第02讲 电磁波与电磁波谱

1.遥感的定义提问：目前，对遥感较为简明的定义是：

从不同高度的平台上，使用遥感器收集物体的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并进行加工处理，从而达到对物体进行识别和监测的全过程。Remotesensingisthescience(andtosomeextent,art)ofacquiringinformationabouttheEarth'ssurfacewithoutactuallybeingincontactwithit.Thisisdonebysensingandrecordingreflectedoremittedenergyandprocessing,analyzing,andapplyingthatinformation.

1.遥感的定义2.遥感的特性和优势提问：1、空间特性2、时间特性3、波谱特性4、信息量巨大5、受地面条件限制少6、经济效益好7、用途广8、发展迅速遥感的特性和优势1.遥感的定义2.遥感的特性和优势3.遥感与摄影测量的关系提问：共性①获取地表信息都是通过记录地物的电磁波特性来实现，当然记录方式有所不同。传统的有模拟影像记录、数字记录（转化为图像）。遥感技术可以获取地表下1～2m的物质，如微波成像。②处理、提取信息的手段趋近一致航测由模拟、解析到数字阶段，遥感也进入了数字阶段。具体原理稍有区别，但使用的基本方法如增强、变换、提取、纹理分割、识别等一致。均为数字处理方式（仅算法有区别）③成果形式一致均为数字化成果，也有部分纸图。④对图像资料的要求基本一致要求影像具有一定的空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率，几何关系稳定。⑤使用资料的一致性都使用航空、航天影像资料，但完成各自不同的任务。五、遥感与摄影测量

2、遥感与摄影测量的关系2.差异①各自的服务对象不同摄测—测图、军事侦察遥感—林业、农业、地质、水利、考古、防灾评估②要求资料(图像)的质量不同摄测—几何关系严密、空间分辨率高遥感—宏观上分辨地物的能力（波谱分辨率）普查性质摄测—资料单一，全色图象遥感—种类多，不同遥感器③遥感有明显优势获取资料不受地区和国界的限制获取资料迅速，特别是SAR不受气候影响，全天时、全天候各行业的测图成本低以上差异主要针对航空摄影测量，而目前的摄影测量范畴已接近遥感技术。五、遥感与摄影测量

2、遥感与摄影测量的关系第二章遥感技术基础电磁波与电磁波谱ElectromagneticWave&ElectromagneticSpectrum

物体的电磁波发射特性ElectromagneticWaveEmissionCharacteristicsofobject物体的电磁波反射特性ElectromagneticWaveReflectionCharacteristicsofobject

地球大气及其传输特性TerrestrialAtmosphereandAtmosphericTransmissionCharacteristic遥感技术第二讲电磁波与电磁波谱ElectromagneticWave&ElectromagneticSpectrum一、电磁波的概念二、电磁波的产生三、电磁波的基本性质四、电磁波谱提纲：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：1、不同地物电磁波特性不同（表现为不同颜色，不同温度）；2、传感器接收的是电磁波；3、数据传输是电磁波；4、数据处理的是地物电磁波信息；5、应用的是地物电磁波特性。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。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。一、电磁波的概念变化的电场和磁场的传播变化电场EH变化磁场HE(a)(b)··变化磁场产生电场变化电场产生磁场一、电磁波的概念λExH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（振动方向垂直于传递方向的波）。而声波就是一种纵波（振动方向于传递方向一致）。一、电磁波的概念

C=λυ

（真空中）Where:

λ=Wavelength(m)

υ=Frequency(CyclesperSecond,Hz)

C=SpeedofLight(3x108m/s)λλWavelength&Frequency:波长λ：波在一个振动周期内传播的距离。一、电磁波的概念依麦克斯韦电磁场理论：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：

一、电磁波的概念与物理学中的波动方程相比电磁波的波动方程得到电场强度沿方向的传播速度为一、电磁波的概念在真空中即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：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。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。电子轨道电子能量为E2的轨道能量为E1的轨道+ΔE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=Ee+Ev+Er相应的分子光谱也由三部分组成：

电子光谱0.062～1.24μm

紫外、可见光、近红外振动光谱1.24～24.8μm

中红外、热红外转动光谱24.8μm～1.24cm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：3～30μ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。

连续的波动性和不连续的粒子性是相互排斥，相互对立的，但两者又是相互联系并在一定条件下可以相互转化的。

波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化。1、波动性

单色波的波动性可用波函数来描述其中：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。

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”，在遥感成像时，只有雷达成像是如此。

1、波动性

波动性还表现出干涉、衍射、偏振等现象。★光的干涉两列波长相同，振动方向相同且有固定相位关系的光波，在空间传播时，空间各点的振动就是两列波在该点产生振动的叠加合成。杨氏实验可以看成干涉现象。SAR成像时，斑点的产生就是由于电磁波的干涉引起的。应用：镜头加膜。1、波动性

★光的衍射是指光线偏离直线路程的现象。比较典型的试验是夫朗和费试验。

单色平行光通过单缝后，在屏幕上出现的是一条明亮的亮纹。两侧对称的排列着一些强度较小的亮纹。如果单缝变成小孔，在屏幕上出现的是一个亮斑，周围有逐渐减弱的明暗相间的条纹。1、波动性

★光的偏振电磁波的振动是由E、H表征，在光波中产生感光作的是E，因而将E称为光矢量，其振动方向称为光振动。E传播方向完全偏振光E传播方向非偏振光传播方向E部分偏振光1、波动性

偏振度：1、波动性

某一方向上光强度极大值与之垂直方向上光强度极小值Pˊ=1偏振光Pˊ=0非偏振光偏振在微波技术中称为“极化”。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。

使胶片感光表现为光的粒子性（光能转化为化学能）。能量：动量：式中h=6.625×10-27尔格·秒(6.625×10-34)瓦·秒，称为普朗克常数。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k

=2π/λω=2πυ3、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。

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。将E=hυ

、P=h/λ

代入波动方程3、波粒二象性的关系

从波动性来看，光强度I与波函数的绝对值的平方成正比，比例常数为1时：I=||2从粒子性来看，光强度I取决于单位时间内通过单位截面积的光子数目的多少，称为光子流密度，即I==||2=||2表明了粒子流与波函数的关系。四、电磁波谱电磁波的产生有许多方式：电磁振荡、晶体或分子的热运动、电子能级跃迁、原子核的振动与转动、原子核内的能级跃迁等，产生的电磁波的波长变化范围也很大，从10-11到106cm。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等都是电磁波。依据C=λυ和E=hυ可知：波长愈短，频率愈高，能量愈大。四、电磁波谱定义：将电磁波在真空中按照波长或频率的依大小顺序划分成波段，排列成谱即称为电磁波谱。波长0.01～0.4μm。源于太阳辐射。0.3～0.38μm部分穿过大气层，但散射严重。

此波段地物成像反差小，仅对萤石、石油等有较高的反射率，因此可以用于石油普查。由于散射的原因，在2000米高度以下成像为好。

紫外线