Question

电磁辐射的基本特征

Answer 1

电磁辐射在遥感中常指电磁波,实际上是电磁波通过空间或媒质传递能量的物理现象,即电磁能量以波的形式发射的过程。它具有下列特征:

(一)电磁波的传播

电磁波的传播是能量存在的一种形式,在传播过程中,其波长(或频率)、强度、传播方向和偏振面会发生变化,如反射、折射、吸收、散射、偏振等。波长、强度、传播方向、偏振面是描述电磁波的四个基本物理量。

电磁波所以能够传递信息是与上述四个基本参量密切相关的。例如在可见光范围,由于波长或频率的不同,给人们以各种颜色的信息;电磁辐射源与目际之间的相对运动会产生频率移动的多普勒效应,利用此效应可获得目标速度的信息。根据电磁波的传播方向、振幅和极化面的变化,可获得有关目标的位置、形状(包括方位、距离、图像)等信息。

(二)电磁波的叠加和相干

当振动方向和振动频率均不同的多列电磁波在空间相遇时,相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量和,而在其它位置每一列波仍保持原有的特征(振动方向、频率等保持不变),因此,波的传播是独立的,这就是叠加原理。电磁波的叠加原理适合于大多数常见介质中传播的电磁波。

两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时,某些部位处于振动永远加强,而另一些部位则处于振动永远减弱或完全抵消的现象,称为电磁波的相干。对于相干辐射,探测器在某一位置可能接收到较多的能量,而在另一位置可能接收到较少的能量;对于非相干辐射,探测器接收的平均能量等于每列波单独投射时的平均能量之和,且不受探测器位置变化的影响。相干作用的结果使影像产生颗粒状或斑点,影响人们对图像的解译。

(三)电磁波的衍射

如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上,将会有一部分波从障碍物的边界外通过,这部分波在超越障碍物时,会改变方向绕过其边缘而达到障碍物后面的阴影区。电磁波通过障碍物边缘所引起的这种使一些辐射量发生方向改变的现象称为电磁波的衍射。在遥感测量中不得不考虑电磁波衍射效应的影响。例如,在微波遥感中当电磁波到达遥感天线时,被天线孔径切割或截获时要发生衍射,使接收效果受到影响。

(四)电磁波的偏振(极化)

电磁波是交变电磁场在空间的传播,在传播过程中,电场强度、磁场强度和传播方向三者之间始终保持垂直。通常电场强度在各个方向(垂直于传播方向的平面上)是相等的,若其总是固定在某个方向振动,则称电磁波在该方向被极化(偏振)。依电场强度与入射面(通常是地表面)的关系分为水平极化(H)和垂直极化(V),水平极化两者互相垂直,垂直极化两者互相平行。电磁波的极化现象在微波遥感技术中有很重要的意义,是影响微波图像灰度的一个重要因素。

利用平面偏振以及它在各种物质表面的反射、透射特性,我们就能预计相应的回波强度;反之,根据回波强度,我们也可以判断物体的特性,这就是偏振波在遥感中的意义所在。例如,用微波辐射计测量1.41GHz、8.36GHz、19.34GHz三个频率上的海面亮度温度时发现,当入射角为55°时,海面风速对垂直极化的亮度温度没有贡献,而水平极化的亮度温度却随风速增加而增加。在19.34GHz,风速每增加1m/s,水平极化的亮度温度增加约1.1K。

(五)电磁波的多普勒效应

当一个频率为f的电磁辐射源向着观察者运动或者背着观察者运动时,则观察者从这个源所接收到的辐射将具有另一个频率f′。如果这个辐射源向观察者运动时,f′大于f;如果背离观察者运动时,则f′小于f。由观察者和辐射源的相对运动所引起的电磁辐射的频率改变,就叫多普勒效应。

电磁波的多普勒效应在民用遥感技术上的应用还很少见有公开报导。

(六)电磁波的波粒二象性

电磁波具有波动性和粒子性两方面特征,即具有波粒二象性。波动性就是它的时空周期性,可以用波长、速度、周期和频率来表征,它主要表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、散射等现象。粒子性是指电磁波是由密集的光子微粒流组成的,电磁波实质上是光子微粒流的有规律的运动,主要表现为电磁辐射的光电效应、康普顿效应等。用统计的观点把波和粒子的二象性联系到一起,波是粒子流的统计平均,而粒子是波的量子化。

不同波长的电磁波,其波动性和粒子性表现的程度不一样,较短波长的电磁波主要表现出粒子性,波长越短,粒子性表现愈明显;而长波电磁波则主要表现出波动性。