量 子 遙 感 研 究

量子遙感研究

當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迫切需求，對遙感科學(xué)技術(shù)提出了更高的要求。遙感應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(jī)理、電磁波輻射傳輸模型與地學(xué)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(xué)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(jìn)行了探索和研究，試圖創(chuàng)建其理論和技術(shù)體系。

很長時(shí)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(jì)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(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)。量子遙感的提出主要基于21世紀(jì)人類將全面進(jìn)入信息時(shí)代，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(fù)雜自然環(huán)境時(shí)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(yuǎn)的感知”。廣義的遙感泛指一切無接觸的遠(yuǎn)距離探測，包括對電磁場、力場、機(jī)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(biāo)相接觸，從遠(yuǎn)處把目標(biāo)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論與方法，即反映遙感微觀微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，是以多時(shí)空、動(dòng)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(jì)算、量子遙感網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)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(jī)理、遙感計(jì)算、遙感技術(shù)及遙感的認(rèn)識(shí)將會(huì)更加深入，從而能更深刻地掌握遙感的物理和化學(xué)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(xué)上的，主要是電磁波理論，它以電磁波傳輸方程為表達(dá)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(xué)為基礎(chǔ)理論，它主要以量子態(tài)為表達(dá)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(xué)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(yù)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(huì)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(jìn)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(xì)化至10-10～10-15米。成像光譜儀能獲得整個(gè)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(gè)，波段間隔在納米級內(nèi)，一般為10～20納米，個(gè)別達(dá)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(shí)別精度的現(xiàn)實(shí)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(jì)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(jì)收集器時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)會(huì)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(yuǎn)離目標(biāo)，通過非直接截獲進(jìn)而判定、測量并分析目標(biāo)性質(zhì)的技術(shù)。從本質(zhì)上說就是對地球表面的地學(xué)過程和現(xiàn)象進(jìn)行非接觸式的物質(zhì)量測量，即通過遠(yuǎn)離地面的遙感器來收集、獲取量化的信息，再通過光學(xué)和計(jì)算機(jī)的處理、反演和復(fù)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(shí)現(xiàn)對地觀測。可以認(rèn)為，遙感信息是遙感的精髓，遙感的整個(gè)過程都是圍繞遙感信息而展開的。量子遙感是以多時(shí)空、動(dòng)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(jì)算網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)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(jī)理、客觀準(zhǔn)確地計(jì)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(shí)驗(yàn)

量子遙感包括基礎(chǔ)理論與模型、量子遙感信息機(jī)理、量子遙感實(shí)驗(yàn)、量子遙感計(jì)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(jìn)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(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃畔⑻幚矸矫嬉策M(jìn)行了研究。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，基于理論研究的成果我們進(jìn)行了量子遙感中遠(yuǎn)紅外實(shí)驗(yàn)研究。紅外光是靠分子振動(dòng)－轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)度都可以反映分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以用來鑒定物質(zhì)的組成。紅外光譜分析特征性強(qiáng)，因此對中遠(yuǎn)紅外光譜的研究將會(huì)對研究遙感機(jī)理有很大的幫助，而且很有可能會(huì)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(xì)結(jié)構(gòu)分析中，中遠(yuǎn)紅外的光譜分析也是一個(gè)非常重要的組成部分。

目前紅外在物理化學(xué)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(yuǎn)紅外（即熱紅外）也主要還是用于熱輻射。在此次的中遠(yuǎn)紅外實(shí)驗(yàn)中，從另外一個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)中，我們每組樣本都選用了9個(gè)不同的光譜分辨率的光譜曲線來進(jìn)行比較。

為了更好地研究量子遙感的光譜，我們在做實(shí)驗(yàn)之前對全國的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)研，并進(jìn)行了仔細(xì)的研究，最后確定選用傅立葉變換光譜儀作為實(shí)驗(yàn)儀器，主要是因?yàn)楦盗⑷~變換光譜儀具有多通道和高通量的優(yōu)點(diǎn)，其光譜分辨率為0.09厘米-1。具體實(shí)驗(yàn)的流程可概括為：先選取好實(shí)驗(yàn)樣本，然后用不同的分辨率對不同的樣本分別進(jìn)行光譜測量，最后導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并做出光譜圖。實(shí)驗(yàn)中采用了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是用Origin軟件來進(jìn)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(shí)驗(yàn)樣本后，包含的光信息需要經(jīng)過數(shù)學(xué)上的傅立葉變換解析成普通的光譜圖，所以在實(shí)驗(yàn)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(dá)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(huì)假設(shè)研究目標(biāo)是不透明體，即透射率為0。但是在我們的實(shí)驗(yàn)中顯然樣本在這個(gè)波段內(nèi)透射率還是很高的，這有可能會(huì)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(qiáng)度都可以反映分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以用來鑒定物質(zhì)的組成。紅外光譜分析特征性強(qiáng)，它在許多學(xué)科中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

我們通過對上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析得出以下三個(gè)結(jié)論。

第一，從實(shí)驗(yàn)的光譜曲線來看，分辨率越大圖像的細(xì)節(jié)顯示就越多，32納米相當(dāng)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(xì)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(xì)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(xì)。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(xì)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(yuǎn)紅外波段的透射率遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的樣本是固體，實(shí)驗(yàn)顯示的光譜曲線說明了中遠(yuǎn)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(xì)結(jié)構(gòu)研究中提供了依據(jù)。

第三，本次實(shí)驗(yàn)的透射光譜曲線可以很好的反映物質(zhì)的組成，這將會(huì)對遙感中的混和像元的分析研究提供一個(gè)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(xué)報(bào)，2003，22（增刊）：1

[2] 遙感研究會(huì)（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(shí)等．遙感應(yīng)用分析原理與方法.北京，科學(xué)出版社，2003

[4] 威切曼．量子物理學(xué). 復(fù)旦大學(xué)物理系譯.北京，科學(xué)出版社，1978

[5] 畢思文，韓力群. 量子遙感光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu). 紅外與毫米波學(xué)報(bào)，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(jī)理. 紅外與毫米波學(xué)報(bào)，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(xué)出版社，2001

關(guān)鍵詞：遙感  量子遙感  中遠(yuǎn)紅外實(shí)驗(yàn)  光譜圖
遙感與量子遙感比較

比較項(xiàng)目	遙感	量子遙感
目標(biāo)物特性	任何目標(biāo)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(biāo)物與電磁波的相互作用，構(gòu)成了目標(biāo)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(dòng)－粒子二象性，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述方式及其隨時(shí)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(biāo)物電磁波特征的儀器，稱為傳感器或遙感器。如：掃描儀、雷達(dá)、攝影機(jī)、攝像機(jī)、輻射計(jì)等。	接受、描述目標(biāo)粒子狀態(tài)特征的遙感器。
信息接收	傳感器接收到目標(biāo)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(yuǎn)程傳送量子態(tài)信息的實(shí)驗(yàn)成功更說明了這一點(diǎn)。
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(jìn)行一系列的處理，如信息恢復(fù)、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(jìn)行精糾正處理和專題信息處理、分類等。	需要用量子計(jì)算、量子信息技術(shù)、量子計(jì)算機(jī)以及量子網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行處理。

（a）	（b）

實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)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(shí)也就是中遠(yuǎn)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。