第1章 遥感原理

1.1遥感电磁辐射原理

1.1.1电磁辐射

【内容概览】

一、概念

**1、产生：**空间中的电磁振源（辐射源）交变电磁场（质量、能量、动量）中传播电磁波（波长、能量、频率）
【图示】

2、电磁辐射：电磁波传递能量的过程，是能量的一种动态形式，只有当它与物质作用（发射、吸收、反射、透射等）时才表现出来。

3、电磁波的传输规律：Maxwell方程
*相关物理量：

• 与电相关：电场强度E，电位移矢量D，介电常数ε，电导率δ
• 与磁相关：磁场强度矢量H，磁感应矢量B，电荷密度ρ，磁导率μ
  Maxwell方程：
  • D=εE
  • B=μH
  • J=δE
    真空中传播速度V=C/√εμ
    结论：
    （1）D的方向与E一致，J的方向与E一致，B的方向与H一致。
    （2）随时间变化的磁场能激发电场，随时间变化的电场能激发磁场。
    （3）电场方向E、磁场方向B与电磁波传播方向三垂直。
    （4）电磁波在介质中传播速度小于光速C，真空中等于C。

二、波粒二象性

1、 波动性
（1）概念
电磁波以波动的形式（光滑连续的波）在空间传播，用波长、频率、振幅等来描述；电磁波是横波。

（2）干涉Interference

• 干涉现象：同振幅、频率和初相位的两列或多列波的叠加合成而引起振动强度的重新分布现象。只有相干波（具有固定位相关系的波束）才能产生干涉现象。
• 干涉条纹：振动强度在空间出现强弱相间的固定分布，形成干涉条纹，其合振动强度的变化完全取决于程差（两光程之差）。
• 光波的干涉图样：是一系列明暗相间的条纹或曲线。
• 应用：干涉滤光片，增透膜，透镜组等

（3）衍射Diffraction

• 衍射现象：波在传播过程中遇到障碍物时，在障碍物的边缘，一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象。这是由于障碍物引起波的振幅或相位的变化，导致波在空间上振幅或强度的重新分布。
• 应用：相机的光阑、望远镜的物镜成像、光学仪器的分辨能力等

（4）偏振Polarization

• 偏振现象：偏振又称为“极化”，表示电磁波的电场振动方向的变化，是横波的特殊现象。电磁波传播方向确定后，垂直于传播方向（x轴）的任何方向（即yz平面内任一方向）都可以是振动方向。并且振动方向可以不变，也可以随时间按一定方式或规律旋转。任一振动方向的电磁波都可以分解为水平和垂直两个方向的偏振方向。
• 偏振方向：通常把包含电场振动方向的平面成为“偏振面”，即利用电场方向确定波的偏振方向。
• 偏振光的类型：
  • 全偏振光：若振动方向唯一，即偏振面方向固定，则为线性偏振（线性极化或平面极化），线性偏振光也称为全偏振光。
  • 非偏振光：太阳光为非偏振光
  • 部分偏振光：介于自然光与偏振光之间的称为部分偏振光（散射光、透射光、反射光）。
• 应用：雷达成像技术中，利用电磁波的不同极化特性，获取更丰富的遥感信息。

（5）描述电磁波的参量

• 波长Wavelength：波在一个振动周期内传播的距离，即沿着波的传播方向，两个相邻同相位点之间的距离，用λ表示。
• 频率Frequency：指单位时间内完成振动或振荡的次数或周期，即在给定时间内，通过一个固定点的博枫树，以赫兹（Hz）为单位，用υ表示。
• 真空中波长与频率满足：C=υ·λ
  • 一般用波长或频率描述电磁波谱的范围,还可以用波数（波长的倒数）表示。
  • 振幅Amplitude：表示电场振动的幅度，是振动物理量偏移平衡位置或空间位置的最大值。振幅的平方与振动的能量呈正比。
  • 其他：偏振面、传播方向、相位等。相位Phase：某物理量随时间或空间位置作正弦变化时，该量在任一时刻或位置的状态的一个数值。

2、粒子性
（1）概念
指电磁辐射除了连续波动状态外还能以离散形式存在，其离散单元称为光子(photo)或量子(quanta)，是由原子和分子状态改变而释放出的一种稳定、不带电、具有动能的基本粒子。
（2）光电效应
普朗克用模型说明光电效应，指出电磁辐射能量的大小直接与电磁辐射的频率呈正比，可表示为：Q=hυ

3、波动性与粒子性的区别与联系：波是粒子流的统计平均，粒子是波的量子化。
Q=hc/λ：辐射能量与波长呈反比

• 对于波动性而言，其强度（光强度）与振幅、频率、光照时间等呈正相关。
• 对于粒子性而言，其能量大小仅与入射光的频率有关。光强度决定于单位时间内通过截面的光子数目的多少（即光子流密度），它只影响光电流的大小，不改变光电子的最大动能。[J=δE]
• 对于电磁波而言，波动性与粒子性是对立统一的，电磁波的离散和连续现象往往伴生或一定条件下可以相互转化，这就是电磁波的波粒二象性。
• 一般说来，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，主要表现为粒子性。
• 波长较长的电磁波（微波、无线电波）波动性较为突出，多用Maxwell方程组来描述电磁波与介质的相互作用；而波长较短的电磁波（光学）更多地表现为粒子性，多用辐射传输方程来描述电磁波与介质的相互作用。
   

三、电磁辐射的度量