Analysis of Remote Sensing 遥感图像分析 Analysis of Remote Sensing 河南理工大学测绘学院遥感系

第二讲 电磁波与电磁波谱 Electromagnetic Wave & Electromagnetic Spectrum

主要内容 一、电磁波的概念 二、电磁波的基本性质 三、电磁波的产生 四、电磁波谱 重点

一、电磁波的概念 · 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。 变化的电场和磁场的传播 变化电场 E H 变化磁场 (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 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。

一、电磁波的概念 λ x 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。

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 电磁波的波动方程 与物理学中的波动方程相比 得到电场强度沿方向的传播速度为

补充知识 两种理论 波动说：光可以象波那样运动，把它的信息从一个地方带到另一个地方。 微粒说：光是由亿万个“微粒”组成的， 微粒由发光体向各个方向射出，好象一颗不断爆炸的炸弹的碎弹片。

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。 补充知识 1801 年，托马斯·杨 ，杨氏双缝干涉实验。 杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。 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。

其它条件相同时，不同色光产生的双缝干涉条纹间距不同，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。 补充知识 杨氏实验 其它条件相同时，不同色光产生的双缝干涉条纹间距不同，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。

补充知识 光的衍射 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象。 例子：凿壁取光。 衍射分类： 　　1）菲涅耳衍射：入射光与衍射光不都是平行光的衍射。 　　2）夫朗和费衍射：入射光与衍射光都是平行光的衍射。 　 由于夫朗和费(Fraunhofer)衍射在实际应用和理论上都十分重要，一般讨论夫朗和费衍射。 说明：光沿直线传播只是一个近似的规律。

夫朗和费单缝衍射

夫朗和费圆孔衍射

补充知识 1809年，马吕斯，光的偏振现象。 在进一步研究光的简单折射中的偏振 时，他发现光在折射时是部分偏振的。因 为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。

光电效应(photoelectric effect) 补充知识 光电效应(photoelectric effect) 1887年，赫兹用实验(如图)不仅发现了电磁波，而且观察到一种新现象：检波器的小锌球之一受紫外线照射，两锌球之间很容易有电火花跳过。 检波器 ∽ 有电子逸出 光电效应—金属及其化合物在光照射下发射电子的现象。 17

补充知识 波粒二象性 光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现： 从数量上看：少量光子的运动表现出粒子性；大量光子的运动表现出波动性。 从频率上看：频率高的光子粒子性强，频率低的光子波动性强。 当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。

二、电磁波的基本性质 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 ） 在光的传播方向上每单位长度内的波长的数目，即波长(λ)的倒数。其常用单位为cm-1，SI制单位为m-1。 其中：ψ 为波函数 A 为振幅 ω 为角频率（ω = 2π/T ） k 为波数（ k = 2π/λ） t 为时间变量 x 为空间变量 φ0 为初相位。

其它条件相同时，不同色光产生的双缝干涉条纹间距不同，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。 二、电磁波的基本性质 杨氏实验 其它条件相同时，不同色光产生的双缝干涉条纹间距不同，光的波长越长，干涉条纹的间距越大。

二、电磁波的基本性质 1、波动性 干涉的影响： 利—利用能量增大的趋势使图像清晰，方向性强； 弊—造成同一物质所表现的性质不同。 SAR成像时，斑点的产生就是由于电磁波 的干涉引起的。

夫朗和费单缝衍射

夫朗和费圆孔衍射

二、电磁波的基本性质 1、波动性 衍射的影响： (1)使电磁辐射通量的数量、质量和方向都发生变化，结果测量不准确，对目标物的解译也带来困难。 (2)缩小阴影区域。 (3)影响遥感仪器的分辨能力。

二、电磁波的基本性质

二、电磁波的基本性质

二、电磁波的基本性质 瑞利准则： a）两相邻点光源所形成的像，将是两个圆斑。 b）对于两个等光强的非相干物点，如果一个像斑的中心，恰好落在另一像斑的边缘(第一暗纹处)，则此两物被认为是刚刚可以分辨。

二、电磁波的基本性质 1、波动性 偏振度： 应用： 照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光 Pˊ= 1 偏振光 Pˊ= 0 非偏振光 偏振在微波技术中称为“极化”。 应用： 照相机镜头、立体电影、消除车灯眩光

二、电磁波的基本性质 1、波动性 光的干涉和衍射现象充分说明了光是一种波，但不能确定光波是横波还是纵波。光的偏振现象说明光波是横波。

二、电磁波的基本性质 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。 能量： 动量： 式中h=6.626×10-27尔格·秒(6.626×10-34)瓦·秒，称为普朗克常数。

二、电磁波的基本性质 2、粒子性 光电效应的应用： 扫描成像、电视摄像等，把光像变成电子像，把对人眼无作用的电磁辐射变成人们可以看见的影像。 胶片感光属于光电效应吗？ （光能转化为化学能）

二、电磁波的基本性质 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/λ ω = 2πυ

二、电磁波的基本性质 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 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。

三、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。

三、电磁波的产生 1、原子光谱 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、可见光和近红外线。范围为0.062～1.24微米。 35

三、电磁波的产生 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 0.062～1.24 μm 紫外、可见光、近红外 振动光谱 1.24～24.8 μm 中红外、热红外 转动光谱 24.8μm～1.24 cm 远红外、微波

三、电磁波的产生 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：3～30 μ

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。 1km 1m 1cm 1um 104 102 1.0 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1nm Wavelength(m) Longer Shorter Radio Waves MicroWaves Infrared Ultraviolet Visible X-Rays Gamma Rays 1010 1012 1014 1016 1018 1020 106 108 Frequency(Hz) 1kHz 1MHz 1GHz 1THz 1FHz 1EHz Lower Higher 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。

四、电磁波谱 紫外线 Ultraviolet 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。 Radio Waves MicroWaves Infrared X-Rays Gamma Rays 1010 1012 1014 1016 1018 1020 104 106 108 Frequency(Hz) 1kHz 1MHz 1GHz 1THz 1FHz 1EHz Lower Higher 1km 1m 1cm 1um 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1nm Wavelength(m) 102 1.0 Longer Shorter Visible Ultraviolet Wavelength(m) 10-6 10-5 10-7 10-8 10-9 10-10 ultraviolet 紫外线 Ultraviolet 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。 Ultraviolet

四、电磁波谱 可见光 Visible 波长0.4～0.7 μm，源于太阳辐射。 Ultraviolet Radio Waves MicroWaves Infrared X-Rays Gamma Rays 1010 1012 1014 1016 1018 1020 104 106 108 Frequency(Hz) 1kHz 1MHz 1GHz 1THz 1FHz 1EHz Lower Higher 1km 1m 1cm 1um 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1nm Wavelength(m) 102 1.0 Longer Shorter Visible 可见光 Visible Visible Wavelength(m) 0.7*10-6 0.6*10-6 0.5*10-6 0.4*10-6 波长0.4～0.7 μm，源于太阳辐射。 大气对之有影响（吸收，散射），大部分地物有良好的反射，它是主要的RS使用波段，在航空，航天RS中均可使用。 成像方式：摄影，扫描（多光谱摄影，成像光谱仪）。 Visible

四、电磁波谱 红外线 Infrared 近红外 0.76～1.2μm ，短波红外1.2～3μm ，源于太阳辐射。 Ultraviolet Radio Waves MicroWaves Infrared X-Rays Gamma Rays 1010 1012 1014 1016 1018 1020 104 106 108 Frequency(Hz) 1kHz 1MHz 1GHz 1THz 1FHz 1EHz Lower Higher 1km 1m 1cm 1um 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1nm Wavelength(m) 102 1.0 Longer Shorter Visible Infrared Wavelength(m) far mid near 红外线 Infrared 近红外 0.76～1.2μm ，短波红外1.2～3μm ，源于太阳辐射。 中红外 3～6μm，远红外 6～15μm，源于太阳辐射及地物热辐射。 超远红外 15μm ～1mm，源于地物热辐射，易被大气和水分自吸收。 成像方式：扫描 Infrared

四、电磁波谱 微波 Microwave 波长 1mm～1m，人工装置（雷达）产生。 它的波长长，受大气散射干扰小，全天候、全天时。 Ultraviolet Radio Waves MicroWaves Infrared X-Rays Gamma Rays 1010 1012 1014 1016 1018 1020 104 106 108 Frequency(Hz) 1kHz 1MHz 1GHz 1THz 1FHz 1EHz Lower Higher 1km 1m 1cm 1um 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 1nm Wavelength(m) 102 1.0 Longer Shorter Visible 微波 Microwave P-band,30-100cm L-band,15-30cm S-band,7.5-15cm C-band,3.75-7.5cm X-band,2.4-3.75cm Ku-band,1.67-2.4cm K-band,1.1-1.67cm Ka-band,0.75-1.1cm millimetre band sub-millimetre band Microwaves 波长 1mm～1m，人工装置（雷达）产生。 它的波长长，受大气散射干扰小，全天候、全天时。 主动方式，在航空，航天RS中均有应用。 MicroWaves

小 结 本节重点： 1、电磁波、电磁波谱的概念 了解： 1、电磁波的产生 2、电磁波的性质 思考： 1、什么是电磁波谱？ 小 结 本节重点： 1、电磁波、电磁波谱的概念 了解： 1、电磁波的产生 2、电磁波的性质 思考： 1、什么是电磁波谱？ 2、为什么说遥感的物理基础是电磁波理论？ 3、在水面上的油膜、肥皂泡等在白光照射下为什么会出现灿烂的彩色？ 预习：地物电磁波发射特性