（地图学与地理信息系统专业论文）量子遥感信息机理研究.pdf

摘臻 攘要 辍子遥感是目前遥感研究的新领域，爨予遥艨信息机理的研究是其内容的核 心。因此量子遥感信息机理研究在量予遥感中勰着举足轻重的作用。本文就电磁 辐射场的量子化进行了研究。 本论文的主要研究内容： 1 本文研究了量子遥感提出的背景和需求以及目前量子信息技术的发展现 状。实酥成媚的需要是目# 量子遥感发展最遗留的翥求。 2 。辑突了量子遥感戆基本概念。量予遥感蹩菠浃遥感在量子层次上运动翘 臻熬溪浚与方法，楚反夔遥感镦鼹徽靛运麓蕊德黪理论。著将量子遥感窝遥感豹 对疲关氖和比较进行了研究。 3 研究了量子遥感信息机理。由于程邋撼物理中，p l a n c k 公式在解释非同 温敷元热辐射方向性时遇到困难，所以选择r 从电磁辐射场的量子化来研究，并 谶行公式推导，辐射场经过量子化之后，变成了由光子组成的系统，从而在量子 屡次上解决遥感理论中黑体辐射的问题，从本质上研究了象元的辐射方向性问 题。 4 对量子遥感信息枫理研究进行总结。零文就量子遥感辐射场方面进行了 磅宠，惑缝了残莱产生静实黢意义：箨对矮斓王终逑行麓望。 关键溺： 攮予遥感、遥感信息、量子遥感信息、机理研究 量予遥感愤融税理研究 i n f o r m a 料o nm e c h a n i s ms t u d y0 掣q 耵a n t u m r e m o t es e n s i n g h a r tj i x i a ( c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f b is i w e n i n s t i t u t eo f r e m o t es e n s i n g a p p l i c a t i o n s ，c a s ，b e o i n g ( 1 0 0 1 0 1 ) a b s t r a c t q u a n t u mr e m o t es e n s i n gi san e wf i e l do f r e m o t es e n s i n gr e s e a r c h ，q u a n t u m r e m o t es e n s i n gi n f o r m a t i o nm e c h a n i z a t i o nr e s e a r c hi st h ec o r ec o n t e n t t h u sq u a n t u m i n f o r m a t i o n e x p e r i m e n ti nq u a n t u mr e m o t es e n s i n gr e m o t es e n s i n gp l a y s a l l i r r e p l a c e a b l er o l e t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nf i e l d i ss t u d i e di nt h ep a p e nt h i s w o r ki n c l u d e st h em a j o rc o n t e n t s j u s ta sf o l l o w s ： 1 、t h eb a c k g r o u n da n dq u a n t u mr e m o t es e n s i n gn e e d sa n dt h ec u r r e n ts t a t u so f t h ed e v e l o p m e n to fq u a n t u mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya l es t u d i e d t h en e e d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n ti st h em o s tp r e s s i n gn e e d so fq u a n t u mr e m o t e s e n s i n g 。 2 、i tp r e s e n t e db a s i cc o n c e p t so fq u a n t u mr e m o t es e n s i n g 。q u a n t u mr e m o t e s e n s i n gi st h et h e o r ya n dm e t h o d sr e f l e c t e di nt h eq u a n t u ml e v e lr e m o t es e n s i n go f m o v e m e n ta n dt h el a wt h e o r yr e f l e c t e di nr e m o t es e n s i n gm i c r op a r t i c l e sc a m p a i g n t h ec o u n t e r p a r tr e l a t i o n sa n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nq u a n t u mr e m o t es e n s i n ga n d r e m o t es e n s i n ga l ep r e s e n t e d 。 3 、i n f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f q u a n t u mr e m o t es e n s i n gi ss t u d i e d 。p l a n c kl a wi s t h eb a s i si nr e m o t es e n s i n gp h y s i c sa n di na c c o r d a n c ew i t ht h em a t e r i a lr e a l i t yo f t h e w o r l d ，s u c ha sa c a d e m i c i a nl ix i a o w e na m e n d e di t f o rq u a n t u mr e m o t es e n s i n g ， q u a n t u mm e c h a n i c si st h ef o u n d a t i o nf o rt h en e x ts t e pn e e d st oc h o o s eap r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e q u a n t u m o f e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n 蠡e l d t os t u d y a n d d e d u c t t h e f o r m u l a s 4 、s u mu pt h ei n f o r m a t i o nm e c h a n i s t i cs t u d i e so nq u a n t u mr e m o t es e n s i n g t h e h ， a b s t r a c t p a p e ro n l ys t u d i e do nt h eq u a n t u mo fr a d i a t i o nf i e l df o rq u a n t u mr e m o t es e n s i n g ， o w i n gt ot i m ec o n s t r a i n t s ，f l l e r ei sm o r e c o n t e n ta n dr e s e a r c ht oa d d ， k e y w o r d ： q u a n t u mr e m o t es e n s i n g ，i n f o r m a t i o n ，r e m o t es e n s i n gi n f o r m a t i o n ，q u a n t u mr e m o t e s e n s i n gi n f o r m a t i o n , m e c h a n i s ms t u d y 1 l i 中国科学院遥感应用研究所 学位论文原刽性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立避行研究工作辨取褥鳇成果。除文中已经注明弓l 用鼹内容乡 ，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作龋波成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果出本人承担。 径 痞旧黧 轹妊凇汩 舣 嗍 第一章缱论 第一耄绪论 在2 0 世纪年我之静，人类对她塔j 鞋字蛮懿蕊溅主要戳爵觅光为主，远鼹 离鹃蕊潮也仅仅裱靠靛空飞杌和望远镜。避入2 0 雀纪6 0 年代之螽，红终戒豫与 合成孔径雷达技术的发展使得人们可以趣越人眼的感知范围，在更广阔的电磁波 区域进行探测，这大大拓展了遥感应用的范围。而空间技术的缴展使得我们的观 测距离延伸到了数酉以歪数万公里的地球鞔道。当今科学技术的飞速发展为我们 援貘了越寒越先逶靛邋惑纹器，这些遥蕊纹器蔽广泛藏萋蒎翌麓弱簸空平台上， 并以数字成像的方式在更广阔的波谱范潮来观测我 f 依赖以生存的地球和空浏 环境。同时，伴随者汁算机技术的飞速发展，遥感图像处理与分析技术也为人类 更好地利用如此丰富她遥感信息资源提供了更大地可能。遥感应用的领域也更加 撼广阕，它翻涉及全球繇凌、蝰零羯、褒源调查、叁然灾髻蕻至星嚣搽溅等方 瑟”。在遥感技术堍发展经历了全色( 黧自) 、彩色摄影、多光谱扫摇成豫除段 之后，2 0 世纪8 0 年代初期成像光谱概念的出现，使光学遥感进入了又一个新的 阶段高光谱遥感“。特别是近年来，它与全球定位系统( g p s ) 和地理信息系 统( g i s ) 技术的融合、渗透和集成，形成了新型静对地蕊测系缓，为缝球科学、 环辘稀学、生螽辩擎簿研究提茯了薪熬辩学方法弱技术手段，簿致了建学懿磺究 激阐、性质和方法的鬣要变化，为使地球科学注入了新的活动，为地学研究带来 了变革性的进展，标虑着地学信息获取和分析处理方法的一场革命。 科学技术的发展和经济建设的迫切需求，对遥感科学技术提出了更高的要 袋。遥感应矮领域鹣扩大，要求在瑟懿麓次一簿凌许多应矮鏊鬟嚣闻莲，如遥黪售 怠：成像枫理、电磁波辐射传输模型与媳掌影像特征规律，新一代遥感仪器的遥 感原理论证以及在避艨技术应用的理论和方法等方面都需要我们深入地开展研 究。所以，根据遥感科学技术面临上述的挑战与困难和信息科举技术发展、量子 傣怠技术、数字地球的需要，量子遥感藏运露生，量子遥感僖惑襁理的研究楚箕 磷究豹基磊窭，遣是量子遥感应用翡蓊撵 2 0 0 2 年4 月毕恿文研究员在3 s 世界期刊量子遥感姆复杂性计算的提出 与研究一文中首次在潮内外提出量子遥感“1 。目前量子遥感的理论体系，基本框 艇于遥感倍息机理研究 柒，竣及技术雄架夜提蕊熬蘩褪上都已经餐爨了缀大瀚完善_ 摹霾改进。 1 1 量子滠惑超出背景 量予邋感戆提鹦主要基予锻长射闽以裳，遥感在綦础理论、技术方法与应用 磺究豹鑫转模型翻谤舅误差中焱都存拣羲没有爨狭鹣难题，獒主要驭因跫遥感 所探测的地球表面魁个复杂的黩系统；丽遥感正是对这个复杂巨系统进行信息 获取与融合处理的科学技术。笼其是登月计划的实施对遥感提出了更糍的要求： 太阳光照不到的绝对零度以下的区域，静通遥感器接爨不到任何信息。下面主要 从遥感面晒的挑战、鲞子信息控术发展和数字地球研究的需黉等方面，阐述量子 遥感提出的背景。1 。 1 。 。1 遥臻辩学燕零鞭糕豹曩灌 遥感瓢开始发麟瓣魂阶段，关键闯鼷仍是迸一步实蘑纯。餐是，憨静袋看， 遥感应用的整体水平还不能满足实用的磷求。突既表现在两个方面：一是实时稔 渊与楚瑾忿力涌不够满足蟊鑫然灾害等掰要求静溺步准同步蟪完成数糕获敬、分 析赴理、後速旋供遽续不断毽俊霜信怠。二麓遥感数据定量爱演缝学参数豹麓力 秘糖疫，波不缝达到实煺要求。 这墨有嚣方嚣撼琢因：一楚人嬲对遥感认识上避弱隈避，鄹对遥感成豫及镑 输机理、影像特征、地学规律熄隧着遥感及备学科地发展而逐步深化的。简化为 各淘同性与实际的方两性的矛鼹，比辐射率釉环境辐照度的燕辱影嚷润题等都是 我们遥感理论需要解决的问题。再就是我们的反演模型和应用分析模型过于理想 仡、概念纯，因而结聚多是不确定性的。二楚遥黪技术的问趱，仪器斡衰减以及 遥感数据处理方法的局限性限制了遥感的定量化水平“1 。 1 。1 。2 量擎壤患装求发璇魏嚣錾 整子僖息援术怒避年来瀚新兴交叉学羊斗，涉及数学、秘疆学鞠计算税辑学等 众多学科。蒹凝重要的两个应用方向是鬣予通信和量子计算桃，毡括鬣予计算及 葵实糯、爨予遴信( 鲡篷子远程传输、绸缠交换耪薰予密蕊) 、基予网绦秘量予 门、量子雾法等丰鬻内容。量予傣怠学怒稻耩蟹予力学的摹本舔邂( 鞠鳘子态蚕 第一章绪论 加原理) 和熬本概念( 整子纠缠) 来事先信息处理的科学，是经典信息学的革命 性发展* 1 。 量子信怠技术领城是目前最宥啜弓l 力的前沿领域，近年来已经戚菊圈际学术 界关注的焦点。美国科学家在量子计算机研究方面获得重大的进展，这使得人们 囱经已久赞蘩子诗葵瓤又鑫我弱靠近了一大步，霞稀学家餐霹蘩l 箱量予磷突领域 的新技术研制出超级计算机充满了信心“。美国科学家宣布，他们已经实现了4 爨予蘧逻辑瞳，取褥了4 令餐瘩子熬量子缝缝凝态，忿举使2 l 瞧纪量予诗算机 的研制取得了重大突破“。并且，美国在量子信息技术方面获得了2 项发明专利， 一项是“多毙落量子辫红终探测器”；另一矮是“对镶振灵敏嬲波纹状豢子醛红 外光电探测器列阵”。 在我国，科学时掇2 0 0 4 年1 月1 4 只第4 舨刊黢的2 0 0 4 年中国十大科技进 展新闻中，我国量子信息实验领域取得重大突破。2 0 0 4 年7 弼1 目，自然杂 志发表了中豳科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室( 筹) 潘建体激授和 他的闲事杨涛、赵恚完成的重大研究成莱：在国际上蕾次逶过实验实瑗了矗粒子 纠缠态以及终端开放的量子态隐形传输。此项成果表明我国在粒子纠缠悫的研究 方褥已经成功进入蓄际镶先拳乎。蕹中嚣影像蓑米2 0 0 4 年第2 e 卷第1 2 期1 8 7 1 介绍，国际上纳米成像技术和量子信息技术的研究也已经取得了突破性的进展。 经孩共振袋像按寒豹瓣羯率达到缀寒缀，长发摇当予5 至l o 令豢孑撼列巍一起。 量子信息技术的发展为量子遥感提供了技术基础。 1 。 。3 数字地球研究鹣瓣妻 数字遣球是一个以她蘧坐撂为锿据，爨骞多分辨攀敬海量数据彝多绦盥示的 虑拟系统，蔡想真正她实现数字地球，就螫解决关键的技术问题数据格式兼容性 难越。从各个信息源柬的数据，翔蜒能在阉一个终端、被同一个用户使用。第二 步簧解决联嗣的问题，包括博物馆的高遽网和经过减速由普邋用户使用的因特 网，两个层次。前两步完成好以后，从长远来看，述要实现时空信息唾手可得。 目前静3 s 和信息技术楚不能满麓这些要求的。量予信怠技米的蹬瑶为海量数据 的储存、计簿等提供了方法，量子遥感为实现数字地球的技术难题指明了方向。 量子遴感信息机理研究 1 2 研究现状 量予遥感信息机理研究在遥感界首次提臌 ，但是它的开展也是与国内外很多 技术理论豹发展现状有关的。下面从遥感光港的嚣求、量子信息技术的支持和挑 战以及遥感传感嚣的发展需要等方巅来迸行围内外研究现状莉分析。 ( 1 ) 光遴遥感的发展 电磁波谱是按电磁波在真空中的波长或频率来划分的。它包括从无线电波、 徽波、级终光、霹燕毙、紫终竞、x 射线、芦射线、字蜜射线等”3 。最鹚，大们 对于地球和宇宙的观测主要以可见光为主，随后，红外成像与荫达技术使得人们 褥可敬超麓天鼹瓣感知范鬻，在更广瓣的电磁渡区域逡行搽灏，这大大耧震了遥 感应用的范围。不同波长的电磁波产生的方法及与物质的相飘作用有很大的兼 髯。分子或原予靛转动及跃迂产生豹光是不湖酶：新戳键俸在不蠲波段鹣先谣蓑 异很大。因此，研究者可以设计不同的波谱通道研制不同的探测器来采集信息。 遥感盛用的袋矮辩壳谱分辨率、辐射分瓣率静要求也越来越离，翔瓷源调查、 农作物长势、病虫害、土壤状况和地质勘察等领域，将从微米缴的多光谱向纳米 缎超光谱发展8 3 。在遥感技术酶发蕊经历了全色( 黑囱) 、彩色摄影、多光谱羟 描成像阶段之后，2 0 世界8 0 年代初期成像光谱概念的出现，使光学遥感进入了 又一新静阶段离光谱遥感，赢蠢谱遥感葵有1 0 - 2x 酶蠢谱分辨率，在可觅光 到短波红外波段其光谱分辨率高达纳米数量缴。高光谱遥感通常具有波段多的特 点。光谱通道多这数十甚至数百个以上，两且备光谱通道闻往簌楚连续瓣，因蓝在 遥感的发展历史上，高光谱遥感的出现可以说是一个概念上和技术上的创新近 几年来离光谱遥感器技术鼹趋先进，系统更加完善，藏精也更黼广泛，赢往麓离 光谱系统如h y m a pt e e m s 翱p r o b e l 、p r o b e 一2 等的出现使高光谱遥感难向着技 术的日臻完善，应用更趋广泛化的方向发展。鬣予遥感正是在我基础上避行研究， 对光谱糖度提出了更高的要求。 本次实验懿群零蹙瓣毒謇，实验显示夔光谱叠线说明了孛慈缎多 对霾传熬 透射能力是我爨疆嚣不潼淹懑鹃，这也往热红癸遥感不仅筏应鬻予热辐射的研究 中，并且为我们在量子遥艨光谱的精细结构研究中提供了依据。 ( 3 ) 本次实验的透射光谱曲线可以很好的反映物质的组成，这将念对遥感中 的混和像元的分析研究提供一个新的研究方法。 总之，本次中远红外实骏溅论是在量予遥感的基础研究，还是农遥感的机理 研究都提供了有利的依据，对我们今后的研究打下基础。 综上所述，当今科学技术的发展和经济建设的迫切需求，对遥感科学技术提 出了更高的要求。遥感应翔墩域瓣扩大，要求在薪的层次上解决更多藏髑基磷闻 蔻，懿遥感售意，藏程疆壤、魄磁波疆錾传臻模鳖与逮学影像褥缀羧掺，瑟一筏 遥感纹器静遥感原理论滚以及在遥感技术瘟爱豹理论帮方法等方法鄹需要我们 深入地开展研究。所以，根据遥感科学技术面临上述的挑战与凼滩_ j 铂倍恩科学技 术发展、量子信息技术、数字娥球的需要，我们对量子遥感进行了探索研究，试 图创建其学科体系；这项工作对遥感科学技术具有开创性。随着量子邋艨的出现， 人们对于遥感的认识将会深入，从而能较深刻地掌握遥感的物理和化学、信息的 性能及其规律，为利用这些规律于遥感理论、技术、应用和产业化开辫广阔的途 径。 量了遥感信息机理研究 1 3 研究内容 本文的主要内容有：( 1 ) 量子遥感和遥感的联系及比较：( 2 ) 量子遥感和遥 感信息机理研究的比较，重点对量子遥感电磁辐射场的量子化进行比较。本文主 要针对量子遥感这一新领域进行了理论上的研究和探讨。最终对量子遥感的电磁 辐射场进行了数学推导并推导出量子论中的p l a n c k 公式。 本文主要分为四章，具体内容如下： 第一章主要介绍了论文的研究意义、国内外研究现状及取得的研究成果，最 后介绍了本文的主要研究内容； 第二章系统的介绍了量子遥感的基本概念，量子遥感与遥感的对应关系并介 绍量子遥感和遥感的四方面的区别； 第三章详细论述了量子遥感信息机理。在与遥感信息机理的比较的同时，重 点推导了量子遥感电磁辐射场的量子化， 第四章简要地阐述了量子遥感的研究进展及其对后续工作的展望 第二章鹫予遥感的綦车概念 第二章量子避摩的基本概念 2 。 量子遥基基零獗念 量子遥感是发职遥感在量子层次上运动规律的理论与方法，量子遥感是反映 遥感微观微粒运动规律的理论，是以多时空、动态的地球褒面系统为研究对魏， 以量子信息、量子邂感技术、量子遥感通信、量子计算、墩予遥感嚼络和计算机 信息处理为主侮戆技零系统。夔羞量予蘧感戆毒现，入鬃慰予遥感售惑撬璎、遥 感计算、遥感技术及遥感的认识将会爨知深入，飙丽髓受深交l 地掌握遥感的貔理 和化学、信息的性& 及其规律，为利用遮些规律服务于遥感理论、技术、应用和 产业化开辟广阔的途径。 2 。2 重子遥巷鸶溅蒜瓣关系 量子遥感基础理论建立在量子力学撼础上的，而遥感熬础理论是建立在缝舆 物理学上的。所以溪阐述量子遥感与遥感的关系，首先应当说明量子力学与经典 力学的关系。 2 2 1j i | 瘦僳毽 有关对应原理( c o r r e s p o n d e n c ep r i n c i p l e ) 的系统阐述，最早见于b o h r l 9 1 8 年的文章1 而王e 式使用对应原理这个谰汇最早见于他1 9 2 0 年的文章“”。对应原 瑾撬凄在大量子数投蔽猿援下，萎子系统兹嚣秀将渗透熬趋予与经典力学鬃绞 相同。然丽应该掇剿，对应原理思想的萌芽，在b o h r l 9 1 3 年发表的划时代的论 文3 “伟大的三部曲”( g r e a tt r i l o g y ) 中已可以明显看出( 见其中第一 篇论文，尽管文中并未出现对应原理这个记词汇1 9 1 3 年1 2 月，在哥本哈根物理 攀会上旋报告中，r o h r 又特别强调了这个思想懿重要惶放b o h r l 9 1 3 年静文露开 始，差不多整个十年中，b o h r 的愚糠对于漂孑耱理学帮爱予理论静发震有檄深 刻的影响。这个时期的量子理论，有人称之为“早期量子涂”( t h eo l dq u a n t u m t h e o r y ) 或称为“对应原理的量子力学”( t h eq u a n t u mm e c h a n i c so ft h e 壁予遥感信息机理研究 c o r r e s p 。n d e n e ep r i n c i p l e ) 它与p l a n c k - e i n s t e i n 鲍关于辐射的鬃予怒论一道， 耱演了“ap r o v i s i o n a lq u a n t u mm e c h a n i c so fs i m p l es y s t e m ”瓣热色。b o h r 躲早期量子论鸯经典秘毽学懑往微麓氆雾豹赣力学戆过渡铺设了一癜褥粱。1 9 2 5 年德国的年轻物理学家h e i s e n b e r g 正是通过b o h r 的对应原理这麈轿粱最终建立 了微观系统的新力学矩陴力学。h e i s e n b e r g 的矩阵力学的提出，可以认为 是b o h r 对应原理的逻辑上发展的结果。 不少原子物理学的教材中，在讲述b o h r 理论时把角动量量子化条件放在很 突出的地位。但应强调，量子化条件并非b o h r 理论中最实质性的部分。从历史 事实来看，角动量量子化条件弗不b o h r 一人的贡献。f h u n d 认为，b o h r 量子 论静主要贡献有嚣点。： ( 1 ) 竞遘学中戆r y d b e r g - r i t z 錾合蒙裂 v = f ( n ，) 一f ( n 。，)( 2 。1 ) 是量子关系式 b y = e ( n ，) e ( n 。，)( 2 2 ) 的表现。 ( 2 ) 频率 v = e ( n + y ) - e ( n ) h ( 2 3 ) 当量子数很大时( n l ，n t ) ，v 将趋于经典特征频率v ( e ) 的。倦。 嚣一点正是对应琢避麴体瑗。b o h r 第一纂文章“8 中萨楚校爨这令愚怒来攘 导窭氢瑟予戆缀公式，著在弱一繁孛壹蘧瑟褥窭了溷辕遂翡角动蘩爨予纯条 孛。 b o h r 在螽来写静练遮文露中是这样来概括德静工 筝的。德认为镪豹理论中 有两条最基本的假定： ( 1 ) 原子能够、而且只能够稳定地存在于与离散的能量对应的一系列状态中， 这些态称为定态。因此，系统能鬣的任何改变，包括吸收或发射电磁辐射，都必 须在两个定态之间以跃迁的方式进行。 ( 2 ) 在两个定态之问跃迁时，吸收或发射的辐射频率v 是唯一的，熊值由下 式给出： h v = e - e ”( 频率条俘)( 2 4 ) 这墨h 是p l a n c k 鬻鼗，裁与我”楚瑟考瘩静嚣令定态夔戆塞嚣 嚣”) 。 箱二帮量于遥感的基本概念 换句话说，b o h r 理论簸核心的愚想有两条：一是原子其蠢懿不涟续的定 惫壤念，二是瑟令定念之瓣豹爨予获迁凝念羁频率条舞。这秀条霹浚歆舞是霹实 验事实的理论概括，瓷承瓣发震起来豹量子力学串爨然鞍保餐了下卷。 量子力学和经典携理的对应关系恰恰代表了量子遥感与遥感的对液关系。量 子遥感是建立在量子念的錾础上，在能量的不连续态上进行研究。 2 3 量子遥感与遥薯的对比 遥感和量子遥感的主鼷区别主要从他们的基本概念、基础理论、研究尺度和 遥感器设计等方面柬分析。 2 。3 。 羞本撅念戆差筹 遥感一词来自英语r e m o t es e n s i n g ，即“遥远豹惑知”。广义理勰，泛指一 切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波( 声波、地熊波) 等的探 测。狭义遥感是指应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波 特性记录下来，通过分析，搦示出物体的特性性质及其变化的综合性探测技术。 量子遥感简单的说把量子力学应用在遥感科学技术上，是反映爝艨在量予层 次上运动规律的理论与方法，燕以量子遥感态为基本单元研究遥感在墩予层次上 运动规律的理论与方法，殷袄遥感徽鼹微粒运动规律的理论，是以多辩空、动态 豹途臻表瑟系统爻疆襄对象，叛缝子售惑、量子遥感技本、量子遥黪逶谖、爨子 计算、量子遥感瓣络器诗葵瓿僚感处理秀主钵豹技术系统。随着豢予邋薅瓣密现， 人们对于遥感信息机理、遥熊计算、遥感技术及遥感的认识将会疑翱深入，从而 能更深刻地掌握遥感的物理和化学、信息的性能及其规律，为剥用遮魃规律服务 于遥感理论、技术、应用和产业化_ 丌辟广阔的途径。 2 3 2 基础理论的不同 遥感的基础理论是建立程缀典物理学上的，主要是电磁波理论，它主要鞋电 磁波传输方程为表达方式，辩疲豹方程是m a x w e l l 方程；丽量子遴戆黻爨予力学 兔墓爨瑾谚，它主要敷s c h r s d i n g e r 方程帮量子悫兔表透方式。瓣发豹方程莛 量了遥感信息帆城研究 s c h r o d i n g e r 方程。蓠者在理谂纛方法上寄饕零矮麓不曩。瑰旋兹理学研究垂少 数粒子掏残黪“，l 、”蒋系。魏莱躲遵7 支鬻邃麓粒子戆基本定律，纛鬟主蓑霹黻 颈蠡幽大繁粒子构成的宏蕊物理体系酶行必鳓。 谶感电磁波在微观领域受到很大局限憔，主要原因在于，它对带电物质的描 述只反映其粒子性的一面，而对电磁波的描述则只反映其波动性的一面。事实上 带电粒子舆有波动性，而电磁场也具有粒子性。只有在带电物质主要显示 h 粒子 性而电磁场主要显示出波动性的情况下，遥感i 瓤磁波的计算结果才能近似地反映 客观实际。在原子内部，电子的波动性明照，必须应用波函数而不是用经典轨道 柬攒述魄予的运动状态，因此，在这范围内，遥感电磁波是不适用的。当电磁场 黪粒予攥整萋辩，翔藕懿豹毫频蠛行为移巍逛散疲等翔逶，遥感电磁波理论氇是 不遥翅的。 m a x w e l l 方程缛表达为： v 。e ：一塑 研 v 小彬嗍箬 ( 2 5 ) v e ：p v b = 0 式中，e ( x ，y ，：) 为邀场强度；b ( x , y ，z ) 为磁感皮强瘦；e 0 菇真空分邀常数；p ( 功 为毫蕊密浚；熊爻奏空磁导率；，鸯毫滚寮发。 这缀方程称为m a x w e l l 方程缝，它反映一般祷况下电蓊电流激发电磁场良及 硅l 磁场内部矛盾运动的规律。在p 和，为零的区域，电场和磁场通过本身的互糨 激发丽运动传播。m a x w e l l 方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内在矛盾和 远动。因此，只要某处发生电磁扰动，幽于电磁场互相激发，它就在空问中 运动传播，形成电磁波。m a x w e l l 首先从这方程组在理论上预言了电磁波的存在， 并指出光波就是一种电磁波。 s c h r 6 d i n g e r 方程f 司： 一令镶鼹粒子兹量子遥感态弼波函数矿，f ) 寒攒透，当舻， ) 确定惹，蔽予 粒任俺一个力学量的平均值戳及它取各静露耱测德的概率都完全确定。在量予遥 第二牵璧子遥感的恭奉概念 感中，最核心黪婀题要熬决量子淼鞠矿p ，f ) 】怎样随时阅演化以及在各$ 孛具体谤 况下如何求出波函数的问题。所以，量子遥艨中微观粒子的状态则用波函数来描 写，决定遥感牲子、拔悫变往翡方程是s e h r s d i n g e r 方稷。 i h a 。 。一篓v 2 妒十u ( ，) ( 单粒子) ( 2 6 ) 西2 “ 这个方程也称为波动方程，它描写在势场u ( r ) 中粒予状态随时问的变化。 上露讨论的燕一个量予矮感粒子豹愤嚣，也霹戳推广至g 量子遥黪多粒子的待况， 即： 蕴譬：一量芒妒2 y + 印 ( 多羧予) ( 2 。? ) & 篙2 h il 这就是量子遥感多粒子系统的s c h r s d i n g e r 方程。式中麒是第f 个粒子的质量； u ( ，如，r n ) 怒系统的势能，它包括系统在外场中的能量和粒子间相互作用能 量；焘= 去= t 0 5 4 5 x 1 0 “焦耳，移，楚量子逶感孛露爨懿耱号( 磊为善麓蔻褰鼗 = 6 ，6 2 5 5 9 1 0 3 4 焦耳秒) 。 2 。3 3 研究建度区剐 餮孑遥感与遥感在光谱足凌上不霜，冀波段裂努级裂觚誉i 续寒级溱感静 1 0 7 米到1 0 。9 米细化至1o 1 0 到1 0 小米，量予遥感的光谱波段间隔更小，这中间 就可糍综台着在更深层次上分辑磷究建甥静波谱特性与波段特缓的可能饿，连藏 存在着提高对各种地物识别精度的现实性。 在原子内，电子在掰能级之间跃迁产生一定频率的辐射，崧光谱中表现为 条谱线。谱线不是精确确单色的，丽是具有一定的频率分布宽发。关于产奠三谱线 宽度的内在原因，用电磁波理论不能建立原子辐射的正确理论。 谱线宽度阕波长五袭为 a 冀= e 警 = 等a 掰= 等 五；三。1 2 1 0 9 ( 2 。8 ) 量予遥感信息# 【理辑究 用经典搬子作为愿予辐射模戮时，用波长a 表蹴的谱线宽度为一个常数。 但事实上原予谱线宽度的变化很大。有些谱线的宽度接近于经熊宽度，而另一些 谱线的宽度则远小于经舆宽度。这事实表明原子辐射机制是不自完全用经典振子 解释的。但怒辐射反作糟的概念戳及寿命和宽度静关系是有普遍意义的。原子内 电子由激发态跃迁到较低能态时产生一定频率的辐射。由于辎射，原子激发态 有一定懿寿命。跃迁凡率愈太，确辐射愈强，激发态寿命愈短，蕊丽谱线宽度夯 1 愈大。关系式f = 二仍然成立。 y 原子处于熬态时是稳定的，不会产生辐射，这点是和经典理论有深刻矛盾的。 按照经典理论，电子在簌予棱迄场 乍用下运动，由于蠢热速度，必然囊终辗瓣电 磁波，因而电子运动的能量亦逐渐衰减，最厢电子会撺到原子梭内，因而根本不 存在稳定的原予。这结谂露客观事实完全矛黼的，只蠢用量子遥感理论力黥鳃释 基念的稳定性。 2 。3 4 遥痞豢浚静懿苓潮 基于上述理论和方法不同，在遥感器的设计方嚣也不同，最藏要的是他们收 集的信号不同。在设计收集嚣时，绝们的结构也会有很大不同。鬣子遥感器对硬 件的臻求更要离，更精密。 蘑i 在函际传感器鹃发震中，薪技术帮掰手段不凝被采霜戳藏寒提嵩传感器 的性能和应用范围。并鼠已经取得了很大的成就。日本九洲大学电子器件工程系 裂教授k e n p u k u 耪德国藕薜联舞；魏理毅零硬究簧台幸# 磅翻戏凌整赛上毪麓囊 好的高温超导攫子干涉元件( s q u i d ) 传感器。出于采用了最优化设计和高性能约 瑟夫森结技术，传感器的性l 露嚣= ! ；芝麓力大隽提裹，困魏该簧感器可用予医学窝 工业用途。为实现高性黼设计，该研究组对器件参数进行了优化，使约瑟夫森结 达到约1 0q 电阻，临爨电流约2 0 # a 。确立了双最粘接技术，用3 0 。倾魑取代 一般的2 4 。和3 6 8 。”。因此，这种高温超导量子干涉元件传感器能够将地磁 的分辨率由三亿分之一掇赢到一| 亿分之一。与使用液氦的s q u i d 传感器相比，虽 然其分辨力较差，但是幽于使雳价廉、易褥豹液氮，因此这种传感器可阻翊于溺 定脑磁场区，其应用范围已经扩展到生物磁测定、无损检验和全球环境监测等领 第一章量子遥感的基本概念 域“。 美国l i c o r 公司的l i 一1 9 0 s a 光量子传感器主要被植物学家、气象学家、园 艺学家、生念调查组和其它环境学家所利用，目的是为t n 量空气中、植物生长 箱和温室中的光合作用量子通量密度“。量子传感器的出现和应用为量子遥感器 的设计应用提供了依据，如果遥感器仍然处在原来的发展阶段，将不会满足遥感 同益发展的需求。 总之，遥感是一种远离目标，通过非直接截获促而判定、测量并分析目标性 质的技术“1 。从本质上说就是对地球表面的地学过程和现象进行非接触式的物质 量测量，即通过远离地面的遥感器来收集，获取量化的信息，通过光学和计算机 的处理、反演和复原来分析和揭示自然现象和过程的规律，从空中和空间实现对 地观测。可以认为，遥感信息是遥感的精髓，遥感的整个过程都是围绕遥感信息 而展开的。量子遥感是量子力学的理论和方法来深入探索遥感信息机理、研究遥 感目前尚未解决的问题，使其应用范围更加广泛，它的主体技术系统是量子通信、 量子计算网络和量子计算机信息处理 撼子遥感信息帆理研究 3 。1 信意 3 1 1 什么是信息 繁聂耄量子蘧惑蓿意 现代科学广泛接受了维纳的论断“信息就是信息，不是物质也坷：是能量”。 但现代科学又证明信息归根结底是物质的一种属性，信息离不开物质丽单独存 在，客观世秀和入的大脑中都不存在甥质搬分离的信息。一切信息都怒i ：l = l 特定的 竣矮运或过程产生，发送，接受移稳雳懿萤患匏发送者窝接受者袋戆怒菜耱谚矮 实薅或其纛雪生兹，不存凌与锈矮元关熬绩息，不戆没套篷量游糕程获毅、簧送、 处理、存取和和嗣信息。任秘铸患都要靠一定豹物质形式来盛载、表示固定，盛 载信息的物质形式称为信息的载体。信息的传递、交换、加工处理、存储、提取 来实施的。所以，信息归根到底是一种物质的属性。但信息是一种j 常特殊的物 质属性，一种迄今为止自然科学高无法全面解释的物质属性。 从科学技术与社会的发展现状看，信息概念主要用于讨论与人类活动有关的 系统问题，目前还难以用它描述一般系统。就这个范围而言，信息怒人们在通信 ( 包括久与人、人与自然的遴镲) 中褥到敢数据、资料、消息、谤缀、知识等等。 嚣要强溪懿是痿愚是蠢孵效魏，德惠对予接受者应是瑟资糕、鼗魏谈，已经褥到 魏鼗蠢，姿瓣等等委痿转遴劳不貔增翔薅患。联疆，我国豹簿漾怒臻恿定义 “是人们事先不知道静报邋”。 3 1 2 信息与系统 客观世界是由物质、能燃、信息三大要素组成的。自贝塔朗稚以来的系统科 学代表人物都承认，必须也能够撇，于对象有关物质、能量的特殊规定性仅仅把对 象当作推理来研究，但不能撇开信息研究系统。元素之间、子系统之悯的相互联 系帮终疆，系统与环境的秘蔓联系和作曩，都要通过交换、加工、利瘸穰惫来实 瑗，系统夔演铯，整薅瀵筏瞧瓣产璺三，裹层次夔赛鬟，蘩嚣妥簸售惑溪点束瑗瓣。 第三章量予遥感信息 313 信息的度量 要建立关于信息的理论，使信息获得理论依据，关键是找到度量信息的方法， 给信息以定量刻划。既然把信息定义为通信中消除了的不确定性，信息的度量就 是对这种不确定性的度量。但这样定义的信息不是一般的物理量，不能像体积、 重量、速度那样用精确定义的单位实际测量。信息是一种抽象量，需要以新的观 点解决这个问题。 通信要消除的不确定性指消息发生的随机性，数学上用概率来度量。令p 记可能消息a 发生的概率，i 记该可能消息携带的信息量，称为自信息，它有两 个基本特征： ( 1 ) 一个可能消息携带的信息量由该消息发生的概率决定，概率大者信息量 小，概率小者信息量大( 信息是消息发生的意外程度的度量) ，这表明信息量i 是 概率p 的某个函数 i = f )( 3 1 ) ( 2 ) 信息量具有可加性，即设a 、b 为两个独立发生的可能信息，则联合消息， a b ( a 与b 同时发生1 的自信息满足 i ( a b ) = i ( a ) + ( b ) ( 3 2 ) 满足这个条件的最简单的函数是对数。 综合这两个特点，单个可能消息的信息量( 自信息) 定义为 i = 一l 0 9 2 p ( 3 3 ) 可能消息包含的信息量是该消息发生概率的倒数的对数( 以2 为底) ，单位为比特。 显然，二中择一等可能消息携带的信息量为1 比特。 人们在通信中面对的不是单个消息，而是可能消息集合( 至少有两个可能消 息1 ，比较，简单的情形是集合中包含有限个可能消息。定量地把握信息，重要 的是了解可能消息集合的整体信息能力，需用整体平均信息量h 表示。整体平 均信息量h 又称为信息熵，其中i = l 0 9 2 p i 反映单个可能消息的意外程度，p i 反 映可能消息的发生频繁程度，两者对信息熵h 的影响是矛盾的，信息熵概念把 两者统一在同一公式中，可以全面反映可能消息发生的随机性时信息的影响，有 效地刻画可能消息集合整体的信息能力，是信息科学的重要概念之一。 量了遥感信息机理研究 3 2 遥感信息 遥感信息，首先是指以光或电磁波作为载体，经介质传输而由航空和航天遥 感平台所采集到的信息。对一个连续、开放、完整、复杂的地球系统而言，通过 对地观测获取的遥感信息具有三重属性，即遥感信息是电磁波辐射与地表物质相 互作用的产物，足地圈、生物圈等科学规律的反映并同时也是该信息载体在其传 输路径上受各种介质影响的后果。与此同时，遥感信息又同时具有空间、波谱和 强度三种特性。遥感信号来自地物对电磁波的辐射和散射，如何进一步提高从电 磁波辐射和散射的角度认识遥感机理以及基于麦克斯韦方程组、惠更斯原理和辐 射传输方程的理论计算的水平，是一个亟待解决而又回避不了的问题1 2 。 3 2 1 电磁波谱与电磁辐射 ( 1 ) 电磁波谱 电磁波：振动的传播称为波。电磁振动的传播是电磁波。波动是各质点在平 衡位置振动而能量向前传播的现象。如果质点的振动方向与波的传播方向相同， 称纵波。若质点振动方向与波的传播方向垂直，称横波。电磁波是典型的横波。 在横波中，传播方向可以垂直振动方向的任何方向，且振动方向一般会随时问变 化。如果振动方向不随时间变化，则称为线偏振的横波，电磁波具有偏振现象。 两列以上的波在同- - 空间传播时，空间质点的振动表现为各单列波质点振动的矢 量合成，即波的叠加原理。 当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡 旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。其方向是由电磁振荡向各个不 同方向传播的。 电磁波谱：1 8 8 9 年赫兹用电磁振荡的方法产生了电磁波。经实验证明，电 磁波的性质与光波的性质相同。随着对光本性认识的深化，光波和电磁波被统一 起来。以后又发现的更多形式的波也具有地磁波的性质，如x 射线、，射线也具有 电磁波的性质。 按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或速减排列，则构成了电磁波谱。 该波谱以频率从高到低排列，可以划分为y 射线、x 射线、紫外线、可见光、红 第兰章量子遥感信息 姊线、无线电波在真空状淼下频率f 与波长r 之积等于光速c 。魄磁波游区段静 赛线是澎交夔，一觳按产生滚磁渡豹方法或溺量毫磁波戆方法寒麓分 遥感中较多遗使藤可觅毙、经岁 和微波波段。可觅光波段显然波谶逸闽很窄， 但对遥感技术而吉却非常麓舞。 电磁波性质：是横波；猩囊空以光速传播；满足： f 。c e = h f ( 3 4 ) 式中，e 为能量，单位：j ；h 为普朗克常数，h = 6 6 2 6 1 0 划j s ；f 为频率， 九为波长；e 为光速，c = 3 1 0 8 m s 。 电磁渡其存波粒二象链。 ( 2 ) 龟磁辐麓蕊凄量 辐射源：饪俺貔髂都麓辐射源。不仅能够吸收其毽物体、对宅豹辐鸯雩，氇能 够向外辐射。能发出紫外辐射、x 射线、微波辐射等的物体也是辐射源，只是辐 射强度和波长不同而已。因此遥感探测实际上是辐射能量的测定。 辐射能量( w ) ：电磁辐射的能量，单位：j ； 辐射通量( 中) ：0 单位时间内通过某一面积的辐射通量，巾= d w d t ，单位 是w ；辐射通量是波长的黼数，总辐射通量应该是各谱段辐射通量之和成辐射 能量靛积分值。 辐射戆量密度圆：肇位霹瓣内逶蓬攀位瑟瑟获熬辐惑能量， e = d * d s ，萃笾：w m ，s 炎缮积。 辐照度国：被辐射的物体表露单缱面积上的辐射能量，l = d q b d s ，零位是 w m 2 ，s 为面积。辐射出射魔( m ) ：辐射源物体表面单位面积上的辎射能量，d a 9 ，d s ，单位w m2 ，s 为面积。辐照度( i ) 与辐射出射度( m ) 都是辐射通最密度的 概念，不过i 为物质接收的辐射，m 为物质发出的辐射，它们都与波长x 有关。 辐射亮度( l ) ：假定有一辐射源呈面状，向外辐射的强度随辐射方向而不同， 则l 定义为辐射源在某一方向，单位投影表面，单位立体角内的辎射虢恳，即 l = q b q ( a c o s )( 3 5 ) 瓣擎整：w ( s r m 2 。 辐翦源囱乡 辐射电磁波对，l 往往随0 蕉瑟改变。氇藏是说，羧浚辐射豹鼹 量了遥感信息机理研究 察者以不同0 角观察辐射源时，l 值不同。辐射亮度l 与观察角0 无关的辐射源， 称为朗伯源。严格地说，只有绝对黑体才是朗伯源。 ( 3 ) 黑体辐射 黑体辐射规律：如果个物体对于任何波长的电磁辐射部全部吸收，则这个 物体是绝对黑体。普遍适用于绝对黑体辐射的公式，叫做普朗克公式，表达式为： r 夏丽r | 、h c m f f ) - 1 1 名 e x p i ( 3 6 ) 式中，c 为真空中的光速，k 为玻尔兹曼常数，k = 1 3 8 1 0 2 3 j l ( h 为普朗克常数，h = 6 6 3 1 0 副