (3-1000 microni). Teledetectarea Pământului din gama de căldură spațiu este înțeles mai restrâns, deoarece atmosfera păstrează cea mai mare parte a radiației, și astfel receptarea radiației termice se efectuează numai în anumite părți ale spectrului, care corespunde ferestrelor de transparență atmosferice (vezi. Fig. 1). gamele utilizate de 3,0-5,0 um și 8,0-14,0 microni.
Fig. 1 ferestre de transparență atmosferice
In intervalul 8,0-14,0 mm stratului de ozon al atmosferei Pământului (O3) absoarbe o cantitate mare de radiație termică, cu o lungime de undă de 9,2 microni la 10,2 microni. date de detecție termică Prin urmare, sistemele de comunicații prin satelit în infraroșu sunt înregistrate numai în intervalele de 8,0-9,2 mm și 10.5-12.5 mm pentru excluderea acestei secțiuni a absorbției undelor electromagnetice. De exemplu, ASTER termică primele trei canale radiometru (10-12) variază de la 8.125 la 9.275 microni, canalele 13 și 14 - de la 10,25 la 11,65 micrometri.
legile fizice
Pentru a explica legile radiației termice în secolul al XIX-lea, a fost introdus conceptul de corp negru. care este înțeleasă ca un model idealizat al corpului radiant. Corpuluinegru (corpuluinegru) absoarbe radiațiile tuturor, toată energia care vine la suprafata, indiferent de lungimea de undă la orice temperatură dorită fără a reflecta nimic. Astfel corpuluinegru poate emite valuri de orice frecvență. Teoria conceptului de radiație corpuluinegru termică utilizată pentru evaluarea comparativă a proprietăților radiative ale corpurilor reale. Una dintre principalele caracteristici care stabilesc relativă relația dintre caracteristicile termice ale corpuluinegru și corpuri reale, și pentru a evalua capacitatea organismului reală de a radia este emisivitate. Emisivitatea - un raport al fluxului de energie emis de un organism în conformitate cu fluxul energetic emis corpul complet negru la aceeași temperatură.
Radiația termică chiar și la aceeași temperatură, este format din „seturi“ de radiatii cu lungimi de undă diferite. Gradul de implicare a diferitelor lungimi de undă în fluxul corpului radiație termică, încălzită la o anumită temperatură este descrisă de ecuația Planck:
în care u - emisivitate corpuluinegru, c - vitezei luminii, λ - lungime de undă, T - temperatura.
Formulată în 1900 de legea lui Planck ia în considerare natura cuantică a luminii de la acest model poate fi afișat și deschide anterior legea Stefan-Boltzmann, Viena, Kirchhoff și colab.
Frecvența fundamentală a radiației emise crește odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, se încălzește la un obiect roșu este mai radiaza lungime de undă lungă parte din porțiunea vizibilă a spectrului, și de ce se pare roșu. Dacă obiectul este încălzit mai puternic, radiația de frecvență fundamentală este deplasată spre porțiunea mijlocie a frecvenței spectrul vizibil radiat dă percepția obiectului încălzit ca alb. Acest model este bine ilustrat de expresie stabilă „este încălzit la o căldură alb.“ Dependența lungimii de undă corespunzătoare radiației maxime, adică frecvența fundamentală a radiației emise, temperatura absolută, este descrisă de legea de deplasare Wien.
Fig. legea de deplasare 2 Wien
Valoarea maximă Fig.2 fiecărei curbe la deplasează la stânga la lungimi de undă mai scurte, cu creșterea temperaturii. Găsirea lungimea de undă dominantă oferă informații valoroase despre gama de părți în infraroșu termic al spectrului care urmează să fie utilizat pentru studiul obiectului necesar. Astfel, pentru incendii în păduri cu o temperatură de aproximativ 800 K, în conformitate cu legea lui Wien, lungimea de undă dominantă este de 3,62 microni, iar apoi cea mai potrivită pentru intervalul de detecție este de 3-5 microni. Dacă suntem interesați în explorarea solului, apei, roca (care temperatura de circa 300 K, cu o lungime de undă predominantă de 9,67 microni), în timp ce cea mai potrivita gama pentru studiu va varia de la 8 la 15 microni.
radiație totală la toate frecvențele care crește foarte rapid cu creșterea temperaturii. Spectrul energetic al radiației emise de către o unitate de suprafață a corpului negru, proporțional cu puterea a patra a temperaturii sale. De exemplu, un obiect având o temperatură de cuptoare de bucătărie (care este de 2 ori mai mare decât temperatura camerei la scală de temperatură absolută - 600 300 K împotriva K) emite de 16 ori mai multă energie pe unitatea de suprafață. Acest model se numește legea Stefan-Boltzmann. P = εσT 4. unde σ - constanta, T - temperatura absolută, ε - emisivitate. Astfel, potrivit legii Stefan-Boltzmann, în diferențele reale ale radiației pământ obiectelor de suprafață asociate cu diferențe în valorile nu numai de temperatură, ci și pe emisivitatea. Prin urmare, atunci când se lucrează cu date de teledetecție în domeniul infraroșu termic, nu vorbim despre temperatura, dar căldura (cel puțin - radiații) contraste.
Raportul dintre absorbanța și emisivitatea obiectului este descris de legea lui Kirchhoff. G.Kirhgof a demonstrat că raportul dintre emisivitatea și absorbanța corpului nu depinde de natura și pentru toate organismele este aceeași funcție a frecvenței (lungime de undă) a radiației și a temperaturii: în conformitate cu legea lui Kirchhoff corpului radiații, care absoarbe puternic la această temperatură, ar trebui intensitatea emise.
Proprietățile radiative ale obiectelor terestre
Foarte important parametru luat în considerare pentru studiul la distanță a suprafeței, este emisivitatea obiectului s. Obiectele lumii înconjurătoare - roci, sol, plante, apă, etc. - au anumite proprietăți care definesc diferite grade de intensitate a radiației de obiecte diferite, la aceeași temperatură. Aceste diferențe stau la baza conceptului de emisivitate. Diferențele în emisivitatea obiectului cauza imposibilității de a detecta în mod direct temperatura imaginilor termice ale obiectelor. Dacă ne întoarcem la legea Stefan-Boltzmann, observăm că intensitatea radiației termice, afișată pe imaginile în infraroșu termic (valoarea P în formula), în legătură cu temperatura cu o constantă (determinată de legea lui Planck de radiații) și în ceea ce privește emisivității care, în general, nu se cunoaște.
Astfel, cei doi obiecta suprafața pământului poate avea exact aceeași temperatură cinetică, dar caracterizate prin rate diferite ale radiației termice, fixate prin teledetecție, din cauza diferențelor de valori ale emisivitate. Emisivitatea obiectelor definite de imagini, poate depinde de un set special de factori legate atât de proprietățile obiectelor, și caracteristici pentru a obține date:
Culoare. Obiectele care au o culoare mai închisă, mai bine absorbi și emite energie electromagnetică (adică, acestea sunt caracterizate printr-o emisivitate mai mare) decât de obiecte mai ușoare, care reflectă cel mai de intrare pe energia lor de suprafață.
Rugozitatea suprafeței. Cea mai mare rugozitatea suprafeței obiectului este comparată cu lungimea incidentului de undă pe ea, cu atât mai mare potențial pentru o anumită absorbție a energiei de suprafață și radiație.
Material Spressovanoy. Emisivitatea solului, de exemplu, depinde de gradul spressovanoy (conglomerația): mai multe materiale friabile au o acumulare de căldură capacitate mai mică.
acoperire spațială și permisiunea de filmare. Emisivitatea obiectelor mai mici și care constă din aceste obiecte mai mari atunci când fotografiați cu rezoluții diferite variază. De exemplu, emisivitatea o singură foaie, măsurată cu un radiometru termică de înaltă rezoluție, va fi diferit decât întreaga coroana arborelui, radiometre vizibile folosind rezoluție mai mică. Această proprietate este luată în considerare atunci când fotografiați, nu numai în intervalul termic, dar, de asemenea, în domeniul vizibil și infraroșu apropiat.
Lungimea de undă. Emisivitatea radiației depinde de lungimea de undă a obiectului. Alte obiecte emit mai multe lungimi de undă diferite. Diferențele în emisivitatea spectrală a obiectului în domeniul infraroșu termic este folosit pentru a le împărți în imagini multispectrale.
unghiul de vizualizare. Emisivitatea unui obiect poate varia în funcție de unghiul la care fixează senzorul.
Emisivitatea corpuluinegru perfect, luat ca unitate, și pentru toate obiectele reale se afla într-un interval cuprins între 0 și 1. valori deosebit de scăzute de sticlă emisivitate și metale diferite, ceea ce conduce la apariția imaginilor în intervalul termic caracteristica în infraroșu de pete întunecate pe localizarea clădirilor și structuri cu sticlă sau acoperișuri din metal lustruit.
Emisivitatea unor materiale este prezentată în tabel.