自由空間中的電磁波.ppt

1、微波遙感技術(shù),2020/8/22,1,第一章 自由空間中的電磁波,授課老師：李亞超,2020/8/22,2,自由空間中的電磁波 教學(xué)內(nèi)容,電磁波的基本特征 電磁波的極化特性 電磁波的干涉與衍射 微波的多普勒效應(yīng),2020/8/22,3,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,空間任何一處只要存在著變化的電場(chǎng)，它就能夠在周圍空間激發(fā)磁場(chǎng)；同樣，變化的磁場(chǎng)也能夠在它的周圍空間激發(fā)電場(chǎng)。這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量不斷地相互轉(zhuǎn)化，就能形成隨時(shí)間而變化的交變電磁場(chǎng)并以波動(dòng)的形式在空間傳播。 所謂電磁波，就是以波動(dòng)形式在空間傳播并傳遞電磁能量的交變電磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)總是不可分離地聯(lián)系在一起的。既不會(huì)有與磁場(chǎng)分離的純

2、電波，也不會(huì)有與電場(chǎng)分離的純磁波。在自由空間中傳播的電磁波一般是平面波，它是一種電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直的橫波。,任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外界輻射電磁波,2020/8/22,4,電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直，且都位于與傳播方向垂直的平面上，該平面所有點(diǎn)上電場(chǎng)或磁場(chǎng)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。在離點(diǎn)波源較遠(yuǎn)處，沿波的傳播方向取一局部范圍來看，在這范圍內(nèi)的波面都是平行的，這樣的波可近似看成平面波。如射到地面的太陽(yáng)光波可看成平面波。,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,2020/8/22,5,波函數(shù)由振幅和相位組成，一般遙感器僅僅記錄電磁波的振幅信息，丟失相

3、位信息。微波遙感中，同時(shí)記錄了振幅信息和相位信息。,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,2020/8/22,6,1） 不需要傳播介質(zhì),2） 橫 波,3） 波動(dòng)性,4） 疊加原理,5） 相干性和非相干性,6） 衍射和偏振（遙感器的幾何圖象分辨率，波長(zhǎng)越 長(zhǎng)，偏振現(xiàn)象越顯著，偏振攝影和雷達(dá)成像）,7）多譜勒效應(yīng)（合成孔徑側(cè)視雷達(dá)）,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,2020/8/22,7,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,為了學(xué)習(xí)更加復(fù)雜形式的電磁波，首先對(duì)均勻平面波進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。,基礎(chǔ)知識(shí)（麥克斯韋方程）,電磁場(chǎng)量與介質(zhì)特性量的關(guān)系,2020/8/22,8,自由空間中的電磁波 電磁波

4、的基本特征,為了學(xué)習(xí)更加復(fù)雜形式的電磁波，首先對(duì)均勻平面波進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。,均勻平面波的解（公式推導(dǎo)） 均勻平面波的傳輸特性 電磁波譜特性,2020/8/22,9,電磁波譜中各波段,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,2020/8/22,10,1）無(wú)線電波,頻率相對(duì)較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波長(zhǎng)范圍從幾千km0.3m。短波被大氣層全部反射，中波長(zhǎng)波被電離層吸收，因此無(wú)線電波不能穿透大氣層。,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,無(wú)線電波傳播途徑,電波傳播特性,2020/8/22,11,2）微波,波長(zhǎng)0.1100cm,實(shí)際是無(wú)線電波的一部分 毫米波:1mm10mm 厘米波:1cm10cm 分米波:1dm

5、10dm 特點(diǎn)： 穿透性（云、霧、冰） 不受氣候和晝夜影響 能量弱 多用于雷達(dá)或其他通信領(lǐng)域,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,2020/8/22,12,3）紅外線,波長(zhǎng) 0.761000um 根據(jù)波長(zhǎng)分為： 近紅外 0.763 um 中紅外 3 6 um 遠(yuǎn)紅外 6 15 um 超遠(yuǎn)紅外 151000 um 能較好的表現(xiàn)其波段內(nèi)的物體輻射特性，可應(yīng)用于遙感探測(cè),自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,紅外線的應(yīng)用事例夜視儀探測(cè)人體熱量，紅外線成像 測(cè)距儀以紅外線作為載波的一種測(cè)量距離的精密儀器 理療機(jī)使用遠(yuǎn)紅外線的熱效應(yīng)治療 熱尋的導(dǎo)彈跟蹤飛機(jī)尾部熱量的導(dǎo)彈，著名的美國(guó)響尾蛇,2020/8

6、/22,13,4）可見光,波長(zhǎng)為 0.4 0.7 um，能被人眼直接分辨的電磁波,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,特別注意：有人說物體的顏色是物體吸收了其它色光，反射了這種顏色的光。這種說法是不對(duì)的。比如黃綠色的樹葉，實(shí)際只吸收了波長(zhǎng)為400 435nm 的紫光，顯示出的黃綠色是反射的其它色光的混合效果，而不只反射黃綠色光。,不同光色對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),紅外線的應(yīng)用事例遙感技術(shù)在傳統(tǒng)航空攝影偵察和航空攝影測(cè)繪中應(yīng)用廣泛。 通信技術(shù)-利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號(hào)來傳輸信息。,2020/8/22,14,5）紫外線,波長(zhǎng)為 10380 nm 具有顯著的化學(xué)效應(yīng)和熒光效應(yīng)；

7、,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,短波紫外線：簡(jiǎn)稱UVC。是波長(zhǎng)200280nm的紫外光線。,中波紫外線：簡(jiǎn)稱UVB。是波長(zhǎng)280320nm的紫外線。,長(zhǎng)波紫外線：簡(jiǎn)稱UVA。是波長(zhǎng)320400nm的紫外線。,紫外線應(yīng)用方面如下： 化學(xué)：涂料固化，顏料固化，光刻 生物學(xué)：紫外線滅菌法，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，誘殺蚊蟲 儀器分析：礦石，藥物，食品分析 應(yīng)用：人體保健照射，誘殺害蟲，油煙氧化，光觸酶（二氧化鈦）,2020/8/22,15,6）X 射線,波長(zhǎng)為 0.1 10 nm，在大氣中全部被吸收，不能用于遙感。,自由空間中的電磁波 電磁波的基本特征,7） 射線,2020/8/22,16,自由空間中的

8、電磁波 電磁波的基本特征,本節(jié)課后作業(yè),假設(shè)區(qū)域無(wú)源自由空間，利用麥克斯韋方程求解均勻平面波的解？ 分析無(wú)線電波和微波的差異、特性以及應(yīng)用情況？ 微波頻段中X波段的特性以及應(yīng)用范圍？ 在對(duì)人體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，電磁波的哪幾種波段可以被利用，其原理和特點(diǎn)是什么？特別是微波電磁波的探測(cè)特性和原理。,本章未完待續(xù)。,2020/8/22,17,自由空間中的電磁波 電磁波的極化特征,極化：電磁波電場(chǎng)或和磁場(chǎng)的方向（相對(duì)傳播方向） 兩種方式 固定時(shí)間上空間電/磁場(chǎng)的方向分布 空間規(guī)定位置上電/磁場(chǎng)方向的變化情況（遙感中常用） 線極化 圓極化 橢圓極化,2020/8/22,18,自由空間中的電磁波 電磁波的極化特

9、征,極化的形式數(shù)學(xué)模型分析（線極化、圓極化和橢圓極化）？（公式推導(dǎo)）,不同形式極化示意圖,2020/8/22,19,自由空間中的電磁波 電磁波的極化特征,極化方向的定義 在一定的坐標(biāo)系中定義 坐標(biāo)系的選擇是任意的 極化平面是垂直于傳播方向的平面 遙感中的定義： X方向：平行于地球表面（斜入射）； Y 方向：極化平面內(nèi)與X方向垂直. 極化特性是二維特性 平面內(nèi)定義； 可以用兩個(gè)正交基的迭加表示； 正交：互不包含； 水平極化和垂直極化。,極化波的描述,2020/8/22,20,自由空間中的電磁波 電磁波的極化特征,同極化波的迭加干涉 時(shí)諧（正弦）函數(shù)的迭加 相同的頻率 極化波的迭加（意義） 極化測(cè)

10、量只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交極化分量； 利用兩個(gè)正交極化分量推導(dǎo)目標(biāo)的實(shí)際極化特征。,極化波的迭加,2020/8/22,21,自由空間中的電磁波 電磁波的干涉,在物理學(xué)中，干涉是指滿足一定條件的兩列相干光波相遇疊加，在疊加區(qū)域某些點(diǎn)的光振動(dòng)始終加強(qiáng)，某些點(diǎn)的光振動(dòng)始終減弱，即在干涉區(qū)域內(nèi)振動(dòng)強(qiáng)度有穩(wěn)定的空間分布,干涉現(xiàn)象,干涉的數(shù)學(xué)模型分析？（公式推導(dǎo)）,干涉產(chǎn)生需要滿足的條件 電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都必須分別具備相同的振動(dòng)方向 頻率必須相同 路程差不能太大 振幅不能懸殊太大,干涉示意圖,干涉結(jié)果公式表示,2020/8/22,22,自由空間中的電磁波 電磁波的衍射,在物理學(xué)中，衍射是指波遇到障礙物或小孔后通過散射繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，孔隙越小，波長(zhǎng)越大，現(xiàn)象越顯著,單縫衍射示意圖,衍射的數(shù)學(xué)模型分析？（公式推導(dǎo)）,P點(diǎn)接收結(jié)果,2020/8/22,23,自由空間中的電磁波 電磁波的多普勒效應(yīng),電磁波因輻射源（或者觀察者）相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而使觀察者接受到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。 （合成孔徑雷達(dá)的工作原理） 虛擬大孔徑實(shí)現(xiàn)高分辨成像,