量 子 遙 感 研 究

量子遙感研究

當今科學技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的迫切需求，對遙感科學技術(shù)提出了更高的要求。遙感應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，要求在新的層次上解決許多應(yīng)用基礎(chǔ)問題，如遙感信息、成像機理、電磁波輻射傳輸模型與地學影像特征規(guī)律等。新一代遙感儀器的遙感原理論證以及在遙感技術(shù)應(yīng)用的理論和方法等方面都需要繼續(xù)深入地開展研究。所以，根據(jù)遙感科技面臨上述的挑戰(zhàn)與困難，以及信息科學技術(shù)發(fā)展、量子信息技術(shù)、數(shù)字地球行星探測和國防安全的需要，我們對量子遙感進行了探索和研究，試圖創(chuàng)建其理論和技術(shù)體系。

很長時間以來，遙感在基礎(chǔ)理論、技術(shù)水平與應(yīng)用研究的各種傳感器、模型和計算誤差一直有未解決的問題，其主要原因是遙感所探測的地球表面是一個復雜的巨系統(tǒng)。量子遙感的提出主要基于21世紀人類將全面進入信息時代，現(xiàn)代科學技術(shù)進一步向著綜合集成和智能化的方向發(fā)展，它將有利于對復雜自然環(huán)境時空信息獲取與融合處理的應(yīng)用。

量子遙感概念

遙感一詞來自英語Remote Sensing，即“遙遠的感知”。廣義的遙感泛指一切無接觸的遠距離探測，包括對電磁場、力場、機械波（聲波、地震波）場等的探測。狹義的遙感是指應(yīng)用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析來揭示出物體的特性、性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術(shù)。

量子遙感是反映遙感在量子層次上運動規(guī)律的理論與方法，即反映遙感微觀微粒運動規(guī)律的理論，是以多時空、動態(tài)的地球表面系統(tǒng)為研究對象，以量子遙感信息、量子遙感技術(shù)、量子遙感通訊、量子遙感計算、量子遙感網(wǎng)絡(luò)和計算機信息處理為主體的技術(shù)系統(tǒng)。隨著量子遙感的出現(xiàn)，人們對于遙感信息機理、遙感計算、遙感技術(shù)及遙感的認識將會更加深入，從而能更深刻地掌握遙感的物理和化學信息及其規(guī)律，為利用這些規(guī)律服務(wù)于遙感理論、技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化開辟廣闊的途徑。

量子遙感與遙感的區(qū)別

遙感的基礎(chǔ)理論是建立在經(jīng)典物理學上的，主要是電磁波理論，它以電磁波傳輸方程為表達方式，對應(yīng)的方程是麥克斯韋方程；而量子遙感以量子力學為基礎(chǔ)理論，它主要以量子態(tài)為表達方式，對應(yīng)的方程是薛定諤方程。兩者在理論和方法上有著本質(zhì)的不同�，F(xiàn)代物理學研究的是由少數(shù)粒子構(gòu)成的“小”體系。如果知道了支配這些粒子的基本定律，原則上就可以預言由大量粒子構(gòu)成的宏觀物理體系的行為，這也正是量子遙感的研究意義所在。量子遙感的研究會給遙感提供更有力的證據(jù)，對遙感中未解決的問題從深層次上進行分析和研究，從而找到根本的解決方法。

量子遙感與遙感在光譜尺度上不同，其波段劃分級別從目前納米級遙感的10-7～10-10米細化至10-10～10-15米。成像光譜儀能獲得整個可見光、近紅外、短波紅外、熱紅外波段的多而很窄的連續(xù)光譜波段。波段數(shù)（或通道數(shù)）多至幾十甚至數(shù)百個，波段間隔在納米級內(nèi)，一般為10～20納米，個別達到2.5納米，目前的最高光譜分辨率在1納米左右，而量子遙感的光譜分辨率在0.1～10－4納米。量子遙感的光譜波段間隔更小，這中間包含著在更深層次上分析研究地物的波譜特性與波段特征的可能性，也就存在提高對各種地物識別精度的現(xiàn)實性。

遙感器是遙感的信息源，基于上述理論和方法不同，量子遙感與遙感在遙感器的設(shè)計方面也不同，最重要的是各自收集的信號不同。因此在設(shè)計收集器時，它們的結(jié)構(gòu)會有很大的不同。量子遙感器對硬件的要求要更高、更精密。

遙感是一種遠離目標，通過非直接截獲進而判定、測量并分析目標性質(zhì)的技術(shù)。從本質(zhì)上說就是對地球表面的地學過程和現(xiàn)象進行非接觸式的物質(zhì)量測量，即通過遠離地面的遙感器來收集、獲取量化的信息，再通過光學和計算機的處理、反演和復原來分析和揭示自然現(xiàn)象和過程的規(guī)律，從空中和空間實現(xiàn)對地觀測�？梢哉J為，遙感信息是遙感的精髓，遙感的整個過程都是圍繞遙感信息而展開的。量子遙感是以多時空、動態(tài)的地球表面系統(tǒng)為研究對象，以量子遙感技術(shù)、量子通信、量子計算網(wǎng)絡(luò)和計算機信息處理為主體的技術(shù)系統(tǒng)。量子遙感的核心和目的是深入探索遙感信息機理、客觀準確地計算模型方法和圖像處理以及開創(chuàng)量子遙感信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

量子遙感研究與實驗

量子遙感包括基礎(chǔ)理論與模型、量子遙感信息機理、量子遙感實驗、量子遙感計算、量子遙感技術(shù)、量子遙感通訊、量子遙感網(wǎng)絡(luò)和量子遙感應(yīng)用等幾部分。量子遙感提出以后，在基本概念、研究思路、基礎(chǔ)理論和模型上進行了探索研究，目前還在不斷完善中。在已有的研究內(nèi)容基礎(chǔ)上，我們對量子遙感的量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃畔⑻幚矸矫嬉策M行了研究。

在實驗研究方面，基于理論研究的成果我們進行了量子遙感中遠紅外實驗研究。紅外光是靠分子振動－轉(zhuǎn)動躍遷輻射引起的，紅外吸收透射帶的位置、波峰數(shù)目以及譜帶的強度都可以反映分子結(jié)構(gòu)上的特點，可以用來鑒定物質(zhì)的組成。紅外光譜分析特征性強，因此對中遠紅外光譜的研究將會對研究遙感機理有很大的幫助，而且很有可能會幫助我們解決在遙感中出現(xiàn)的難題，并且在量子遙感光譜的精細結(jié)構(gòu)分析中，中遠紅外的光譜分析也是一個非常重要的組成部分。

目前紅外在物理化學中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是其在遙感應(yīng)用的范圍還是很有局限的，遠紅外（即熱紅外）也主要還是用于熱輻射。在此次的中遠紅外實驗中，從另外一個角度透射來研究其光譜，這將為紅外在量子遙感中的應(yīng)用研究開辟一種新的思路。

不同波長的電磁波與物質(zhì)的相互作用有很大差異。也就是物體在不同波段的光譜特征差異很大，所以光譜特征是遙感最基本的特征。因此，我們研制各種不同的探測器和設(shè)計多種不同的波譜通道來采集信息。對于遙感信息的多波段特性，我們多用光譜分辨率來描述。在本次實驗中，我們每組樣本都選用了9個不同的光譜分辨率的光譜曲線來進行比較。

為了更好地研究量子遙感的光譜，我們在做實驗之前對全國的實驗室進行了調(diào)研，并進行了仔細的研究，最后確定選用傅立葉變換光譜儀作為實驗儀器，主要是因為傅立葉變換光譜儀具有多通道和高通量的優(yōu)點，其光譜分辨率為0.09厘米-1。具體實驗的流程可概括為：先選取好實驗樣本，然后用不同的分辨率對不同的樣本分別進行光譜測量，最后導出數(shù)據(jù)進行處理并做出光譜圖。實驗中采用了兩個實驗樣本，分別為3.0密耳(mil)的聚苯乙烯和1.5密耳(mil)的聚苯乙烯(其中1mil=0.001mm)。本次實驗數(shù)據(jù)是用Origin軟件來進行處理的。光源發(fā)出的輻射經(jīng)干涉儀轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀庠偻ㄟ^實驗樣本后，包含的光信息需要經(jīng)過數(shù)學上的傅立葉變換解析成普通的光譜圖，所以在實驗結(jié)果中透射率既有大于100％的也有小于0的。

在多光譜遙感中，可見光波段對水體的透射能力最多可以達到30米（對清水）。中紅外遙感的透射能力是很弱的。在熱紅外遙感中，我們通常會假設(shè)研究目標是不透明體，即透射率為0。但是在我們的實驗中顯然樣本在這個波段內(nèi)透射率還是很高的，這有可能會為我們在量子遙感的熱紅外波段研究提供很好的資料。紅外吸收透射帶的位置、波峰數(shù)目以及譜帶的強度都可以反映分子結(jié)構(gòu)上的特點，可以用來鑒定物質(zhì)的組成。紅外光譜分析特征性強，它在許多學科中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

我們通過對上述實驗的結(jié)果分析得出以下三個結(jié)論。

第一，從實驗的光譜曲線來看，分辨率越大圖像的細節(jié)顯示就越多，32納米相當于多光譜的光譜分辨率。光譜曲線比較平滑，只能反映樣本的光譜反映趨勢，細節(jié)的特征比較難看出。對于樣本的組成成分更是難以分析，從曲線上無法判別。從在高光譜分辨率范圍之內(nèi)的16納米的光譜圖上看，細節(jié)信息明顯比32納米的光譜曲線多，樣本在紅外波段的透射信息比較詳細。在1500波數(shù)附近和3000波數(shù)附近，出現(xiàn)了32納米沒有的透射波谷。分辨率越大,采樣間隔越小, 所以曲線的細節(jié)越多。從所有的光譜曲線上看，樣本的大體透射規(guī)律為：在遠紅外波段的透射率遠大于在中紅外波段的透射率。但是在波數(shù)3000左右出現(xiàn)了實驗中的透射最低谷，而透射最高峰卻在中紅外波數(shù)500左右。

第二，本次實驗的樣本是固體，實驗顯示的光譜曲線說明了中遠紅外對固體的透射能力是我們以前不曾注意的，這也使熱紅外遙感不僅僅應(yīng)用于熱輻射的研究中，并且為我們在量子遙感光譜的精細結(jié)構(gòu)研究中提供了依據(jù)。

第三，本次實驗的透射光譜曲線可以很好的反映物質(zhì)的組成，這將會對遙感中的混和像元的分析研究提供一個新的研究方法。

[1] 畢思文.量子遙感的概念、框架與內(nèi)涵探索研究．紅外與毫米波學報，2003，22（增刊）：1

[2] 遙感研究會（日）.遙感精解.劉勇衛(wèi)，賀雪鴻譯.北京，測繪出版社，1993

[3] 趙英時等．遙感應(yīng)用分析原理與方法.北京，科學出版社，2003

[4] 威切曼．量子物理學. 復旦大學物理系譯.北京，科學出版社，1978

[5] 畢思文，韓力群. 量子遙感光譜的精細結(jié)構(gòu). 紅外與毫米波學報，2003，22（增刊）：45

[6] 畢思文，韓力群. 量子遙感的光的發(fā)射與吸收機理. 紅外與毫米波學報，2003，22（增刊）：29

[7] 李小文，汪駿發(fā)，王錦地等．多角度與熱紅外對地遙感．北京，科學出版社，2001

關(guān)鍵詞：遙感  量子遙感  中遠紅外實驗  光譜圖
遙感與量子遙感比較

比較項目	遙感	量子遙感
目標物特性	任何目標物都有發(fā)射、反射和吸收電磁波的性質(zhì)，這是遙感的信息源。目標物與電磁波的相互作用，構(gòu)成了目標物的電磁波特性，它是遙感探測的依據(jù)。	微觀粒子具有波動－粒子二象性，其運動狀態(tài)的描述方式及其隨時間演化的規(guī)律是用描述粒子狀態(tài)的波函數(shù)和量子態(tài)來表示的。
信息獲取	接受、記錄目標物電磁波特征的儀器，稱為傳感器或遙感器。如：掃描儀、雷達、攝影機、攝像機、輻射計等。	接受、描述目標粒子狀態(tài)特征的遙感器。
信息接收	傳感器接收到目標地物的電磁波信息，記錄在數(shù)字磁介質(zhì)或膠片上。膠片是由人或回收艙送至地面回收，而數(shù)字介質(zhì)上記錄的信息則可以通過衛(wèi)星上的微波天線傳輸給地面的衛(wèi)星接收站。	量子通訊是量子遙感信息接收的基礎(chǔ)。1993年，利用糾纏態(tài)遠程傳送量子態(tài)信息的實驗成功更說明了這一點。
信息處理	地面站接收到遙感衛(wèi)星發(fā)送來的數(shù)字信息，記錄在高密度的磁介質(zhì)上，并進行一系列的處理，如信息恢復、輻射糾正、衛(wèi)星姿態(tài)校正、投影變換等，再轉(zhuǎn)換為用戶可使用的通用數(shù)據(jù)格式，或轉(zhuǎn)換成模擬信號（記錄在膠片上），才能被用戶使用。地面站或用戶還可以根據(jù)需要進行精糾正處理和專題信息處理、分類等。	需要用量子計算、量子信息技術(shù)、量子計算機以及量子網(wǎng)絡(luò)來進行處理。

（a）	（b）

實驗樣本的光譜圖  圖中（a）、（b）兩圖分別為3.0mil和1.5mil樣本的所有分辨率曲線的疊加圖。兩圖都列出了樣本的9個不同分辨率（分別是0、125、0.25、0.5、1、16、2、32、4、8）的光譜圖的疊加，波數(shù)范圍約從500到3400，波段范圍都大約在3～20微米。雖然兩個樣本只是厚度不同，但是它們的光譜曲線還是有很大的區(qū)別的。在波數(shù)為1500左右時也就是中遠紅外的分界處，兩圖曲線起伏都較大，這與儀器的結(jié)構(gòu)原理以及樣本的自身成分有很大關(guān)系。