Analysis of Remote Sensing

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1 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

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

3 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

4 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

5 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。

6 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。

7 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

8 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：

9 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

10 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。

11 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。

12 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。

13 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。

14 夫朗和费单缝衍射

15 夫朗和费圆孔衍射

16 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。

17 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

18 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。

19 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。

20 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。

21 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。

22 夫朗和费单缝衍射

23 夫朗和费圆孔衍射

24 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。

25 二、电磁波的基本性质

26 二、电磁波的基本性质

27 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。

28 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

29 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。

30 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。

31 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）

32 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

33 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。

34 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。

35 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

36 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 ～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

37 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

38 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。

39 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

40 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

41 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

42 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, cm X-band, cm Ku-band, cm K-band, cm Ka-band, cm 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

43 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