遥感原理与方法B-第一章(中科院)

电磁波的粒子 电磁波的粒子性 粒子性
普朗克（planck）用模型来说明光电效应， 用模型来说明光电效应，并指出电 磁辐射能量Q 的大小直接与电磁辐射的频率ν 成正比， 成正比， 可表示为： 可表示为：
Q = hν
（h 为普朗克常数， 为普朗克常数，取值为6.626×10-34 焦耳· 秒）
已知 C = νλ
小孔的衍射
遥感中部分光谱仪的分光器件 --- 衍射光栅 等，正是运用多缝衍射原理。 原理。
3）偏振 （Polarization） 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。 偏振是横波中呈现出的一种特殊现象。电磁波是一种 横波， 横波，传播方向确定后其振动方向并不是唯一的,振动方 向可以是垂直于传播方向的任何方向， 向可以是垂直于传播方向的任何方向 ， 它可以是不变 的 ， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 也可以随时间按一定方式变化或按一定规律旋转， 即 出现 偏振现象（微波中称为“极化” ）。
，则可得： 则可得： Q
= hc / λ
可见， 可见，辐射能量 Q 与它的波长λ成反比。即电磁辐 射波长越长,其辐射能量越低， 其辐射能量越低，如地表的微波发射要比 热红外辐射低。 热红外辐射低。
波粒二象性 ---- 小结 1
• 电磁波的波动性，把电磁振动的传播作为光滑连续的波 对待（用波长、 用波长、频率、 频率、振幅等来描述）， 振幅等来描述），其强度（光强度） 光强度） 与振幅、 与振幅、频率、 频率、光照时间等呈正相关； 光照时间等呈正相关； • 电磁波的粒子性，把电磁辐射能分解为非常小的微粒子 （光子） 光子），光电子能量的大小与光的强度、光照的时间无 关,而仅与入射光的频率有关;
电磁波的粒子性是指电磁辐射除了它连续波动状 态外还能以离散形式（密集的光子微粒流）存在。 存在。电 磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动（吸收、 吸收、发 射等） 射等）。 光照射在金属上能激发出电子， 光照射在金属上能激发出电子，称为光电子。这是 ‘ 光电效应’ 。许多光电器件 --- 如光电倍增管、 如光电倍增管、电视摄 象管等， 象管等，正是运用光电效应原理制作的。 正是运用光电效应原理制作的。 大量实验证明， 大量实验证明，光电子的能量与光的强度、 光电子的能量与光的强度、光照的时 间的长短无关， 间的长短无关，而仅与入射光的频率有关。 光电效应现象用电磁波的波动理论是无法解释的。 是无法解释的。
• 一般来说 一般来说， ，波长较长的电磁波（如微波、 如微波、无线电波） 无线电波） 波动性较为突出（多用 Maxwell方程组描述电磁波与 介质的相互作用） 介质的相互作用）；而波长较短的电磁波（如光学领 域）更多地表现为粒子性（多用辐射传输 多用辐射传输方程描述 辐射传输方程描述电
磁波与介质的相互作用） 磁波与介质的相互作用）。
电磁波的波动性
电磁波的叠加合成
两列（ 两列（或多列） 或多列）波在同一空间传播时， 波在同一空间传播时，空间各点的 振动是各列波在该点产生的振动的叠加合成（是矢量
和，而不是代数和）。 而不是代数和）。
1）干涉 （interference） 干涉现象 -- 同振幅、 同振幅、 同频率和固定相位关系的 两列（或多列） 或多列）波（相干波） 的叠加合成而引起振动强 度重新分布的现象。 度重新分布的现象。
λ h 电磁振源 传播方向
第1章
遥感原理
（一）电磁辐射原理
一、基本概念
1、电磁场---电磁波---电磁辐射的概念
2、电磁波的波粒二象性
3、电磁辐射的度量
2、电磁波的 波粒二象性
电磁波在传播及与物质相互作用中，既反映出波动性， 又反映出 粒子性 。 波动性 --- 电磁波以波动 电磁波以波动的形式 波动的形式（光滑连续的波） 光滑连续的波）在 空间传播， 空间传播，可用波长、 可用波长、频率、 频率、振幅等来描述； 振幅等来描述；表现出波 表现出波 的干涉（波的叠加合成）、衍射、 衍射、偏振等现象（ 偏振等现象（波动性 的体现）。 的体现）。 粒子性 --- 电磁辐射能以密集的光子微粒流 电磁辐射能以密集的光子微粒流（离散形 式）有规律的运动， 有规律的运动，如表现出光电效应、 如表现出光电效应、黑体辐射等现 象。
C • 在真空中以光速传播 在真空中以光速传播； ； V = εµ 在介质中稍小于光速传播； 在介质中稍小于光速传播；
ε ≥ 1 µ ≥ 1
• 电磁波具有波粒二象性： 波粒二象性：电磁波在传播过程中， 电磁波在传播过程中，主要表现 为波动性； 为波动性；在与介质相互作用时， 在与介质相互作用时，主要表现为粒子性； 主要表现为粒子性； • 电磁波 可用强度（振幅）、 振幅）、波长（频率）、 频率）、偏振（极化） 极化）程度 三个参量加以描述； 三个参量加以描述； • 电磁辐射能量 可用Φ、M、E、I、L 等特征量来度量； 等特征量来度量；
2）衍射 （diffraction） 波在传播过程中遇到障碍物时， 波在传播过程中遇到障碍物时，障碍物边缘的一部分 波改变传播方向而绕到 而绕到障碍物后面， 障碍物后面，称为 “衍射现象”。
如 光通过小孔， 光通过小孔，在孔的后屏 上出现的不是一个亮点， 上出现的不是一个亮点，而是一 个明暗相间的圆形亮斑； 个明暗相间的圆形亮斑；这是由 于障碍物使波的振幅或相位发生 变化， 变化，导致波在空间上振幅或强 度重新分布的结果。 度重新分布的结果。
光的干涉
干涉现象中， 干涉现象中，在波的交叠区有的地方振幅增加， 在波的交叠区有的地方振幅增加，有的地方 振幅减小， 振幅减小，振动强度在空间出现强弱相间的固定分布，形成 干涉条纹。
干涉滤光片、 干涉滤光片、透镜组、 透镜组、干涉雷达天线等， 干涉雷达天线等，均应用了 波的干涉原理。 波的干涉原理。
《 遥感原理与方法 B》
第一章 遥感原理 中国科学院研究生院 姜小光 2011年 2011年9月14日 14日
主要内容
（一） 电磁辐射原理 一、基本概念 二、电磁辐射定律 （二）
电磁波的传输与相互作用
一、能源—太阳辐射与地球辐射 二、电磁波与大气层的相互作用 三、电磁波与地表的相互作用
第1章
遥感原理
E 电场强度矢量、D 电位移矢量 H 磁场强度矢量、B 磁感应矢量 ρ电荷密度 、 J 电流密度 ε 介电常数 、 μ 磁导率 σ- 电导率（ 电导率（ε≥1、μ≥1）
∇ ⋅ D = 4π ρ ∇⋅B = 0 ∇× E = − ∇× H = 1 ∂B C ∂t
4π 1 ∂D J+ C C ∂t
Maxwell 方程 把电场、 把电场、磁场、 磁场、电荷、 电荷、电流联系起来。 电流联系起来。 Maxwell 方程表达的核心思想是： 方程表达的核心思想是：随时间变化的磁场能激发 电场， 电场，反之， 反之，随时间变化的电场能激发磁场。 随时间变化的电场能激发磁场。
• ‘波’与‘粒子’虽是截然不同的概念， 虽是截然不同的概念，但对于电磁波而言， 但对于电磁波而言，
波动性与粒子性却是对立的统一。 波动性与粒子性却是对立的统一。电磁波的离散与连续现 象往往伴生， 象往往伴生，或在一定条件下可相互转化---“波粒 二象性”；
波粒二象性 ---- 小结 2
• 一般来说 一般来说， ，电磁波在传播过程中， 电磁波在传播过程中，主要表现为波动 性；在与介质相互作用时， 质相互作用时，主要表现为粒子性； 主要表现为粒子性；
RADARSAT- SAR干涉测量
INSAR相干回波的 相位信息可被用于提取 地表的高程信息。 地表的高程信息。
干涉雷达--通过两个侧视 天线同时观测（或一定时
间间隔的两次平行观测) ，
利用天线接收信号的路 径差得到地面目标回波 的相位差信号， 信号，形成干 涉纹图。 1996.9.24 与 1996.10.18
描述电磁波的主要参数
1）波长λ：指波在一个振动周期内传播的距离。 指波在一个振动周期内传播的距离。即沿波的传播方 向，两个相邻的同相位点间的距离。单位为 cm、mm、µm、nm 等。 2）频率ν ：指单位时间内， 指单位时间内，完成振动或振荡的次数或周期。 完成振动或振荡的次数或周期。 单位为 Hz、KHz、MHz、GHz 等。 电磁波的波长λ、频率ν及速度间有如下关系： 及速度间有如下关系：
• 在雷达成像技术中，利用了电磁波的不同极化特性（HH 、 VV、HV、VH)，获取更丰富的遥感信息。 获取更丰富的遥感信息。
不同极化图像
( C 波段 )
雷达系统的不同极化方式， 雷达系统的不同极化方式，影响到回波强度和对不 同方位信息的表现能力，使图像之间产生差异。 使图像之间产生差异。
电磁波的 粒子性
λ h 电磁振源 传播方向
E: 电场、 电场、H: 磁场、 磁场、λ: 波长、 波长、h: 振幅
• 电磁波在反射、折射、吸收、散射过程中，不仅强度变化， 偏振状态也会变化，这与目标的形状及特性密切相关；
垂直极化
• 任一振动方向的电磁 波总可以分解为两个特 定的偏振（ 定的偏振（极化） 极化）方 向； •垂直极化—电磁波的电 场矢量方向垂直于地面。 场矢量方向垂直于地面。 • 水平极化--电场矢量 方向平行于地面； 方向平行于地面；
电磁波在介质中的传播速度 V 为：
V=
C
εµ
ε ≥ 1 µ ≥ 1
C 为光速 3×108 米/秒， ε为介电常数、μ为磁导率。 为磁导率。
• 在真空中 （ε=1、 =1、μ=1） 电磁波以光速传播 V = C ； • 在介质中（ε≥1、μ≥1） 电磁波的传播速度 V ＜C
。
电磁辐射
电磁辐射 是电磁波传递能量的过程， 是电磁波传递能量的过程，是能量的 一种动态形式， 一种动态形式，只有当它与物质相互作用（包括 发射、 发射、吸收、 吸收、反射、 反射、透射） 透射）时，才表现出来。 才表现出来。
电磁波在真空中以光速 中以小于光速传播。 中以小于光速传播。