物理学与信息科学

1、 第八章第八章物理学与信息科学物理学与信息科学2011-11-07人类活动依赖于各种信息的获取与传播人类活动依赖于各种信息的获取与传播美国画家墨尔斯美国画家墨尔斯12年努力实现有线电报通讯。年努力实现有线电报通讯。美国人贝尔发明了电话，开始了有线通讯时代。美国人贝尔发明了电话，开始了有线通讯时代。英国物理学家英国物理学家Maxwell完成了总结电磁现象的理论完成了总结电磁现象的理论-麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在。麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在。马可尼（意大利）及波波夫（俄罗斯）分别实现了马可尼（意大利）及波波夫（俄罗斯）分别实现了无线电通讯。无线电通讯。静电场静电场磁场磁场电磁感应电

2、磁感应Maxwell方程组方程组电磁波电磁波通讯通讯便捷？便捷？ 可靠？可靠？ 成本？成本？ 频道资源？频道资源？ 传输容量？传输容量？1960年，世界上第一台激光器诞生年，世界上第一台激光器诞生 特点：光强，单色性，方向性好特点：光强，单色性，方向性好 可作为理想的信息载体可作为理想的信息载体 构建构建“信息高速公路信息高速公路”，开始光通讯时代，开始光通讯时代光纤通信光纤通信光通讯光通讯电通讯电通讯比传统无线电通讯具有更大的比传统无线电通讯具有更大的 优势：优势：容量大，损耗小，容量大，损耗小， 成本低，保密性好成本低，保密性好共存，互补共存，互补2009年诺贝尔物理奖获得者年诺贝尔物理奖

3、获得者高昆高昆现在使用的各类信息传输方式现在使用的各类信息传输方式传输方式：传输方式：有线：电话，电视，电缆，光缆，网络有线：电话，电视，电缆，光缆，网络无线：广播，电视，移动通信，无线网络，微波中无线：广播，电视，移动通信，无线网络，微波中继，短波通讯，卫星通讯，红外（蓝牙），导继，短波通讯，卫星通讯，红外（蓝牙），导航，制导，航天航，制导，航天信号形式：信号形式：模拟信号：广播，电视，电话模拟信号：广播，电视，电话数字信号：因特网，高清电视，手机，卫星通讯数字信号：因特网，高清电视，手机，卫星通讯固定，移动，计算机控制：固定，移动，计算机控制：这些都与物理学从这些都与物理学从19-21世纪

4、的基础研究和应用技术的进世纪的基础研究和应用技术的进步密切相关，我们都从中受益。步密切相关，我们都从中受益。一一. 激光及激光的产生激光及激光的产生激光激光受激辐射光放大受激辐射光放大 当电子吸收光子能量正好等于上下能级差当电子吸收光子能量正好等于上下能级差时，会从低能级跃迁到高能级时，会从低能级跃迁到高能级- 自发吸收自发吸收 当电子从高能级跃迁到低能级时，会将多当电子从高能级跃迁到低能级时，会将多余能量以光子形式释放出来余能量以光子形式释放出来- 自发辐射自发辐射 爱因斯坦提出：一定存在一种光子被吸收爱因斯坦提出：一定存在一种光子被吸收过程的过程的 逆过程，大量处于高能级的电子会逆过程，大

5、量处于高能级的电子会由于光子的激发跃迁到低能级并发射光子由于光子的激发跃迁到低能级并发射光子- 受激辐射（发射的光子特性相同）受激辐射（发射的光子特性相同）二二. 激光的种类和应用激光的种类和应用激光的种类：激光的种类：固体激光器，气体激光器，半导体激光器，染料激光器固体激光器，气体激光器，半导体激光器，染料激光器激光的应用激光的应用高强度，方向性，单色性高强度，方向性，单色性 光学研究新发展光学研究新发展精密光谱学，激光冷却，非线性光学，精密光谱学，激光冷却，非线性光学，全息成像，全息成像， 在工业中应用在工业中应用切割，打孔，焊接，准直，测量切割，打孔，焊接，准直，测量 在医学中应用在医学

6、中应用外科手术，针灸，激光治疗，化验检测外科手术，针灸，激光治疗，化验检测 在军事上应用在军事上应用激光雷达，激光武器，激光制导，信息传激光雷达，激光武器，激光制导，信息传递递 在农业和生物学中的应用在农业和生物学中的应用育种，食品处理，检测育种，食品处理，检测 在通讯上应用在通讯上应用光通讯光通讯 光纤通讯原理光纤通讯原理光信号在光纤中全反射传输光信号在光纤中全反射传输 光纤网络传输与信息高速公路的构建光纤网络传输与信息高速公路的构建70年代发展起来的数字信号通讯技术将原始信号转换年代发展起来的数字信号通讯技术将原始信号转换成数字信号进行传输（以二进制代码替代模拟信号）成数字信号进行传输（以

7、二进制代码替代模拟信号）有利于信息长距离高质量传输、再生，处理、存储、有利于信息长距离高质量传输、再生，处理、存储、显示、合成、模式识别与保密，可提供宽带综合业务显示、合成、模式识别与保密，可提供宽带综合业务数字网数字网通信卫星通信卫星+光纤光缆光纤光缆+微波中继微波中继+计算机计算机+移动通信移动通信+数字信号技术数字信号技术实现计算机与通信结合，计算机控制与实现计算机与通信结合，计算机控制与处理信息，传统的模拟信号通讯模式逐处理信息，传统的模拟信号通讯模式逐渐退出渐退出三三. 激光与信息高速公路激光与信息高速公路 随着随着InternetInternet的迅速普及宽带综合业务数字网的迅速普

8、及宽带综合业务数字网(B-ISDN)(B-ISDN)的快速发展，人们对信息的需求呈现爆的快速发展，人们对信息的需求呈现爆炸性的增长（每半年翻一番）。光纤通信技术作炸性的增长（每半年翻一番）。光纤通信技术作为信息高速公路的核心和支柱得到空前发展。为信息高速公路的核心和支柱得到空前发展。 信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家安全有决定性的影响，光纤通信更具有特殊国家安全有决定性的影响，光纤通信更具有特殊意义。意义。 光纤通信系统是一个巨大的系统工程。各组成部光纤通信系统是一个巨大的系统工程。各组成部分互为依存、互相推动，共同发展。分互为依存、互相

9、推动，共同发展。移动通讯的发展移动通讯的发展 移动通讯移动通讯采用移动收发信机、蜂窝式基站、光纤、采用移动收发信机、蜂窝式基站、光纤、微波、卫星传输及数字通讯技术组成微波、卫星传输及数字通讯技术组成 第一代第一代特点为特点为模拟式模拟式，第二代第二代特点是特点是数字式数字式， 当前第二代移动通讯面临着频带不够宽，传输速度慢，当前第二代移动通讯面临着频带不够宽，传输速度慢，数据和图象的传输难以实现同步的挑战数据和图象的传输难以实现同步的挑战 为解决这些问题，为解决这些问题，第三代第三代码分多址技术应运而生，其主码分多址技术应运而生，其主要特点是要特点是传输容量大和传输速度快传输容量大和传输速度快

10、 3G时代时代iPhone iPad四四.更多信息的获取更多信息的获取社会的发展需要社会的发展需要自然资源（矿物）自然资源（矿物）地形地貌（地图，地质）地形地貌（地图，地质）气像（气象及灾害预报）气像（气象及灾害预报）农业生产（长势，收成）农业生产（长势，收成）环境保护（大气层，环境污染，全球变暖）环境保护（大气层，环境污染，全球变暖）森林防火（报警）森林防火（报警）军事监测军事监测现代化的信息获取途径：发射各类卫星现代化的信息获取途径：发射各类卫星大功率多转发器同步通信卫星大功率多转发器同步通信卫星多功能气象卫星，资源卫星多功能气象卫星，资源卫星军事侦察卫星，导弹预警卫星军事侦察卫星，导弹预

11、警卫星 全球定位系统全球定位系统 海事卫星海事卫星 外空探测卫星外空探测卫星卫星在距赤道上空卫星在距赤道上空 35860 km 的轨道上与地球的自转同步运行。的轨道上与地球的自转同步运行。每一颗通讯卫星可俯视地球三分之一的面积，利用同步轨道上等距离分布的三颗每一颗通讯卫星可俯视地球三分之一的面积，利用同步轨道上等距离分布的三颗卫星，可实现全球通讯。卫星，可实现全球通讯。一颗卫星有几十个转发器，可同时提供几万路电话线路或转发几十路电视。一颗卫星有几十个转发器，可同时提供几万路电话线路或转发几十路电视。通讯卫星通讯卫星通过多通道高分辨率扫描辐射计、通过多通道高分辨率扫描辐射计、红外分光计和微波辐射

12、计等遥感红外分光计和微波辐射计等遥感器观测地球，获取气象资料。器观测地球，获取气象资料。 气象卫星气象卫星气象卫星是一个高悬在太空的气象卫星是一个高悬在太空的自动化高级气象站，是空间、自动化高级气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。高技术相结合的产物。1999年10月，我国和巴西联合研制的第一颗数字传输对地遥感卫星资源一号01星发射成功。星上装有5谱段CCD 相机、4 谱段红外多光谱扫描仪、2谱段宽视场成像仪等。2003年10月，我国与巴西合作研制发射成功了资源一号02星。这两颗卫星 的研制和发射成功，填补了我国资源卫星的空白，卫星数据广泛应用

13、于农业、林业、水利、矿产、能源、测绘和环保等众多领域，取得了显著的应用成果， 资源卫星资源卫星间谍卫星拍摄的照片间谍卫星拍摄的照片 由卫星上的由卫星上的“成像遥感器成像遥感器”通过扫描方通过扫描方法拍摄地面场景图像，并将这些法拍摄地面场景图像，并将这些“高品高品位远距照相电视信号位远距照相电视信号”采用数字图像的采用数字图像的传输方式传输到地面卫星接收站，传输方式传输到地面卫星接收站， 美国美国“大鸟大鸟”间谍卫星配备：一架分辨力极高间谍卫星配备：一架分辨力极高的详查照相机，可以看清在地面上行走的单个的详查照相机，可以看清在地面上行走的单个行人；一架新行人；一架新 型胶卷扫描普查照相机，用它型

14、胶卷扫描普查照相机，用它来进行地上大面积普查照相；一个可以在夜间来进行地上大面积普查照相；一个可以在夜间看见地下导弹发射井的多光谱红外扫描照相机。看见地下导弹发射井的多光谱红外扫描照相机。 侦察卫星侦察卫星美国商用卫星拍到朝鲜火箭升空轨迹 导弹预警卫星导弹预警卫星全球定位系统全球定位系统应用范围（民用）应用范围（民用）为船舶为船舶,汽车汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：飞机等运动物体进行定位导航。例如：1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体） 1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入1.各种等级的大地测量，控制测量2.道路和各种线路放样3.水下地形测量4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测5.GIS应用6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制7.精细农业西昌卫星发射中心，中国用西昌卫星发射中心，中国用“长征长征三号甲三号甲”运载火箭将第四颗北斗导运载火箭将第四颗北斗导航试验卫星送入太空。航试验卫星送入太空。 北斗卫星导航系统示意图北斗卫星导航系统示意图 全球定位系统全球定