遥感原理与方法B-第一章(中科院)

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。
• ‘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；
，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;
* 电磁场具有能量
电磁波
电磁振源发出的电磁振荡ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ空间的传播，就是 电磁波。 电磁波。 电磁波是一种 伴随变化的电场和 磁场的横波，其传 播方向与交变的电 场、磁场三者互相 垂直。 垂直。
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
* 电磁振荡会产生不同波长 电磁振荡会产生不同波长、 频率和能量的电磁波。 产生不同波长、频率和能量的电磁波。
麦克斯韦方程组与辐射传输方程是不矛盾的， 麦克斯韦方程组与辐射传输方程是不矛盾的，只是形式和 求解方法有所区别， 求解方法有所区别，两者可以相互转换。 两者可以相互转换。
电磁波的特性总结（1）
• 电磁波是横波 （电磁波振动的电矢量E 和 磁矢量H 都与 传播方向垂直， 传播方向垂直，即三者互相垂直）； 即三者互相垂直）； • 电磁场具有能量 电磁场具有能量， ，电磁波携带能量（ 电磁波携带能量（辐射能） 辐射能）传播； 传播；
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。
（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
电磁场
假设在空间某处有一个电磁振源（电磁辐射源） 电磁辐射源）， 则在它的周围便有交变的电流或电场(它是由变速运动 的带电粒子引起的)。这一交变电场周围将激发起交变 的磁场 （ 它是由强弱变化的电流引起的） 它是由强弱变化的电流引起的 ） ， 而交变磁场 周围又激起交变电场 ……。 这种变化的电场和磁场 相互激发交替产生， 相互激发交替产生，形成 电磁场。 电磁场。
• 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
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。
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。
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；
《 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
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。
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。
C = νλ
传播，在介质 C = 2.998 × 10 8 米/秒（m s-1 ）传播，
一般用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。 一般用波长或频率来描述或定义电磁波谱的范围。 波数 ν ：被定义为在波的传播方向单位长度内所含波长的数目， 被定义为在波的传播方向单位长度内所含波长的数目， 即波长的倒数（1/λ），单位为 cm-1。 3）振幅 h ：表示电场振动的强度。 表示电场振动的强度。 它指振动物理量偏离平衡位置的 最大位移， 最大位移，即每个波峰的高度。 即每个波峰的高度。
• 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）。
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：
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。
电磁波的传输及电磁现象的基本规律， 电磁现象的基本规律，可以通 过麦克斯韦（Maxwell）方程式来推导和描述。
麦克斯韦方程
—— 电磁现象基本规律的数学表达式 对线性各向同性介质， 对线性各向同性介质，基本 物理量之间的关系为： 物理量之间的关系为： D =εE
、 B =μH 、 J =σE
Maxwell 方程的 微分形式为： 微分形式为：
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” ）。
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。
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
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
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；