2.1 电磁波与电磁波谱

二、电磁波的产生
电磁波是物质产生并发射的，不同性 质、结构的物质会产生不同波长的电磁波， 尤其是与物质的原子能级、分子能级和固 体能级有直接关系。 电磁波的产生有三种光谱形式：
原子光谱、分子光谱和晶体光谱。
1、原子光谱
原子核外电子的分布遵循最低能量原 理，一般情况下电子处于最低能级，称为 基态，如果外界供应能量，电子就会跃迁 到高能级位置，处于激发态，但激发态极 不稳定，很快就要跳回基态，从激发态跃 迁至基态就会放出光子而发光。
一、电磁波的概念
定义：在真空或物质中通过传播电磁场的振动而 传输电磁能量的波。
（在真空或介质中传播的交变电磁场）
一、电磁波的概念
空间任何变化的电场都将在它的周围产生变化的磁 场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场。
· 变化电场 E
· 变化磁场 H
H
(a) (b)
E
变化电场产生磁场 变化磁场产生电场
电磁辐射因辐射源或观察者相对 于传播介质的移动，而使观察者接受 到的频率发生变化的现象，称为多普 勒效应。
2、粒子性
粒子性的基本特点是能量分布的量子化，光 能的最小单位“光子”具有一定的能量和动量， 能量和动量都是粒子的属性，因此，光子也是一 种基本粒子。 能量： 动量：
E h h
P
夫朗和费单缝衍射
夫朗和费圆孔衍射
1、波动性
衍射的影响：

(1)使电磁辐射通量的数量、质量和方向都
发生变化，结果测量不准确，对目标物
的解译也带来困难。
(2)缩小阴影区域。 (3)影响遥感仪器的分辨能力。
瑞利准则： a）两相邻点光源所形成的像，将是两个圆斑。
b）对于两个等光强的非相干物点，如果一个像斑的中心，恰好落在另 一像斑的边缘(第一暗纹处)，则此两物被认为是刚刚可以分辨。
感成像时，只有雷达成像是如此。
波动性表现出干涉、衍射、偏振等现象。
1、波动性
干涉的影响：
利—利用能量增大的趋势使图像清晰，方向
性强； 弊—造成同一物质所表现的性质不同。 SAR成像时，斑点的产生就是由于电磁波 的干涉引起的。
杨氏实验
？
其它条件相同时，不同色光产生的双缝干涉条纹间距不同， 光的波长越长，干涉条纹的间距越大。
V


h
式中h=6.626×10-27尔格· 秒(6.626×10-34瓦· ，称为普朗克常数。 秒)
2、粒子性
光电效应的应用：
扫描成像、电视摄像等，把光像变成
电子像，把对人眼无作用的电磁辐射变成 人们可以看见的影像。 胶片感光属于光电效应吗？ （光能转化为化学能）
3、波粒二象性的关系
电磁波的波动性与粒子性是对立统一的，E（能 量）、P（动量）是粒子的属性，υ（频率），λ（波 长）是波动的属性，二者通过h联系起来。 将 E=hυ 、P=h /λ 代入波动方程



高频波段，如宇宙射线到大部分紫外线，粒子 性特征明显； 低频波段，如大部分、无线电波，波动性特征 明显； 中间波段的可见光和部分紫外线、红外线，具 有明显的波粒二象性。
目前遥感使用的主要为可见光、红外线和微波。
电子
能量为E1的轨道
能量为E2的轨道 +ΔE
电子轨道
当电子从较高能级 跃迁到较低能级时 形成发射光谱，当 它从较低能级跃迁 到较高能级时，形 成吸收光谱。原子 光谱主要指由于外 层电子跃迁而产生 的紫外线、可见光 和红外线。范围为 0.062～1.24微米。
2、分子光谱
分子由一个以上的原子组成，因而其内部的电子运动更 为复杂，除电子能级跃迁外，还有分子内原子的振动及分子 的转动。不同的振动方式产生不同波长的光子。 分子的能量由三部分组成，即：电子能级的能量Ee，原 子振动的能量Ev，分子转动的能量Er
E H c t x
将第一式对 x 微分，第二式对 t 微分，消去 H 项，得 到电磁波的波动方程：
E
2
t
2

C
2


E
2
x
2
一、电磁波的概念
电磁波的波动方程
2E C 2 2E 2 t x 2
2 y 1 2 y 2 2 x V t 2
可见光
Visible
波长0.4～0.7 μm，源于太 阳辐射。

大气对之有影响（吸收，散 射），大部分地物有良好的反射， 它是主要的RS使用波段，在航空， 航天RS中均可使用。 成像方式：摄影，扫描（多 光谱摄影，成像光谱仪）。
红外线 Infrared
◇ 近红外 0.7～1.3μm ，短波红 外1.3～3μm ，源于太阳辐射。 ◇ 中红外 3～8μm，热红外 8～ 14μm，源于太阳辐射及地物热 辐射。 ◇ 远红外 14μm ～1mm，源于地物 热辐射。 由于胶片感光范围限制，除在 近红外波段可用于摄影成像外， 在其它波段不能用于摄影成像。 但整个红外波段均可用于扫描成 像。
变化的电场和磁场的传播
一、电磁波的概念
定义：在真空或物质中通过传播电磁场的振动而 传输电磁能量的波。
（在真空或介质中传播的交变电磁场） 电磁波是通过电场和磁场之间相互联系和转化 传播的，是物质运动能量的一种特殊传递形式。
一、电磁波的概念
λ
x
电场强度矢量E始终垂直于磁场强度矢 量H，且都垂直于传播方向x，因此电 磁波是一种横波。
微波
Microwave
波长 1mm～1m，人工装置（雷 达）产生。 它的波长长，受大气散射干扰 小，全天候、全天时。 主动方式，在航空，航天RS中 均有应用。其中L波段主要用于洪 水监测和水资源探测；C波段用于 农作物长势监测和估产；P波段对 植被穿透能力很强，用于军事侦查 中的反伪装，能穿透几十米的沙地 和几米的土壤。但该波段受电离层 影响较大，传输过程中振幅、相位 都受到较大影响。
A sin t k x 0
ω = 2 πυ
k = 2π/λ
3、波粒二象性的关系
电磁波的波动性与粒子性是对立统一的，E（能 量）、P（动量）是粒子的属性，υ（频率），λ（波 长）是波动的属性，二者通过h联系起来。 将 E=hυ 、P=h /λ 代入波动方程
2 / A sin E t P x 0 h
与物理学中的波动方程相比
得到电场强度沿方向的传播速度为
v
C

一、电磁波的概念
在真空中
1 C
在真空中电磁波的传播速度为最大。 波长λ，频率υ（单位时间内完成振动 的次数），速度ν之间的关系为：

v

一、电磁波的概念
同样可以证明 H 与 E 有共同的特性。 但目前遥感中记录的是地物电磁波特性中 的 E ，因而仅讨论 E 。
§2.1 电磁波与电磁波谱
一、电磁波的概念 二、电磁波的产生 三、电磁波的基本性质 四、电磁波谱
为什么说遥感的物理基础是电磁波理论？ 遥感整个过程中的每一步都与电磁波 息息相关，表现在：
不同地物电磁波特性不同（表现为不同 颜色，不同温度） 传感器接收的是电磁波 数据传输是电磁波 数据处理的是地物电磁波信息 应用的是地物电磁波特性
E=Ee+Ev+Er
相应的分子光谱也由三部分组成： 电子光谱 0.062～1.24 μm 紫外、可见光、近红外 振动光谱 1.24～24.8 μm 中红外、热红外 转动光谱 24.8μm～1.24 cm 远红外、微波
3、晶体光谱
在晶体中，原子按一定的规则聚集在一起， 在三维空间形成各种晶格，晶格在空间中周期 性重复排列，形成晶体，晶体的形式有14种。 它发射电磁波的机理较之分子更为复杂， 主要的形式有电子能级跃迁和晶格振动，它在 吸收能量后发射的光谱是一个连续的光谱带。 晶体光谱：3～30 μ
一、电磁波的概念
依麦克斯韦电磁场理论：
H C t

E x
E H C t x
μ ：传播介质的相对磁导率（介质导磁能力的常数） ε ：传播介质的相对介电常数（介质导电能力的常数） C ：光速 t，x ：时、空变量
一、电磁波的概念
H E c t x
三、电磁波的基本性质
电磁波也是一种波，它的传递形式也是以 振动形式向前传递的，所以它具有波动性。 同时，它是一种带有能量的波，其能量是 由所谓的一个一个“光子”所携带，光子也是 一种粒子，具有粒子性，即能量的量子化。
1、波动性
单色波的波动性可用波函数来描述
A sin t k x 0
0
光的偏振
自然光
各方向光振动振幅相同的光
传播方向
E
线偏振光
光矢量只沿某一固定方向振动的光
E
部分偏振光
在垂直于光传播方向的平面内沿各方 向振动的光矢量都有，但振幅不对称， 在某一方向振动较强，而与它垂直的 方向上振动较弱。
E
1、波动性
偏振度： P
/
I max I min I max I min
其中：ψ 为波函数
A 为振幅
ω 为角频率（ω = 2π/T ） k 为圆波数（ k = 2π/λ）
t 为时间变量 x 为空间变量 φ0 为初相位。
由上式可知：波函 数是由振幅和相位 两部分组成。对电 磁波来讲，振幅表 示电场振动的强度 ，振幅的平方与电 磁波具有的能量大 小成正比。
1、波动性
一般成像只记录了电磁波的振幅，只有全息 成像时才同时记录振幅和相位。正因为记录了振 幅和相位的全部信息，所以也叫“全息”，在遥


h 0 2
/ 0
该式说明：一束沿x轴方向运动的、能量为E、动量 为P的光子流随着时间而呈周期性变化。
3、波粒二象性的关系
光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现： 从数量上看：少量光子的运动表现出粒子性；大量 光子的运动表现出波动性。 从频率上看：频率高的光子粒子性强，频率低的光 子波动性强。