第一节 电磁波与电磁波谱

一、电磁波及其特性

波是振动在空间的传播。如在空气中传播的声波，在水面传播的水波以及在地壳中传播的地震波等，它们都是由振源发出的振动在弹性介质中的传播，这些波统称为机械波。在机械波里，振动着的是弹性介质中质点的位移矢量。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的电磁振荡在空间的传播，这些波叫做电磁波。在电磁波里，振荡的是空间电场矢量 E 和磁场矢量 B。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。

电磁波是通过电场和磁场之间相互联系传播的。根据麦克斯韦电磁场理论，空间任何一处只要存在着场，也就存在着能量，变化着的电场能够在它的周围空间激起磁场，而变化的磁场又会在它的周围感应出变化的电场。这样，交变的电场和磁场是相互激发并向外传播，闭合的电力线和磁力线就象链条一样，一个一个地套连着，在空间传播开来，形成了电磁波。实际上电磁振荡是沿着各个不同方向传播的。这种电磁能量的传递过程（包括辐射、吸收、反射和透射等）称为电磁辐射。电磁波是物质存在的一种形式，它是以场的形式表现出来的。因此，电磁波的传播，即使在真空中也能传播。这一点与机械波有着本质的区别，但两者在运动形式上都是波动。基本的波动形式有两种：横波和纵波，横波是质点振动方向与传播方向相垂直的波，电磁波就是横波。纵波是质点振动方向与传播方向相同的波。例如，声波就是一种纵波。

波动的基本特点是时、空周期性。时、空周期性可以由波动方程的波函数来表示，如图 2-1 所示。

单一波长电磁波的一般函数表达式为：

ψ=Asin[（ωt-кx）+φ] （2-1）

式中ψ——波函数（表示电场强度）；A——振幅；（ωt-kx）＋φ——位相； φ——初位相；ω=2π/T——圆频率；k=2π/λ——圆波数；t、x——时、空变量（t 表示时间，x 表示距离）。

波函数由振幅和位相组成。一般传感器仅记录电磁波的振幅信息，而舍弃位相信息；在全息摄影中，除了记录电磁波的振幅信息，同时也记录位相信息。

以上介绍了电磁辐射以波动的形式在空间传播。因此，电磁波具有波动的特性（如干涉、衍射、偏振和色散等现象）。同时，电磁波还具有粒子（量子）性。电磁辐射的粒子性，是指电磁波是由密集的光子微粒组成的，电磁辐射实质上是光子微粒流的有规律运动，波是光子微粒流的宏观统计平均状态，而粒子是波的微观量子化。电磁辐射在传播过程中，主要表现为波动性； 当电磁辐射与物质相互作用时，主要表现为粒子性，这即谓电磁波的波粒二象性。遥感传感器所探测到的目标物在单位时间辐射（反射或发射）的能量， 由于电磁辐射的粒子性，所以某时刻到达传感器的电磁辐射能量才具有统计性。电磁波的波长不同，其波动性和粒子性所表现的程度也不同，一般来说， 波长愈短，辐射的粒子特性愈明显，波长愈长，辐射波动特性愈明显。遥感技术正是利用电磁波波粒二象性这两方面特性，达到探测目标物电磁辐射信息的。