2.3 吸收反射透射机制¶

光照射到物质时，其能量在三种作用之间分配：吸收（Absorption）、反射（Reflection）、透射（Transmission）。三者之和等于入射能量，遵循能量守恒：

$$A + R + T = 1$$

其中 $A$、$R$、$T$ 分别为吸收率、反射率和透射率（无量纲，0–1）。不同物质在不同波长下这三个量的比例差异极大，正是这种差异构成了光谱探测与成像的信息来源。

一、吸收机制¶

吸收是光子能量转移给物质内部的过程：

对于均匀吸收介质（见 2.2 光谱学基础），透射光强随光程指数衰减：

$$I(l) = I_0 \cdot e^{-\alpha l}$$

吸收系数 $\alpha$（单位 cm⁻¹）是材料在特定波长下的固有属性。$\alpha$ 大则吸收强，材料在该波长"不透明"。

光学材料选型：镜头、窗口片必须在工作波段内吸收率极低（高透过率）。例如硅在可见光透明，但在 1.2 μm 以上不透明；ZnSe 在 0.6–20 μm 宽谱透明，常用于红外窗口。
气体检测：CO₂ 在 4.26 μm、CH₄ 在 3.3 μm 有强吸收峰，NDIR 气体传感器正是利用此原理。
大气吸收：水蒸气和 CO₂ 的吸收带决定了遥感系统的可用波段（大气窗口，详见 2.1 电磁波谱）。

光滑界面（表面粗糙度远小于波长）的反射，遵循反射定律（入射角等于反射角）。反射率由菲涅尔方程决定，对于垂直入射：

$$R = \left(\frac{n_2 - n_1}{n_2 + n_1}\right)^2$$

折射率差越大，反射越强。例如玻璃（$n \approx 1.5$）在空气中单面反射率约 4%，金属（$n$ 为复数，虚部大）反射率可超过 95%。

工程关联：光学元件多面反射会积累损耗，增透膜（见 5.3 光学镀膜原理）通过薄膜干涉将单面反射率降至 0.1% 以下。

粗糙表面将入射光向各方向散射，朗伯体（Lambertian Surface）是理想漫反射模型——各方向亮度相同。大多数自然地物（土壤、植被、岩石）近似为朗伯体。

工程关联：遥感成像的信号来源是目标的漫反射辐亮度，朗伯假设是大气校正和反射率反演的基础。

真实表面介于镜面和漫反射之间，用 BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）精确描述在不同入射和观测角度下的反射特性：

$$f_r(\theta_i, \phi_i; \theta_r, \phi_r) = \frac{dL_r}{dE_i}$$

BRDF 是高精度遥感定量反演和计算机图形渲染的共同基础。

光穿过介质时，一部分被吸收，其余透过。透射率与吸收系数和厚度的关系：

$$T = e^{-\alpha l}$$

对于有界面的实际光学元件，还需考虑两个界面的菲涅尔反射损耗：

$$T_{实际} = (1-R_1)(1-R_2) \cdot e^{-\alpha l}$$

常见红外透射材料透过范围：

实际目标的光谱响应由 $A + R + T = 1$ 约束，不同物质的三者分配因波长而异，形成独特的光谱曲线：

植被叶片： - 可见光（400–700 nm）：叶绿素强吸收，反射率低（约 5–10%） - 近红外（700–1300 nm）：叶肉结构强散射，反射率高（约 40–50%）——红边特征 - 短波红外（1400–2500 nm）：水分吸收，反射率降低

裸土： - 整体反射率随波长平缓增加，无明显吸收特征，含水量增加使反射率降低

水体： - 可见光蓝绿波段有一定透射和反射 - 近红外几乎完全吸收（强吸收体），反射率接近零

这些差异使多光谱和高光谱系统能区分不同地物类型（详见 2.4 光谱特征与表达）。

Hapke, Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy (2nd Edition), Cambridge
Wolfe, Introduction to Radiometry, SPIE Press
USGS Spectral Library: https://www.usgs.gov/labs/spectroscopy-lab/science/spectral-library

2026-03-03