自由空间中的电磁波.ppt

微波遥感技术 * 1 第一章 自由空间中的电磁波 授课老师：李亚超 * 2 自由空间中的电磁波 教学内容 u 电磁波的基本特征 u 电磁波的极化特性 u 电磁波的干涉与衍射 u 微波的多普勒效应 * 3 自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征 n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。 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 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 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 * 4 n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）。 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 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 * 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 * 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 * 7 自由空间中的电磁波 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。 基础知识（麦克斯韦方程） 电磁场量与介质特性量的关系 * 8 自由空间中的电磁波 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。 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 * 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 * 10 1）无线电波 u 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 * 11 2）微波 u 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:1dm10dm u 特点： 穿透性（云、雾、冰） 不受气候和昼夜影响 能量弱 u 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 * 12 3）红外线 u 波长 0.761000um u 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 u 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 * 13 4）可见光 u 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。 * 14 5）紫外线 u 波长为 10380 nm u 具有显著的化学效应和荧光效应； 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） * 15 6）X 射线 u 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 * 16 自由空间中的电磁波 电磁波的基本特征 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 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？ 3.微波频段中X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 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。 * 17 自由空间中的电磁波 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） n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 * 18 自由空间中的电磁波 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） 不同形式极化示意图 * 19 自由空间中的电磁波 电磁波的极化特征 n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 n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. n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 * 20 自由空间中的电磁波 电磁波的极化特征 n同极化波的迭加干涉 时谐（正弦）函数的迭加 相同的频率 n极化波的迭加（意义） 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。 极化波的迭加 * 21 自由空间中的电磁波 电磁波的干涉 n 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） l 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 动方向 u 频率必须相同 u 路程差不能太大 u 振幅不能悬殊太大 干涉示意图 干涉结果公式表示 * 22 自由空间中的电磁波 电磁波的衍射 n 在物理学中，衍射是指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 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 * 23 自由空间中的电磁波 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 ，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 * 24 自由空间