Question

电磁波的基本特征

Answer 1

根据电磁场的理论，电和磁是紧密联系着的两种运动形式。变化的电场能够在其周围激起磁场的变化，同样，变化的磁场也能在其周围激起电场的变化，这种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波(图2-1)。在电磁波里，电场矢量E和磁场矢量B互相垂直，并且都垂直于电磁波传播方向v。用来表征电磁波的主要物理量有振幅(A)、波长(λ)、周期(T)和频率(υ)等(图2-2)。

图2-1电磁振荡在某一方向传播示意图

γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这些电磁波的本质完全相同，只是它们的频率(或波长)不同而具有不同的特性。电磁波在传播过程中，波长、强度、传播方向、偏振面会发生变化，产生反射、折射、吸收、散射、偏振等物理现象。

1.波粒二象性

电磁波具有波粒二象性。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。电磁辐射以波的形式在空间传播，因此电磁波具有波的特性(如干涉、衍射、偏振和散射等现象)，可以用波长、速度、周期和频率来表征。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，粒子性表现越明显;而长波电磁波则主要表现出波动性。

图2-2电磁波函数

2.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，而在其他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)，即波的传播是独立的，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，这种现象称为电磁波的相干。

3.衍射

电磁波传播遇到有限大小的障碍物时，能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物的后面传播，波的这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象称为电磁波的衍射。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，影响接收效果。

4.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)。电磁波的极化现象是影响微波图像灰度的一个重要因素。

5.多普勒效应

电磁波因辐射源(或观察者)相对于传播介质的运动，而使观察者接收到的频率发生变化。当频率为f的波源向着观察者运动时，观察者接受到的频率f'＞f;当波源背向观察者运动时，则f'＜f，这种现象称为多普勒效应。而遥感技术中的合成孔径侧视雷达，其工作原理就是利用多普勒效应。