辐射通量密度
辐射通量密度
[编辑本段]基本概念
通过单位面积的辐射通量，SI单位为瓦／米2。
又称辐照通量密度。符号为E。等于包含有考虑的位点在内的无限小面积元上照射的辐射通量或辐射功率P除以此面积元的面积(dP/dS。当在考虑的面积上的辐射功率为常数时，可简化成：E=P/S)。其SI制单位为W/m2。对于不被靶物及其环境所散射或反射的垂直入射的平行光束而言，它和积分通量功率相当。
单位时间内，单位面积上所接受的辐射能量。通常用瓦·米表示。为辐射气候学和辐射测量学中的一个基本量。在气象学文献中又常被称为辐射强度（radiant intensity），但辐射强度严格地说应为辐射源单位立体角上在单位时间内所发射出的辐射通量。两者有所区别。
[编辑本段]辐射通量密度的峰值
辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比，虚线就是这些峰值的轨迹。维恩位移定律描述辐射能量峰值，随温度升高向较短波长的方向偏移，它表明高温地物发射波长较短的电磁波，如火山喷溢出的熔岩流发射红光；低温地物发射波长较长的电磁波；而介于两者之间的常温地物，如地物在绝对温度为290K时，则发射峰值为10μm波长的红外线。因此，维思位移定律将有助于对所要探测的目标，选择最佳工作波段的传感器。
[编辑本段]具体解析
辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比，该图中虚线就是这些峰值的轨迹。维恩位移定律描述辐射能量峰值，随温度升高向较短波长的方向偏移，它表明高温地物发射波长较短的电磁波，如火山喷溢出的熔岩流发射红光；低温地物发射波长较长的电磁波；而介于两者之间的常温地物，如地物在绝对温度为290K时，则发射峰值为10μm波长的红外线。因此，维思位移定律将有助于对所要探测的目标，选择最佳工作波段的传感器。
（3）地物的发射率和基尔霍夫定律
上述斯蒂芬济尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐射。但是在自然界中黑体辐射是不存在的，我们所见到的是一般地物，而一般地物的辐射要比黑体辐射小。如果利用黑体辐射的有关公式，则需增加一个因子，这个因子就是发射率ε。所谓地物的发射率是指地物单位面积上辐射能量W与同一温度下同面积黑体辐射能量W黑之比值。即
ε＝
一般地物发射率不仅与地面种类、表面状态、温度等有关，而且还与波长有关。因此，按发射率与波长的不同关系，可以把红外辐射源分成三类。
①黑体或绝对黑体，其ελ=ε=1，ε不随波长变化。
②灰体，其ελ=ε=常数＜1（因而吸收率α＜1＝，ε不随波长变化。
③选择性辐射体，其ελ随波长而变化，而且ελ＜1,因而吸收率α也随波长变化，并且α＜1。
表示在同一温度下，每种辐射体发射率的情况。其中黑体的发射率最大（ε＝1）。因此，黑体的光谱分布曲线是各种辐射体曲线的包络线。灰体的发射率是黑体的几分之一，为一个不变的分数，当灰体的发射率越接近于1时，它就越接近于黑体。选择性辐射体的发射率随波长变化，但是不管在那个波长，其发射率值都比黑体发射率小ελ＜1。
在红外遥感系统设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景以及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果发射率ελ在这些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。
基尔霍夫在研究辐射传输过程中发现：在任一给定的温度下，地物单位面积上的辐射通量密度体和吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度W黑。这就是基尔霍夫定律。它可写成如下的数学形式：
基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射是正确的，而且对波长为λ的任何单色波长的辐
射也是正确的。这时基尔霍夫定律可写成：
这个定律的含义是，好的吸收体也是好的发射体。
以下简单地讨论地物的吸收率α和发射率ε之间的关系。
根据基尔霍夫定律，由可知，α=，再根据发射率的定义有ε=，
从这里得出：
ε＝α
同样，对地物辐射的每一单色波长分量也是成立的，即ελ＝α。
公式表明，在一给定的温度下，任何地物的发射率，在数值上等于该温度下的吸收率。该公式还表明地物的吸收率愈大，发射率也愈大。对于不透明地物来说，公式可写成：
ε＝1—ρ
由上述公式可写成：
W=αW黑=εW黑=εσT4
上面公式对于任何地物的红外发射能量都可以采用。该式表明由于红外辐射能量与温度四次方成正比，所以只要地物微小的温度差异，就会引起红外辐射能量较显著变化。这种特征构成红外遥感的理论根据。该公式还表明地物辐射红外能量与它的发射率成正比。
（4）黑体微波辐射
根据普朗克定律，任何地物在一定温度下，不仅向空间发射红外辐射，而且还发射微波辐射。地物的微波辐射基本上和红外辐射相似，符合热辐射定律。但微波是低温状态下地物的重要辐射特性。其特点是地物的温度越低，微波辐射也就越明显。
尽管微波辐射比红外辐射要弱得多，但可以用无线电通讯机经调谐和放大线路来接收。目前，微波辐射在地学等领域正作为有力的探测手段，加速进行研究。
自然界中一般地物的温度在250K—350K左右，辐射的峰值波长λmax在10μm附近。而微波波长比峰值值长大得多，因此在微波区域黑体辐射的微波功率可用瑞利一金斯公式近似代替普朗克公式（因为在波长较长的辐射区，瑞利—金斯公式比较符合实验结果），即
式中，表示黑体单位表面积、单位立体角和单位频率范围内所辐射的微波功率，单位是（瓦／厘米2·球面角·赫）；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，单位是（K）；λ为波长，单位是（微米）。
公式表明黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。而一般地物不是黑体，但它们的辐射功率，与同温度下黑体辐射的微波功率之间有一定的比例关系：
=ε1
式中，ε1为地物在微波波段的发射率。
[编辑本段]基本概念
通过单位面积的辐射通量，SI单位为瓦／米2。
又称辐照通量密度。符号为E。等于包含有考虑的位点在内的无限小面积元上照射的辐射通量或辐射功率P除以此面积元的面积(dP/dS。当在考虑的面积上的辐射功率为常数时，可简化成：E=P/S)。其SI制单位为W/m2。对于不被靶物及其环境所散射或反射的垂直入射的平行光束而言，它和积分通量功率相当。
单位时间内，单位面积上所接受的辐射能量。通常用瓦·米表示。为辐射气候学和辐射测量学中的一个基本量。在气象学文献中又常被称为辐射强度（radiant intensity），但辐射强度严格地说应为辐射源单位立体角上在单位时间内所发射出的辐射通量。两者有所区别。
[编辑本段]辐射通量密度的峰值
辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比，虚线就是这些峰值的轨迹。维恩位移定律描述辐射能量峰值，随温度升高向较短波长的方向偏移，它表明高温地物发射波长较短的电磁波，如火山喷溢出的熔岩流发射红光；低温地物发射波长较长的电磁波；而介于两者之间的常温地物，如地物在绝对温度为290K时，则发射峰值为10μm波长的红外线。因此，维思位移定律将有助于对所要探测的目标，选择最佳工作波段的传感器。
[编辑本段]具体解析
辐射通量密度的峰值波长与绝对温度成反比，该图中虚线就是这些峰值的轨迹。维恩位移定律描述辐射能量峰值，随温度升高向较短波长的方向偏移，它表明高温地物发射波长较短的电磁波，如火山喷溢出的熔岩流发射红光；低温地物发射波长较长的电磁波；而介于两者之间的常温地物，如地物在绝对温度为290K时，则发射峰值为10μm波长的红外线。因此，维思位移定律将有助于对所要探测的目标，选择最佳工作波段的传感器。
（3）地物的发射率和基尔霍夫定律
上述斯蒂芬济尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐射。但是在自然界中黑体辐射是不存在的，我们所见到的是一般地物，而一般地物的辐射要比黑体辐射小。如果利用黑体辐射的有关公式，则需增加一个因子，这个因子就是发射率ε。所谓地物的发射率是指地物单位面积上辐射能量W与同一温度下同面积黑体辐射能量W黑之比值。即
ε＝
一般地物发射率不仅与地面种类、表面状态、温度等有关，而且还与波长有关。因此，按发射率与波长的不同关系，可以把红外辐射源分成三类。
①黑体或绝对黑体，其ελ=ε=1，ε不随波长变化。
②灰体，其ελ=ε=常数＜1（因而吸收率α＜1＝，ε不随波长变化。
③选择性辐射体，其ελ随波长而变化，而且ελ＜1,因而吸收率α也随波长变化，并且α＜1。
表示在同一温度下，每种辐射体发射率的情况。其中黑体的发射率最大（ε＝1）。因此，黑体的光谱分布曲线是各种辐射体曲线的包络线。灰体的发射率是黑体的几分之一，为一个不变的分数，当灰体的发射率越接近于1时，它就越接近于黑体。选择性辐射体的发射率随波长变化，但是不管在那个波长，其发射率值都比黑体发射率小ελ＜1。
在红外遥感系统设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景以及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果发射率ελ在这些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。
基尔霍夫在研究辐射传输过程中发现：在任一给定的温度下，地物单位面积上的辐射通量密度体和吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量密度W黑。这就是基尔霍夫定律。它可写成如下的数学形式：
基尔霍夫定律不但对所有波长的全辐射是正确的，而且对波长为λ的任何单色波长的辐
射也是正确的。这时基尔霍夫定律可写成：
这个定律的含义是，好的吸收体也是好的发射体。
以下简单地讨论地物的吸收率α和发射率ε之间的关系。
根据基尔霍夫定律，由可知，α=，再根据发射率的定义有ε=，
从这里得出：
ε＝α
同样，对地物辐射的每一单色波长分量也是成立的，即ελ＝α。
公式表明，在一给定的温度下，任何地物的发射率，在数值上等于该温度下的吸收率。该公式还表明地物的吸收率愈大，发射率也愈大。对于不透明地物来说，公式可写成：
ε＝1—ρ
由上述公式可写成：
W=αW黑=εW黑=εσT4
上面公式对于任何地物的红外发射能量都可以采用。该式表明由于红外辐射能量与温度四次方成正比，所以只要地物微小的温度差异，就会引起红外辐射能量较显著变化。这种特征构成红外遥感的理论根据。该公式还表明地物辐射红外能量与它的发射率成正比。
（4）黑体微波辐射
根据普朗克定律，任何地物在一定温度下，不仅向空间发射红外辐射，而且还发射微波辐射。地物的微波辐射基本上和红外辐射相似，符合热辐射定律。但微波是低温状态下地物的重要辐射特性。其特点是地物的温度越低，微波辐射也就越明显。
尽管微波辐射比红外辐射要弱得多，但可以用无线电通讯机经调谐和放大线路来接收。目前，微波辐射在地学等领域正作为有力的探测手段，加速进行研究。
自然界中一般地物的温度在250K—350K左右，辐射的峰值波长λmax在10μm附近。而微波波长比峰值值长大得多，因此在微波区域黑体辐射的微波功率可用瑞利一金斯公式近似代替普朗克公式（因为在波长较长的辐射区，瑞利—金斯公式比较符合实验结果），即
式中，表示黑体单位表面积、单位立体角和单位频率范围内所辐射的微波功率，单位是（瓦／厘米2·球面角·赫）；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，单位是（K）；λ为波长，单位是（微米）。
公式表明黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。而一般地物不是黑体，但它们的辐射功率，与同温度下黑体辐射的微波功率之间有一定的比例关系：
=ε1
式中，ε1为地物在微波波段的发射率。
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