第二章 自由空间中的电磁波

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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
A sin[(t kx) ]
波函数由振幅和相位组成，一般遥感器仅仅记录电磁 波的振幅信息，丢失相位信息。微波遥感中，同时记录了 振幅信息和相位信息。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
1） 不需要传播介质 2） 横 波 3） 波动性 4） 叠加原理 5） 相干性和非相干性 6） 衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像） 7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）
紫外线应用方面如下： 化学：涂料固化，颜料固化，光刻 生物学：紫外线灭菌法，促进植物生长，诱杀蚊虫 仪器分析：矿石，药物，食品分析 应用：人体保健照射，诱杀害虫，油烟氧化，光触酶（二氧化钛）
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
6）X 射线
波长为 0.1 ~ 10 nm，在大气中全部被吸收，不能用于遥 感。
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电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动， 而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普 勒效应。
（合成孔径雷达的工作原理）
虚拟大孔径实现高分辨成像
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自由空间中的电磁波— 课后作业 本节课后作业 1. 2. 3. 4. 5. 电磁波的极化特性以及应用？ 电磁波的干涉特性？ 电磁波干涉的条件是什么？为什么？请用公式理论分 析说明？ 电磁波衍射原理及呈现的对孔径大小与分辨率的特性 分析？ 合成孔径雷达高分辨成像是如何体现多普勒效应的？ 高分辨形成与多普勒效应的关系是什么？（图形解释 和公式说明）
均匀平面波的传输特性
电磁波谱特性
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
电磁波谱中各波段
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
1）无线电波
频率相对较低，波长较长，波长范围从几千km~0.3m。短 波被大气层全部反射，中波长波被电离层吸收，因此无线 电波不能穿透大气层。
红外线的应用事例 遥感技术—在传统航空摄影侦察和航空摄影测绘 中应用广泛。 通信技术--利用荧光灯或发光二极管等发出的肉 眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。
不同光色对应的波长
特别注意：有人说物体的颜色是物体吸收了其它色光，反射了这种颜色的光。这种说法是 不对的。比如黄绿色的树叶，实际只吸收了波长为400 ～435nm 的紫光，显示出的黄绿色 是反射的其它色光的混合效果，而不只反射黄绿色光。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的干涉
在物理学中，干涉是指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在 叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，即 在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布
干涉的数学模型分析？（公式推导） 干涉产生需要满足的条件
电场强度和磁场强度都必须分别具备相同的 振动方向 频率必须相同 路程差不能太大 振幅不能悬殊太大 干涉结果公式表示
微波遥感技术 第一章 自由空间中的电磁波
授课老师：李亚超
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自由空间中的电磁波— 教学内容
电磁波的基本特征
电磁波的极化特性 电磁波的干涉与衍射 微波的多普勒效应
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
任何温度高于绝对零度的物体都会向外界辐射电磁波
红外线的应用事例 夜视仪————探测人体热量，红外线成像 测距仪————以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器 理疗机————使用远红外线的热效应治疗 热寻的导弹——跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
4）可见光
波长为 0.4 ~ 0.7 um，能被人眼直接分辨的电磁波


空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场； 同样，变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种电场和磁场 能量不断地相互转化，就能形成随时间而变化的交变电磁场并以波动 的形式在空间传播。 所谓电磁波，就是以波动形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁 场。电场和磁场总是不可分离地联系在一起的。既不会有与磁场分离 的纯电波，也不会有与电场分离的纯磁波。在自由空间中传播的电磁 波一般是平面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
3）红外线
• • • • 波长 0.76~1000um 根据波长分为： 近红外 0.76~3 um 中红外 3 ~ 6 um 远红外 6 ~ 15 um 超远红外 15~1000 um 能较好的表现其波段内的物体辐射特性，可应用于遥感探 测
无线电波传播途径
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电波传播特性
自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
2）微波
波长0.1~100cm,实际是无线电波的一部分
• • • 毫米波:1mm~10mm 厘米波:1cm~10cm 分米波:1dm~10dm
特点： • 穿透性（云、雾、冰） • 不受气候和昼夜影响 • 能量弱 多用于雷达或其他通信领域
本章未完待续。。。。。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的极化特征

极化：电磁波电场或／和磁场的方向（相对传播方向） 两种方式 固定时间上空间电/磁场的方向分布 空间规定位置上电/磁场方向的变化情况（遥感中常用）
• 线极化 • 圆极化 • 椭圆极化
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征 为了学习更加复杂形式的电磁波，首先对均匀平面波进行了解和学习。 基础知识（麦克斯韦方程）
电磁场量与介质特性量的关系
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征 为了学习更加复杂形式的电磁波，首先对均匀平面波进行了解和学习。 均匀平面波的解（公式推导）
7） 射线
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征 本节课后作业 1. 2. 3. 4. 假设区域无源自由空间，利用麦克斯韦方程求解均匀 平面波的解？ 分析无线电波和微波的差异、特性以及应用情况？ 微波频段中X波段的特性以及应用范围？ 在对人体进行探测时，电磁波的哪几种波段可以被利 用，其原理和特点是什么？特别是微波电磁波的探测 特性和原理。
干涉现象
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干涉示意图
自由空间中的电磁波— 电磁波的衍射
在物理学中，衍射是指波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的 现象，孔隙越小，波长越大，现象越显著 衍射的数学模型分析？（公式推导）
单缝衍射示意图 P点接收结果
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自由空间中的电磁波— 电磁波的多普勒效应
• 正交：互不包含；
水平极化和垂直极化。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的极化特征 极化波的迭加


同极化波的迭加干涉 时谐（正弦）函数的迭加 相同的频率 极化波的迭加（意义） 极化测量只能测量两个正交极化分量； 利用两个正交极化分量推导目标的实际极化特征。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征
5）紫外线
波长为 10~380 nm 具有显著的化学效应和荧光效应； 短波紫外线：简称UVC。是波长200－280nm的紫外光线。 中波紫外线：简称UVB。是波长280－320nm的紫外线。
长波紫外线：简称UVA。是波长320－400nm的紫外线。
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自由空间中的电磁波— 电磁波的基本特征


电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所 有点上电场或磁场的相位或幅度都是相同的（等相面或等幅面）。 波面是一系列相互平行的平面的波。在离点波源较远处，沿波的传播 方向取一局部范围来看，在这范围内的波面都是平行的，这样的波可 近似看成平面波。如射到地面的太阳光波可看成平面波。
自由空间中的电磁波— 电磁波的极化特征 极化的形式数学模型分析（线极化、圆极化和椭圆极化）？（公式推导）
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18 不同形式极化示意图
自由空间中的电磁波— 电磁波的极化特征 极化波的描述



极化方向的定义 在一定的坐标系中定义 坐标系的选择是任意的 极化平面是垂直于传播方向的平面 遥感中的定义： X方向：平行于地球表面（斜入射）； Y 方向：极化平面内与X方向垂直. 极化特性是二维特性 平面内定义； 可以用两个正交基的迭加表示；