第一讲 微波的物理基础在线视频

各位同学 大家好

我是来自中国农业大学的李俐

今天由我带领大家一起来学习

微波的物理基础

关于这一部分我们主要讲述三个内容

首先是微波的概念

第二我们来一起看一下微波的传播特性

第三 我们看一下微波遥感及其特点

首先我们说第一个方面 微波的概念

微波 顾名思义就是微小的波

这个微小是指波长比较小

这个波又是什么呢

波它是一种振动的传播

而微波它是一种电磁波

所谓电磁波当然就是电磁振动的传播

根据麦克斯韦理论 我们知道

变化的磁场它可以激发出涡流电场

而变化的电场又可以反过来

激发涡流磁场

电场和磁场不是彼此孤立的

它们是相互联系 相互激发

组成一个统一的电磁场

微波有几个重要的参数

为了表述这几个关键参数

我们说一下微波的数学抽象表达

一般情况下

我们可以把微波抽象表达成

一个三角函数的形式

我们以正弦波为例

假如说有一个微波Y

它可以表达成

A乘以sin（WT+φ）的形式

这里头A当然就是

我们微波里头的一个关键参数振幅

实际上它是和微波的震动强度

有关的一个量

另外一个参数就是W

实际上也就是我们说的频率

它实际上是和微波波长对应的一个量

我们知道实际上

微波波长和频率之间有一个和

传播速度相关的这么一个关系

我们假设微波的传播速度等于

光速C

微波波长和频率

就可以有一个等于

C除以F的这么一个关系

而F和我们W之间又有一个

W等于2πF的关系

因此这个频率和波长

和我们看到的这个表达式里头的角频率

W之间就有一个对应关系

这个是微波的第二个重要的参数

另外我们看到这里头

有一个相位φ

它是微波的第三个重要参数

它实际上描述的是一个

波的振动状态的物理量

在微波传播里头

它和传播距离一般是密切相关的

除了这三个重要参数之外

还有一个在这个式子里头

我们可能直接的看不出来

但是也是微波的

一个重要参数的这么一个量

叫做极化

极化 大家可能不太熟悉

但是光学中大家可能听过偏振

这个极化其实和偏振是一个很类似的词

关于这个概念我们后面会

给大家做以解释

刚才我们说了微波

是指波长微小的电磁波

根据波长的大小

我们可以把电磁波分成长波

中波 短波 微波 红外线

可见光 紫外线

甚至到X射线 伽马射线等等

可以看到微波它的波长是

介于短波和红外线之间的

这么一段电磁波

确切的定义我们说微波是指

频率在300兆赫兹到300G赫兹的电磁波

转化成波长

实际上也就是说

波长在一毫米到一米范围的电磁波

现在我们常用的微波

它的频率范围是在

1G赫兹到40G赫兹

在频率范围内

人们为了使用方便

又定义了一些波段名称

就比如说我们定义1到2G赫兹

频率范围内的微波称之为L波段的微波

以此类推 我们定义了S波段C波段

X波段KU波段K波段KA波段等等

具体对应的频率范围

大家可以看一下这个表

现在在轨的雷达卫星是越来越多

我们这里大家看一下这个表

可以看到常用的雷达卫星

它所用的波段有L波段 C波段

X波段S波段等等

自从1978年发射了第一颗雷达卫星

SeaSAT以来 雷达卫星是越来越多了

这个表格里我们给出了

常见的雷达卫星它的一些参数

我们可以看到常用的频段主要有

L波段X波段C波段等等

下面我们讲第二个方面

微波的传播特性

其实微波的传播特性

最主要的体现在它的似光性上

我们知道光它具有波粒二象性

所谓的波粒二象性

也就是它具有波动性和粒子性

波动性主要反映在波具有这种

干涉衍射极化或者说偏振的特性

而粒子性它反映在

反射 折射 吸收 透射等等方面

所以根据似光性

我们说微波它显着的一个特性

就是说它的传播具有

这种直线传播的特性

我们也称之为具有视距传播的特性

所谓的视距也就是说视线距离

有障碍物就被挡住了

一般情况下

波长短的这种电磁波

它如果遇到反射物的几何尺寸

大于或者是和他波长相当

这时候传播的特性就与可见光

是基本相似的

也就是可能会发生

透射 反射 散射 绕射等等现象

微波的另外一个特性就是极化特性

刚才我们说到微波的极化特性

在光学里头有一个类似的概念叫偏振

所谓的偏振 我们知道光波在遇上

隙缝类的这种障碍物的时候

能够透过隙缝的振动分量

我们就称之为偏振

而微波里头我们规定了

电场矢量它的方向为极化方向

一般微波它的极化的方向

也就是电场矢量随时间的变化方向

要么是一条直线

要么是一个椭圆

人们的研究发现微波

它的这种极化特性

主要是有这么几种极化

一种是电场矢量

它随时间的变化是一条直线

我们称之为线极化

这个直线有可能是水平的

我们称之为水平极化

也有可能是垂直的

我们称之为垂直极化

除了这种线极化

我们说电场矢量它随时间的变化

也有可能是一个椭圆

假如说椭圆是一种左旋的椭圆

我们就称之为微波

是具有左旋椭圆极化的微波

假如这个椭圆是一个右旋极化的椭圆

我们就称之为是右旋椭圆极化的微波

当然还有一种特殊情况

就是圆极化我们可以认为

它是一种椭圆极化的特例

所以圆极化也分为

左旋圆极化和右旋圆极化

在微波遥感应用里头

我们常用的就是线极化

对于常见的主动微波遥感

就比如说雷达

我们需要有发射机和接收机

假如说发射机和接收机

他们采用的是相同的极化方式

我们得到的信号就是同级化的信号

假如说我们都采用水平极化的模式

我们得到的就是水平极化HH的信号

假如说我们采用的都是

垂直极化的模式

我们得到的就是垂直极化VV的信号

如果发射机和接收机采用

不同的极化模式

这时候我们得到的就是

交叉极化的信号

比如说我们的发射机采用的水平极化

我们的接收机采用的是垂直极化

那我们的信号就是HV极化的信号

反之我们得到的将是VH极化的信号

下面我们说微波的另外一个特性

就是相干特性

在具体的讲述相干特性之前

我们要说一下叠加特性

大家都知道

如果两列波在同一个空间中传播

这个空间上各点

它的总的振动实际上是

两列波单独振动的合成

合成当然就是指矢量和

如果这两列波满足一定的条件

可能就会发生干涉

下面我们就来说一下干涉

干涉是指两个或者两个以上频率相同

振动方向相同 相位差恒定

或者说相位差相等的

这么两组电磁波

他们在空间中传播的时候

在叠加时就可能造成

有的地方相互增强

有的地方相互削弱的现象

因此交叉区域就会出现

图像有的地方暗 有的地方亮

这种明暗相间的条纹

这就称为干涉现象

下面我们来讲第三个知识点

就是微波遥感及其特点

什么是微波遥感呢

当然顾名思义就是

用微波去遥远的感知地物的

这么一种技术

确切的来定义一下

就是用微波设备来探测接收

被测物体它在微波波段的

电磁辐射和散射特性

从而识别远距离物体的这种技术

微波遥感的特点

大家看很多资料的时候

经常提到的有三点

首先就是全天时的特点

什么叫全天时

顾名思义就是

全天24个小时我都可以获取图像

也就是说微波遥感它不依赖于日光

这里这幅图大家可以看一下

分别对应上午 下午和晚上的

光学和微波的图像

大家可以看到

光学的图像在上午的时候

信息量是比较大的

在下午的时候

受到一些天气状况的影响会比较差

晚上的基本上是没有任何信号的

而雷达的图像

大家可以看到这三幅图里头

上午 下午 晚上的图像

性能基本上没有任何的差异

微波遥感它的第二方面的特点

大家可能经常听到的就是

全天候的特性

什么是全天候呢

顾名思义就是说

在任何的天气气候条件下

我们都能够得到微波信号

这个实际上得益于

微波能够穿透云 雾 雨 雪的特点

因此微波遥感它不易受到天气的影响

能够适应各种复杂的这种气候条件

这里大家看这两幅图

分别对应的是微波对云和雨的

这种穿透特性图

我们可以看到我们常用的微波波段

1G赫兹到40G赫兹的范围内

微波的穿透性是非常好的

因此云雨对它的影响是微乎其微

几乎是可以忽略的

下面我们说微波遥感第三个特点

这第三个特点经常反映在

它具有良好的穿透性

这里穿透性不是我们刚才讲的

对云雾雨雪的穿透性

而是指它对地物具有一定的穿透性

也就是说它能够在一定程度上

获取地表下的信息

提供不同于光学遥感的这些信息

具体微波它能够穿透

植被和土层的厚度

穿透的程度等等

这些实际上和土壤的湿度

信号的频率 土壤的类型

植被的含水量等等都是密切相关的

这里大家可以看到这个图

这个图反映了不同的土壤

它的穿透特性

对于干沙来说

穿透性可以达到几十米

而对于冰层甚至能够穿透一百米左右

今天我们主要就给大家讲这几个内容

谢谢大家