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1、微波遥感技术2023/1/221第一章第一章自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波授课老师：李亚超授课老师：李亚超2023/1/222自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波教学内容教学内容u电磁波的基本特征电磁波的基本特征u电磁波的极化特性电磁波的极化特性u电磁波的干涉与衍射电磁波的干涉与衍射u微波的多普勒效应微波的多普勒效应2023/1/223自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征n空间任何一处只要存在着空间任何一处只要存在着变化的变化的电场，它就能够在周围空间激发磁场；电场，它就能够在周围空间激发磁场；同样，同样，变化的变化的磁场也能够在它的周围空间激发电场。这种
2、电场和磁场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。的形式在空间传播。n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的纯电波，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波一般是平面波平
3、面波，它是一种电场和磁场相互垂直的横波。，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任何温度高于绝对零度的物体都会向外界辐射电磁波2023/1/224n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（有点上电场或磁场的相位或幅度都是相同的（等相面或等幅面等相面或等幅面）。）。n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
4、样的波可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近似看成平面波。如射到地面的太阳光波可看成平面波平面波。自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征2023/1/225 波函数由振幅和相位组成，一般遥感器仅仅记录电磁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，丢失相位信息。微波遥感中，同时记录了波的振幅信息，丢失相位信息。微波遥感中，同时记录了振幅信息和相位信息。振幅信息和相位信息。自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征2023/1/2261 1）不需要传播介质不
5、需要传播介质 2 2）横横 波波 3 3）波动性波动性 4 4）叠加原理叠加原理 5 5）相干性和非相干性相干性和非相干性 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）长，偏振现象越显著，偏振摄影和雷达成像）7 7）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）多谱勒效应（合成孔径侧视雷达）自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征2023/1/227自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征u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。为了学习更加复杂形式
6、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）基础知识（麦克斯韦方程）电磁场量与介质特性量的关系电磁场量与介质特性量的关系2023/1/228自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征u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。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）均匀平面波的解（公式推导）均匀平面波的传输特性均匀平面波的传输特性电磁波谱特性电磁波谱特性2023/1/229电磁波谱中各波段电磁波谱中各波段自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征2023
7、/1/22101 1）无线电波无线电波u频率相对较低，波长较长，波长范围从几千频率相对较低，波长较长，波长范围从几千km0.3m。短。短波被大气层全部反射，中波长波被电离层吸收，因此无线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。电波不能穿透大气层。自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征无线电波传播途径无线电波传播途径电波传播特性电波传播特性2023/1/22112 2）微波微波u波长波长0.1100cm,实际是无线电波的一部分实际是无线电波的一部分毫米波毫米波:1mm10mm厘米波厘米波:1cm10cm分米波分米波:1dm10dmu特点
8、：特点：穿透性（云、雾、冰）穿透性（云、雾、冰）不受气候和昼夜影响不受气候和昼夜影响能量弱能量弱u多用于雷达或其他通信领域多用于雷达或其他通信领域自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征2023/1/22123 3）红外线红外线u波长波长0.761000umu根据波长分为：根据波长分为：近红外近红外0.763um中红外中红外36um远红外远红外615um超远红外超远红外151000umu能较好的表现其波段内的物体辐射特性，可应用于遥感探能较好的表现其波段内的物体辐射特性，可应用于遥感探测测自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征红外线的应
9、用事例红外线的应用事例夜视仪夜视仪探测人体热量，红外线成像探测人体热量，红外线成像测距仪测距仪以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器理疗机理疗机使用远红外线的热效应治疗使用远红外线的热效应治疗热寻的导弹热寻的导弹跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇2023/1/22134 4）可见光可见光u波长为波长为0.40.7um，能被人眼直接分辨的电磁波，能被人眼直接分辨的电磁波自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征特别注意：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
10、光。这种说法是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，实际只吸收了不对的。比如黄绿色的树叶，实际只吸收了波长波长为为400435nm的的紫光紫光，显示出的黄绿色，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。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不同光色对应的波长红外线的应用事例红外线的应用事例遥感技术遥感技术在传统航空摄影侦察和航空摄影测绘在传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中应用广泛。中应用广泛。通信技术通信技术-利用荧光灯或发光二极管等发出的肉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
11、烁信号来传输信息。眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。2023/1/22145 5）紫外线紫外线u波长为波长为10380nmu具有显著的化学效应和荧光效应；具有显著的化学效应和荧光效应；自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征短波紫外线：短波紫外线：简称简称UVC。是波长。是波长200280nm的紫外光线。的紫外光线。中波紫外线：中波紫外线：简称简称UVB。是波长。是波长280320nm的紫外线。的紫外线。长波紫外线：长波紫外线：简称简称UVA。是波长。是波长320400nm的紫外线。的紫外线。紫外线应用方面如下：紫外线应用方面如下：化学：涂料固化，颜料固化，光刻
12、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）应用：人体保健照射，诱杀害虫，油烟氧化，光触酶（二氧化钛）2023/1/22156 6）X射线射线u波长为波长为0.110nm，在大气中全部被吸收，不能用于遥感。在大气中全部被吸收，不能用于遥感。自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基本特征7 7）射线射线2023/1/2216自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的基本特征电磁波的基
13、本特征本节课后作业本节课后作业1.假设区域无源自由空间，利用麦克斯韦方程求解均匀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？平面波的解？2.分析无线电波和微波的差异、特性以及应用情况？分析无线电波和微波的差异、特性以及应用情况？3.微波频段中微波频段中X波段的特性以及应用范围？波段的特性以及应用范围？4.在对人体进行探测时，电磁波的哪几种波段可以被利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。特性和原理。本章未完待续。本章未完待续。2023/1/2217自由空间中的电磁波自由
14、空间中的电磁波电磁波的极化特征电磁波的极化特征n极化：电磁波电场或和磁场的方向（相对传播方向）极化：电磁波电场或和磁场的方向（相对传播方向）n两种方式两种方式固定时间上空间电固定时间上空间电/磁场的方向分布磁场的方向分布空间规定位置上电空间规定位置上电/磁场方向的变化情况（遥感中常用）磁场方向的变化情况（遥感中常用）线极化线极化圆极化圆极化椭圆极化椭圆极化2023/1/2218自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的极化特征电磁波的极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）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不同形
15、式极化示意图2023/1/2219自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的极化特征电磁波的极化特征n极化方向的定义极化方向的定义在一定的坐标系中定义在一定的坐标系中定义坐标系的选择是任意的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极化平面是垂直于传播方向的平面n遥感中的定义：遥感中的定义：X X方向：平行于地球表面（斜入射）；方向：平行于地球表面（斜入射）；Y Y 方向：极化平面内与方向：极化平面内与X X方向垂直方向垂直.n极化特性是二维特性极化特性是二维特性平面内定义；平面内定义；可以用两个正交基的迭加表示；可以用两个正交基的迭加表示；正交：互不包含；正交：互不包含；水平极化和
16、垂直极化。水平极化和垂直极化。极化波的描述极化波的描述2023/1/2220自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的极化特征电磁波的极化特征n同极化波的迭加同极化波的迭加干涉干涉时谐（正弦）函数的迭加时谐（正弦）函数的迭加相同的频率相同的频率n极化波的迭加（意义）极化波的迭加（意义）极化测量只能测量两个正交极化分量；极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。利用两个正交极化分量推导目标的实际极化特征。极化波的迭加极化波的迭加2023/1/2221自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的干涉电磁波的干涉n在在物理物理学中，学中，干涉干涉是指满足一定条件
17、的两列相干是指满足一定条件的两列相干光波光波相遇叠加，在相遇叠加，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在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布干涉现象干涉现象干涉的数学模型分析？（公式推导）干涉的数学模型分析？（公式推导）l干涉产生需要满足的条件干涉产生需要满足的条件u电场强度和磁场强度都必须分别具备相同的振电场强度和磁场强度都必须分别具备相同的振动方向动方向u频率必须相同频率必须相同u路程差不能太大路程差不能太大u振幅不能悬殊太大振幅不能悬殊太大干涉示意图干涉示意图干涉结果公式表
18、示干涉结果公式表示2023/1/2222自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的衍射电磁波的衍射n在在物理物理学中，学中，衍射衍射是指是指波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象，孔隙越小，波长越大，现象越显著现象，孔隙越小，波长越大，现象越显著单缝衍射示意图单缝衍射示意图衍射的数学模型分析？（公式推导）衍射的数学模型分析？（公式推导）P点接收结果点接收结果2023/1/2223自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波电磁波的多普勒效应电磁波的多普勒效应n电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，电磁波因辐射源（或者观察者）相对于传播介质的运动，
19、而使观察者接受到的频率发生变化，这种现象称为多普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。勒效应。（合成孔径雷达的工作原理合成孔径雷达的工作原理）虚拟大孔径实现高分辨成像虚拟大孔径实现高分辨成像2023/1/2224自由空间中的电磁波自由空间中的电磁波课后作业课后作业本节课后作业本节课后作业1.电磁波的极化特性以及应用？电磁波的极化特性以及应用？2.电磁波的干涉特性？电磁波的干涉特性？3.电磁波干涉的条件是什么？为什么？请用公式理论分电磁波干涉的条件是什么？为什么？请用公式理论分析说明？析说明？4.电磁波衍射原理及呈现的对孔径大小与分辨率的特性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？分析？5.合成孔径雷达高分辨成像是如何体现多普勒效应的？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）和公式说明）