南京大学国际地球系统科学研究所 遥感物理讲座-2电磁波（辐射）理论.pptVIP

《遥感物理》课程讲座-2----电磁波（辐射）理论 田 庆 久 南京大学国际地球系统科学研究所 2005年3月10日 * * --- 南京大学硕士研究生课程--- 波 波动方程 相速与群速 纵波与横波 多普勒效应 波的叠加原理 波的干涉 波的衍射 波的偏振 目 录 电磁波与麦克斯韦方程 电磁波 麦克斯韦方程 电磁波谱 波粒二象性 电磁波的传播 电磁波辐射度量 电磁辐射从辐射源到遥感器之间的传输过程中，要经历吸收、再辐射、反射、散射、偏振及波谱重新分布等一系列过程。地球表面物体由于其电子，离子、分子以及晶体的振动和转动等物理过程而具有波谱特性（分为原子光谱、分子光谱、固体（晶格结构）光谱）。 不同的地物由于其组成成分、内部结构和表面状态以及时间、空间环境的不同，它们辐射、反射、吸收和透射等电磁波谱特性也不同。而且许多地物在可见光至热红外波段内都具有与它们组分有关的光谱吸收特征，而且许多地物的光谱吸收特征具有专一性。 应用遥感技术对地面物体进行探测，就是以各种物体的电磁辐射的反射、透射、吸收和发射等电磁辐射的变化特征为基础的。而电磁辐射传输中的变化取决于它与有关介质所发生的相互作用。 遥感物理就是研究和了解电磁辐射与地物相互作用的机理和过程，这对认识所获得的遥感数据以及识别地物目标是必不可少、至关重要的研究内容。 遥感物理 一、波动方程 振动的传播称为波。 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，如振动弹簧一端，使振动传向弹簧另一端。 若质点振动方向与波的传播方向垂直，称横波，如上述绳子抖动产生的波。电磁波就是典型的横波。 凡是是符合余弦变化规津的振动称为简谐振动，它是各种周期运动中最简单的运动。任何—个复杂的振动可分解为一系列的简谐振动的线性叠加或者积分形式。在简谐振中系统的能量是守恒的。 简 谐 波 波动方程 一个自由度的自由振动系统有形式相同的微分方程。方程解的形式也均相同，为： ψ（t） = A0cos(ω0t +φ0)= A0ei(ω0t +φ0) 式中A0称为振动的振幅，在不同的物理问题中有不同的含义，如在单摆中A0表示摆的最大摆角φ0。，在LC回路中表示电流变化的最大幅度I。等。φ0称为初位相，即t＝0时的位相。ω0称为圆频率，它的表达式与具体的物理问题有关。 ω0与振动频率ν0的关系为：ω0 = 2πν0。 频率ν0与周期T的关系为：ν0 = 1/T。 上式可写为：ψ（t）=A0cos(2πν0t +φ0) 另外波矢：K = 2π/λ； c = ω/K，k的正负代表波的传播方向。当距离间隔为λ= 2π/K时的整数倍时，振动的情况是完全相同的。 波长λ及振动频率ν与波速c之间满足下式的关系：λ*ν=c 此式为振动与波动之间建立了联系，是个常用的公式。 二、相速和群速 指某一振动频率波束的等相位面移动的速度，称为相速。单频波的相速即为其波速。当波束在介质中传播时，相速是频率的函数，因此不同频率(波长)的波束在同一方向传播时它们的相速是不同的，单用相速就不能描述多频波束的运动状态，为了描述多频波整体的运动速度，需要引入群速的概念。 任意一个实际的波束总可以分解为不同频率单频波的叠加，当这些单频波之间的相速相差不多时，这个波群能传播相当长一段距离而不发生明显的离散现象，这时群速可作为波束整体的传播速度。对频谱较宽、相速相差很多的波束，传播很短的距离就发生明显的离散现象，因而群速也失去物理意义了。 相 速 根据叠加原理，它们的波动方程： 式为：ψ（t）= A0ei(ωt-Kx)+ A0ei[(ω+δω)t-(K+δK)x] 此式代表两个沿x轴传播的平面波，它们的圆频率相差为δω。,且ω＞＞δω，波矢差为δK， 而K＞＞δK。υ=δω/δK 即为群速，如果相速不随波长改变，则相速与群速就相等。 三、纵波与横波 在纵波中振动方向与传播方向是一致的，因而传播方向确定后振动方向是唯一的；而在横波中传播方向确定后振动方向并不是唯一的， 。如果x为波动的传播方向，则振动方向可以是yz平面内的—个任意方向，一般它是可以随时间变化的。如果振动方向也是唯—的，不随时间改变，如y轴方向，则称此横波为线偏振的，也就是振幅A。在y轴方向的分量为一常数，而在z方向的分量