物理學(xué)與信息科學(xué)

1、 第八章第八章物理學(xué)與信息科學(xué)物理學(xué)與信息科學(xué)2011-11-07人類活動依賴于各種信息的獲取與傳播人類活動依賴于各種信息的獲取與傳播美國畫家墨爾斯美國畫家墨爾斯12年努力實(shí)現(xiàn)有線電報通訊。年努力實(shí)現(xiàn)有線電報通訊。美國人貝爾發(fā)明了電話，開始了有線通訊時代。美國人貝爾發(fā)明了電話，開始了有線通訊時代。英國物理學(xué)家英國物理學(xué)家Maxwell完成了總結(jié)電磁現(xiàn)象的理論完成了總結(jié)電磁現(xiàn)象的理論-麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在。馬可尼（意大利）及波波夫（俄羅斯）分別實(shí)現(xiàn)了馬可尼（意大利）及波波夫（俄羅斯）分別實(shí)現(xiàn)了無線電通訊。無線電通訊。靜電場靜電場磁場磁場電磁感應(yīng)電

2、磁感應(yīng)Maxwell方程組方程組電磁波電磁波通訊通訊便捷？便捷？ 可靠？可靠？ 成本？成本？ 頻道資源？頻道資源？ 傳輸容量？傳輸容量？1960年，世界上第一臺激光器誕生年，世界上第一臺激光器誕生 特點(diǎn)：光強(qiáng)，單色性，方向性好特點(diǎn)：光強(qiáng)，單色性，方向性好 可作為理想的信息載體可作為理想的信息載體 構(gòu)建構(gòu)建“信息高速公路信息高速公路”，開始光通訊時代，開始光通訊時代光纖通信光纖通信光通訊光通訊電通訊電通訊比傳統(tǒng)無線電通訊具有更大的比傳統(tǒng)無線電通訊具有更大的 優(yōu)勢：優(yōu)勢：容量大，損耗小，容量大，損耗小， 成本低，保密性好成本低，保密性好共存，互補(bǔ)共存，互補(bǔ)2009年諾貝爾物理獎獲得者年諾貝爾物理獎

3、獲得者高昆高昆現(xiàn)在使用的各類信息傳輸方式現(xiàn)在使用的各類信息傳輸方式傳輸方式：傳輸方式：有線：電話，電視，電纜，光纜，網(wǎng)絡(luò)有線：電話，電視，電纜，光纜，網(wǎng)絡(luò)無線：廣播，電視，移動通信，無線網(wǎng)絡(luò)，微波中無線：廣播，電視，移動通信，無線網(wǎng)絡(luò)，微波中繼，短波通訊，衛(wèi)星通訊，紅外（藍(lán)牙），導(dǎo)繼，短波通訊，衛(wèi)星通訊，紅外（藍(lán)牙），導(dǎo)航，制導(dǎo)，航天航，制導(dǎo)，航天信號形式：信號形式：模擬信號：廣播，電視，電話模擬信號：廣播，電視，電話數(shù)字信號：因特網(wǎng)，高清電視，手機(jī)，衛(wèi)星通訊數(shù)字信號：因特網(wǎng)，高清電視，手機(jī)，衛(wèi)星通訊固定，移動，計算機(jī)控制：固定，移動，計算機(jī)控制：這些都與物理學(xué)從這些都與物理學(xué)從19-21世紀(jì)

4、的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)世紀(jì)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)，我們都從中受益。步密切相關(guān)，我們都從中受益。一一. 激光及激光的產(chǎn)生激光及激光的產(chǎn)生激光激光受激輻射光放大受激輻射光放大 當(dāng)電子吸收光子能量正好等于上下能級差當(dāng)電子吸收光子能量正好等于上下能級差時，會從低能級躍遷到高能級時，會從低能級躍遷到高能級- 自發(fā)吸收自發(fā)吸收 當(dāng)電子從高能級躍遷到低能級時，會將多當(dāng)電子從高能級躍遷到低能級時，會將多余能量以光子形式釋放出來余能量以光子形式釋放出來- 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 愛因斯坦提出：一定存在一種光子被吸收愛因斯坦提出：一定存在一種光子被吸收過程的過程的 逆過程，大量處于高能級的電子會逆過程，大

5、量處于高能級的電子會由于光子的激發(fā)躍遷到低能級并發(fā)射光子由于光子的激發(fā)躍遷到低能級并發(fā)射光子- 受激輻射（發(fā)射的光子特性相同）受激輻射（發(fā)射的光子特性相同）二二. 激光的種類和應(yīng)用激光的種類和應(yīng)用激光的種類：激光的種類：固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器，染料激光器固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器，染料激光器激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用高強(qiáng)度，方向性，單色性高強(qiáng)度，方向性，單色性 光學(xué)研究新發(fā)展光學(xué)研究新發(fā)展精密光譜學(xué)，激光冷卻，非線性光學(xué)，精密光譜學(xué)，激光冷卻，非線性光學(xué)，全息成像，全息成像， 在工業(yè)中應(yīng)用在工業(yè)中應(yīng)用切割，打孔，焊接，準(zhǔn)直，測量切割，打孔，焊接，準(zhǔn)直，測量 在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用在醫(yī)學(xué)

6、中應(yīng)用外科手術(shù)，針灸，激光治療，化驗(yàn)檢測外科手術(shù)，針灸，激光治療，化驗(yàn)檢測 在軍事上應(yīng)用在軍事上應(yīng)用激光雷達(dá)，激光武器，激光制導(dǎo)，信息傳激光雷達(dá)，激光武器，激光制導(dǎo)，信息傳遞遞 在農(nóng)業(yè)和生物學(xué)中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和生物學(xué)中的應(yīng)用育種，食品處理，檢測育種，食品處理，檢測 在通訊上應(yīng)用在通訊上應(yīng)用光通訊光通訊 光纖通訊原理光纖通訊原理光信號在光纖中全反射傳輸光信號在光纖中全反射傳輸 光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息高速公路的構(gòu)建光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息高速公路的構(gòu)建70年代發(fā)展起來的數(shù)字信號通訊技術(shù)將原始信號轉(zhuǎn)換年代發(fā)展起來的數(shù)字信號通訊技術(shù)將原始信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行傳輸（以二進(jìn)制代碼替代模擬信號）成數(shù)字信號進(jìn)行傳輸（以

7、二進(jìn)制代碼替代模擬信號）有利于信息長距離高質(zhì)量傳輸、再生，處理、存儲、有利于信息長距離高質(zhì)量傳輸、再生，處理、存儲、顯示、合成、模式識別與保密，可提供寬帶綜合業(yè)務(wù)顯示、合成、模式識別與保密，可提供寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)數(shù)字網(wǎng)通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星+光纖光纜光纖光纜+微波中繼微波中繼+計算機(jī)計算機(jī)+移動通信移動通信+數(shù)字信號技術(shù)數(shù)字信號技術(shù)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與通信結(jié)合，計算機(jī)控制與實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與通信結(jié)合，計算機(jī)控制與處理信息，傳統(tǒng)的模擬信號通訊模式逐處理信息，傳統(tǒng)的模擬信號通訊模式逐漸退出漸退出三三. 激光與信息高速公路激光與信息高速公路 隨著隨著InternetInternet的迅速普及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的迅速普

8、及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)(B-ISDN)的快速發(fā)展，人們對信息的需求呈現(xiàn)爆的快速發(fā)展，人們對信息的需求呈現(xiàn)爆炸性的增長（每半年翻一番）。光纖通信技術(shù)作炸性的增長（每半年翻一番）。光纖通信技術(shù)作為信息高速公路的核心和支柱得到空前發(fā)展。為信息高速公路的核心和支柱得到空前發(fā)展。 信息的生產(chǎn)、傳播、交換以及應(yīng)用對國民經(jīng)濟(jì)和信息的生產(chǎn)、傳播、交換以及應(yīng)用對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全有決定性的影響，光纖通信更具有特殊國家安全有決定性的影響，光纖通信更具有特殊意義。意義。 光纖通信系統(tǒng)是一個巨大的系統(tǒng)工程。各組成部光纖通信系統(tǒng)是一個巨大的系統(tǒng)工程。各組成部分互為依存、互相推動，共同發(fā)展。分互為依存、互相

9、推動，共同發(fā)展。移動通訊的發(fā)展移動通訊的發(fā)展 移動通訊移動通訊采用移動收發(fā)信機(jī)、蜂窩式基站、光纖、采用移動收發(fā)信機(jī)、蜂窩式基站、光纖、微波、衛(wèi)星傳輸及數(shù)字通訊技術(shù)組成微波、衛(wèi)星傳輸及數(shù)字通訊技術(shù)組成 第一代第一代特點(diǎn)為特點(diǎn)為模擬式模擬式，第二代第二代特點(diǎn)是特點(diǎn)是數(shù)字式數(shù)字式， 當(dāng)前第二代移動通訊面臨著頻帶不夠?qū)?，傳輸速度慢，?dāng)前第二代移動通訊面臨著頻帶不夠?qū)?，傳輸速度慢，?shù)據(jù)和圖象的傳輸難以實(shí)現(xiàn)同步的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)和圖象的傳輸難以實(shí)現(xiàn)同步的挑戰(zhàn) 為解決這些問題，為解決這些問題，第三代第三代碼分多址技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主碼分多址技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要特點(diǎn)是要特點(diǎn)是傳輸容量大和傳輸速度快傳輸容量大和傳輸速度快

10、 3G時代時代iPhone iPad四四.更多信息的獲取更多信息的獲取社會的發(fā)展需要社會的發(fā)展需要自然資源（礦物）自然資源（礦物）地形地貌（地圖，地質(zhì)）地形地貌（地圖，地質(zhì)）氣像（氣象及災(zāi)害預(yù)報）氣像（氣象及災(zāi)害預(yù)報）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（長勢，收成）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（長勢，收成）環(huán)境保護(hù)（大氣層，環(huán)境污染，全球變暖）環(huán)境保護(hù)（大氣層，環(huán)境污染，全球變暖）森林防火（報警）森林防火（報警）軍事監(jiān)測軍事監(jiān)測現(xiàn)代化的信息獲取途徑：發(fā)射各類衛(wèi)星現(xiàn)代化的信息獲取途徑：發(fā)射各類衛(wèi)星大功率多轉(zhuǎn)發(fā)器同步通信衛(wèi)星大功率多轉(zhuǎn)發(fā)器同步通信衛(wèi)星多功能氣象衛(wèi)星，資源衛(wèi)星多功能氣象衛(wèi)星，資源衛(wèi)星軍事偵察衛(wèi)星，導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星軍事偵察衛(wèi)星，導(dǎo)彈預(yù)

11、警衛(wèi)星 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) 海事衛(wèi)星海事衛(wèi)星 外空探測衛(wèi)星外空探測衛(wèi)星衛(wèi)星在距赤道上空衛(wèi)星在距赤道上空 35860 km 的軌道上與地球的自轉(zhuǎn)同步運(yùn)行。的軌道上與地球的自轉(zhuǎn)同步運(yùn)行。每一顆通訊衛(wèi)星可俯視地球三分之一的面積，利用同步軌道上等距離分布的三顆每一顆通訊衛(wèi)星可俯視地球三分之一的面積，利用同步軌道上等距離分布的三顆衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球通訊。衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球通訊。一顆衛(wèi)星有幾十個轉(zhuǎn)發(fā)器，可同時提供幾萬路電話線路或轉(zhuǎn)發(fā)幾十路電視。一顆衛(wèi)星有幾十個轉(zhuǎn)發(fā)器，可同時提供幾萬路電話線路或轉(zhuǎn)發(fā)幾十路電視。通訊衛(wèi)星通訊衛(wèi)星通過多通道高分辨率掃描輻射計、通過多通道高分辨率掃描輻射計、紅外分光計和微波輻射

12、計等遙感紅外分光計和微波輻射計等遙感器觀測地球，獲取氣象資料。器觀測地球，獲取氣象資料。 氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星是一個高懸在太空的氣象衛(wèi)星是一個高懸在太空的自動化高級氣象站，是空間、自動化高級氣象站，是空間、遙感、計算機(jī)、通信和控制等遙感、計算機(jī)、通信和控制等高技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。高技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1999年10月，我國和巴西聯(lián)合研制的第一顆數(shù)字傳輸對地遙感衛(wèi)星資源一號01星發(fā)射成功。星上裝有5譜段CCD 相機(jī)、4 譜段紅外多光譜掃描儀、2譜段寬視場成像儀等。2003年10月，我國與巴西合作研制發(fā)射成功了資源一號02星。這兩顆衛(wèi)星 的研制和發(fā)射成功，填補(bǔ)了我國資源衛(wèi)星的空白，衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用

13、于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、礦產(chǎn)、能源、測繪和環(huán)保等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的應(yīng)用成果， 資源衛(wèi)星資源衛(wèi)星間諜衛(wèi)星拍攝的照片間諜衛(wèi)星拍攝的照片 由衛(wèi)星上的由衛(wèi)星上的“成像遙感器成像遙感器”通過掃描方通過掃描方法拍攝地面場景圖像，并將這些法拍攝地面場景圖像，并將這些“高品高品位遠(yuǎn)距照相電視信號位遠(yuǎn)距照相電視信號”采用數(shù)字圖像的采用數(shù)字圖像的傳輸方式傳輸?shù)降孛嫘l(wèi)星接收站，傳輸方式傳輸?shù)降孛嫘l(wèi)星接收站， 美國美國“大鳥大鳥”間諜衛(wèi)星配備：一架分辨力極高間諜衛(wèi)星配備：一架分辨力極高的詳查照相機(jī)，可以看清在地面上行走的單個的詳查照相機(jī)，可以看清在地面上行走的單個行人；一架新行人；一架新 型膠卷掃描普查照相機(jī)，用它型

14、膠卷掃描普查照相機(jī)，用它來進(jìn)行地上大面積普查照相；一個可以在夜間來進(jìn)行地上大面積普查照相；一個可以在夜間看見地下導(dǎo)彈發(fā)射井的多光譜紅外掃描照相機(jī)?？匆姷叵聦?dǎo)彈發(fā)射井的多光譜紅外掃描照相機(jī)。 偵察衛(wèi)星偵察衛(wèi)星美國商用衛(wèi)星拍到朝鮮火箭升空軌跡 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)應(yīng)用范圍（民用）應(yīng)用范圍（民用）為船舶為船舶,汽車汽車,飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：飛機(jī)等運(yùn)動物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：1.船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水2.飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場降落3.汽車自主導(dǎo)航4.地面車輛跟蹤和城市智能交通管理5.緊急救生6.個人旅游及野外探險7.個人通訊終端（與手機(jī)，PDA，電子地圖等集成一體） 1.電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步2.準(zhǔn)確時間的授入3.準(zhǔn)確頻率的授入1.各種等級的大地測量，控制測量2.道路和各種線路放樣3.水下地形測量4.地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測5.GIS應(yīng)用6.工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制7.精細(xì)農(nóng)業(yè)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，中國用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，中國用“長征長征三號甲三號甲”運(yùn)載火箭將第四顆北斗導(dǎo)運(yùn)載火箭將第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星送入太空。航試驗(yàn)衛(wèi)星送入太空。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖 全球定位系統(tǒng)全球定