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1、微波遥感技术,2019/3/12,1,第一章 自由空间中的电磁波,授课老师：李亚超,2019/3/12,2,自由空间中的电磁波 教学内容,电磁波的基本特征 电磁波的极化特性 电磁波的干涉与衍射 微波的多普勒效应,2019/3/12,3,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,空间任何一处只要存在着变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场；同样，变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种电场和磁场能量不断地相互转化，就能形成随时间而变化的交变电磁场并以波动的形式在空间传播。 所谓电磁波，就是以波动形式在空间传播并传递电磁能量的交变电磁场。电场和磁场总是不可分离地联系在一起的。既不会有与磁场分离的纯
2、电波，也不会有与电场分离的纯磁波。在自由空间中传播的电磁波一般是平面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波。,任何温度高于绝对零度的物体都会向外界辐射电磁波,2019/3/12,4,电场和磁场互相垂直，且都位于与传播方向垂直的平面上，该平面所有点上电场或磁场的相位或幅度都是相同的（等相面或等幅面）。 波面是一系列相互平行的平面的波。在离点波源较远处，沿波的传播方向取一局部范围来看，在这范围内的波面都是平行的，这样的波可近似看成平面波。如射到地面的太阳光波可看成平面波。,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,2019/3/12,5,波函数由振幅和相位组成，一般遥感器仅仅记录电磁波的振幅信息，丢失相
3、位信息。微波遥感中，同时记录了振幅信息和相位信息。,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,2019/3/12,6,1） 不需要传播介质,2） 横 波,3） 波动性,4） 叠加原理,5） 相干性和非相干性,6） 衍射和偏振（遥感器的几何图象分辨率，波长越 长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）,7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,2019/3/12,7,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,为了学习更加复杂形式的电磁波，首先对均匀平面波进行了解和学习。,基础知识（麦克斯韦方程）,电磁场量与介质特性量的关系,2019/3/12,8,自由空间中的电磁波 电磁波
4、的基本特征,为了学习更加复杂形式的电磁波，首先对均匀平面波进行了解和学习。,均匀平面波的解（公式推导） 均匀平面波的传输特性 电磁波谱特性,2019/3/12,9,电磁波谱中各波段,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,2019/3/12,10,1）无线电波,频率相对较低，波长较长，波长范围从几千km0.3m。短波被大气层全部反射，中波长波被电离层吸收，因此无线电波不能穿透大气层。,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,无线电波传播途径,电波传播特性,2019/3/12,11,2）微波,波长0.1100cm,实际是无线电波的一部分 毫米波:1mm10mm 厘米波:1cm10cm 分米波:1dm
5、10dm 特点： 穿透性（云、雾、冰） 不受气候和昼夜影响 能量弱 多用于雷达或其他通信领域,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,2019/3/12,12,3）红外线,波长 0.761000um 根据波长分为： 近红外 0.763 um 中红外 3 6 um 远红外 6 15 um 超远红外 151000 um 能较好的表现其波段内的物体辐射特性，可应用于遥感探测,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,红外线的应用事例 夜视仪探测人体热量，红外线成像 测距仪以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器 理疗机使用远红外线的热效应治疗 热寻的导弹跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇,2019/
6、3/12,13,4）可见光,波长为 0.4 0.7 um，能被人眼直接分辨的电磁波,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,特别注意：有人说物体的颜色是物体吸收了其它色光，反射了这种颜色的光。这种说法是不对的。比如黄绿色的树叶，实际只吸收了波长为400 435nm 的紫光，显示出的黄绿色是反射的其它色光的混合效果，而不只反射黄绿色光。,不同光色对应的波长,红外线的应用事例 遥感技术在传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中应用广泛。 通信技术-利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。,2019/3/12,14,5）紫外线,波长为 10380 nm 具有显著的化学效应和荧光效
7、应；,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,短波紫外线：简称UVC。是波长200280nm的紫外光线。,中波紫外线：简称UVB。是波长280320nm的紫外线。,长波紫外线：简称UVA。是波长320400nm的紫外线。,紫外线应用方面如下： 化学：涂料固化，颜料固化，光刻 生物学：紫外线灭菌法，促进植物生长，诱杀蚊虫 仪器分析：矿石，药物，食品分析 应用：人体保健照射，诱杀害虫，油烟氧化，光触酶（二氧化钛）,2019/3/12,15,6）X 射线,波长为 0.1 10 nm，在大气中全部被吸收，不能用于遥感。,自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征,7） 射线,2019/3/12,16,自由空间
8、中的电磁波 电磁波的基本特征,本节课后作业,假设区域无源自由空间，利用麦克斯韦方程求解均匀平面波的解？ 分析无线电波和微波的差异、特性以及应用情况？ 微波频段中X波段的特性以及应用范围？ 在对人体进行探测时，电磁波的哪几种波段可以被利用，其原理和特点是什么？特别是微波电磁波的探测特性和原理。,本章未完待续。,2019/3/12,17,自由空间中的电磁波 电磁波的极化特征,极化：电磁波电场或和磁场的方向（相对传播方向） 两种方式 固定时间上空间电/磁场的方向分布 空间规定位置上电/磁场方向的变化情况（遥感中常用） 线极化 圆极化 椭圆极化,2019/3/12,18,自由空间中的电磁波 电磁波的极
9、化特征,极化的形式数学模型分析（线极化、圆极化和椭圆极化）？（公式推导）,不同形式极化示意图,2019/3/12,19,自由空间中的电磁波 电磁波的极化特征,极化方向的定义 在一定的坐标系中定义 坐标系的选择是任意的 极化平面是垂直于传播方向的平面 遥感中的定义： X方向：平行于地球表面（斜入射）； Y 方向：极化平面内与X方向垂直. 极化特性是二维特性 平面内定义； 可以用两个正交基的迭加表示； 正交：互不包含； 水平极化和垂直极化。,极化波的描述,2019/3/12,20,自由空间中的电磁波 电磁波的极化特征,同极化波的迭加干涉 时谐（正弦）函数的迭加 相同的频率 极化波的迭加（意义） 极
10、化测量只能测量两个正交极化分量； 利用两个正交极化分量推导目标的实际极化特征。,极化波的迭加,2019/3/12,21,自由空间中的电磁波 电磁波的干涉,在物理学中，干涉是指满足一定条件的两列相干光波相遇叠加，在叠加区域某些点的光振动始终加强，某些点的光振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布,干涉现象,干涉的数学模型分析？（公式推导）,干涉产生需要满足的条件 电场强度和磁场强度都必须分别具备相同的振动方向 频率必须相同 路程差不能太大 振幅不能悬殊太大,干涉示意图,干涉结果公式表示,2019/3/12,22,自由空间中的电磁波 电磁波的衍射,在物理学中，衍射是指波遇到障碍物或小孔
11、后通过散射继续传播的现象，孔隙越小，波长越大，现象越显著,单缝衍射示意图,衍射的数学模型分析？（公式推导）,P点接收结果,2019/3/12,23,自由空间中的电磁波 电磁波的多普勒效应,电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普勒效应。 （合成孔径雷达的工作原理） 虚拟大孔径实现高分辨成像,2019/3/12,24,自由空间中的电磁波 课后作业,本节课后作业,电磁波的极化特性以及应用？ 电磁波的干涉特性？ 电磁波干涉的条件是什么？为什么？请用公式理论分析说明？ 电磁波衍射原理及呈现的对孔径大小与分辨率的特性分析？ 合成孔径雷达高分辨成像是如何体现多普勒效应的？高分辨形成与多普勒效应的关系是什么？（图形解释和公式说明）,