2.1 电磁波与电磁波谱

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1、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§2.1电磁波与电磁波谱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：不同地物电磁波特性不同（表现为不同颜色，不同温度）传感器接收的是电磁波数据传输是电磁波数据处理的是地物电磁波信息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）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空间任何变化的电场都将在它

2、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λx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，

3、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

4、。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

5、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ErE=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

6、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。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

7、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。波动性表现出干涉、衍射、偏振等现象。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。1、波动性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。？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。说明：光沿直线传播只是一个近似的规律，当光的波

8、长比孔或障碍物小得多时，光可看成沿直线传播。在孔或障碍物尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射就十分明显。衍射分类：