量子遙感信息機理研究
（中國科學院遙感應用研究所 遙感科學國家重點實驗室）

畢思文，韓繼霞

摘 要：首先研究了量子遙感提出的背景和需求以及目前量子信息技術的發展現狀；闡述了量子遙感的基本概念，量子遙感是反映遙感在量子層次上運動規律的理論與方法，是反映遙感微觀微粒運動規律的理論，并將量子遙感和遙感的對應關系和比較進行了研究；詳細論述了量子遙感信息機理：由于在遙感物理中，Planck定律在解釋非同溫象元熱輻射方向性時遇到困難，所以選擇從電磁輻射場的量子化來研究，并進行公式推導，輻射場經過量子化之后，變成了由光子組成的系統，從而在量子層次上解決遙感理論中黑體輻射的問題，從本質上研究了象元的輻射方向性問題。

關鍵詞:量子遙感、遙感信息、量子遙感信息、機理研究

INFORMATION MECHANISM STUDY OF QUANTUM REMOTE SENSING

BI Si-wen , Han Jixia

(State Key Laboratory of Remote Sensing Sciences ,Institute of Remote Sensing Application ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100101)

Abstract: The background and quantum remote sensing needs and the current status of the development of quantum information technology are studied. The needs of practical applications development is the most pressing needs of quantum remote sensing .It presented basic concepts of quantum remote sensing. Quantum remote sensing is the theory and methods reflected in the quantum level remote sensing of movement and the law theory reflected in remote sensing micro particles campaign. The counterpart relations and the differences between quantum remote sensing and remote sensing are presented. Information mechanism of quantum remote sensing is studied. Planck law is the basis in remote sensing physics and in accordance with the material reality of the world. For quantum remote sensing, quantum mechanics is the foundation for the next step needs to choose a practical application of the quantum of electromagnetic radiation field to study and deduct the formulas.

Keyword:Quantum remote sensing, remote sensing information, quantum remote sensing information, mechanism study

遙感是20世紀60年代發展起來的對地觀測綜合性技術。40余年來，科學技術的發展和經濟建設的迫切需求，對遙感科學技術提出了更高的要求。遙感應用領域的擴大，要求在新的層次上解決許多應用基礎問題，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律，新一代遙感儀器的遙感原理論證以及在遙感技術應用的理論和方法等方面都需要我們深入地開展研究。所以，根據遙感科學技術面臨上述的挑戰與困難和信息科學技術發展、量子信息技術、數字地球研究以及國防安全的需要，量子遙感應運而生,量子遙感信息機理的研究是其研究的基礎,也是量子遙感應用的前提.

2002年4月畢思文研究員在《3S世界》期刊量子遙感與復雜性計算的提出與研究一文中首次在國內外提出量子遙感^[1]。目前量子遙感的理論體系，基本框架，以及技術框架在提出的基礎上都已經得到了很大的完善和改進。自量子遙感提出至今，引起了遙感界的關注，先后在2004環境遙感學術年會、第十五屆全國遙感技術學術交流會等多次在國內外會議進行學術交流，并被收錄到大會論文集。并在《紅外與毫米波學報》、《科學》和《中國科學》先后發表20余篇論文，完成書稿一部，即將出版。并且在量子遙感精細光譜實驗和量子遙感信息機理研究等方面取得了階段性成果。

1.量子遙感提出背景

量子遙感的提出主要基于很長時間以來，遙感在基礎理論、技術方法與應用研究的各種模型和計算誤差中一直都存在著沒有解決的難題，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；而遙感正是對這個復雜巨系統進行信息獲取與融合處理的科學技術。尤其是登月計劃的實施對遙感提出了更高的要求：太陽光照不到的絕對零度以下的區域，普通遙感器接受不到任何信息。下面主要從遙感面臨的挑戰、量子信息技術發展和數字地球研究的需要等方面，闡述量子遙感提出的背景^[3]。

1.1遙感科學技術面臨的困難

遙感從開始發展到現階段，關鍵問題仍是進一步實用化。但是，總的來看，遙感應用的整體水平還不能滿足實用的要求。突出表現在兩個方面：一是實時檢測與處理能力尚不夠滿足如自然災害等所要求的同步準同步地完成數據獲取、分析處理、快速提供連續不斷地使用信息。二是遙感數據定量反演地學參數的能力和精度，尚不能達到實用要求。

這里有兩方面地原因：一是人們對遙感認識上地局限性，即對遙感成像及傳輸機理、影像特征、地學規律是隨著遙感及各學科地發展而逐步深化的。簡化為各向同性與實際的方向性的矛盾，比輻射率和環境輻照度的差異影響問題等都是我們遙感理論需要解決的問題。再就是我們的反演模型和應用分析模型過于理想化、概念化，因而結果多是不確定性的。二是遙感技術的問題，儀器的衰減以及遙感數據處理方法的局限性限制了遙感的定量化水平^[2]。1.2 量子信息技術發展的需要

量子信息技術是近年來的新興交叉學科，近年來已經成為國際學術界關注的焦點。美國科學家在量子計算機研究方面獲得重大的進展，這使得人們向往已久的量子計算機又向我們靠近了一大步，使科學家們對利用量子研究領域的新技術研制出超級計算機充滿了信心^[10]。美國科學家宣布，他們已經實現了4量子位邏輯門，取得了4個鋰離子的量子纏結狀態，此舉使21世紀量子計算機的研制取得了重大突破^[10]。并且，美國在量子信息技術方面獲得了2項發明專利，一項是“多光譜量子阱紅外探測器”；另一項是“對偏振靈敏的波紋狀量子阱紅外光電探測器列陣”。

在我國，科學時報2004年1月14日第4版刊登的2004年中國十大科技進展新聞中，我國量子信息實驗領域取得重大突破。量子信息技術的發展為量子遙感提供了技術基礎。

1.3 數字地球研究的需要

數字地球是一個以地球坐標為依據，具有多分辨率的海量數據和多維顯示的虛擬系統，要想真正地實現數字地球，就要解決關鍵的技術問題數據格式兼容性難題。從各個信息源來的數據，如何能在同一個終端、被同一個用戶使用。第二步要解決聯網的問題，包括博物館的高速網和經過減速由普通用戶使用的因特網，兩個層次。前兩步完成好以后，從長遠來看，還要實現時空信息唾手可得。目前的3S和信息技術是不能滿足這些要求的。量子信息技術的出現為海量數據的儲存、計算等提供了方法，量子遙感為實現數字地球的技術難題指明了方向^[3]。

1.4 國防安全的需要

根據美國空軍軍用衛星的發展特點，以及美國海軍和NASA在超光譜成像技術領域的發展與應用，隨著軍事偵察、監視需求的格局和對目標需要詳細深入地了解，光譜成像技術越來越與軍方需求的關系密切。它主要是根據應用需要和遙感器的實際能力選擇幾個譜段、十幾個甚至幾百個、上千個譜段探測目標，如果光譜遙感譜段太少，只能了解和發現一些現象，不可能深入地了解探測目標的細節和本質，這就是量子遙感光譜與成像技術理論實驗研究的基本動因。它對識別偽裝、弄清武器性質和海洋淺海作戰等軍事應用方面均有重要價值，目標固有特性利用光譜分析的辦法可以獲得，量子遙感光譜與成像正是可獲得固體、液體和氣體材料的微觀與宏觀的光譜特性和空間分布的先進遙感技術。

2.量子遙感基本概念

2.1 量子遙感的概念

量子遙感是反映遙感在量子層次上運動規律的理論與方法，量子遙感是反映遙感微觀微粒運動規律的理論，是以多時空、動態的地球表面系統為研究對象，以量子信息、量子遙感技術、量子遙感通信、量子計算、量子遙感網絡和計算機信息處理為主體的技術系統。隨著量子遙感的出現，人們對于遙感信息機理、遙感計算、遙感技術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、信息的性能及其規律，為利用這些規律服務于遙感理論、技術、應用和產業化開辟廣闊的途徑。

2.2量子遙感與遙感的關系��

量子遙感基礎理論建立在量子力學基礎上的，而遙感基礎理論是建立在經典物理學上的。所以要闡述量子遙感與遙感的關系，首先應當說明量子力學與經典力學的關系。量子力學和經典物理的對應關系恰恰代表了量子遙感與遙感的對應關系。量子遙感是建立在量子態的基礎上，在能量的不連續態上進行研究。

2.3 量子遙感與遙感的對比

遙感和量子遙感的主要區別主要從他們的基礎理論、研究尺度和遙感器設計等方面來分析。

2.3.1 基礎理論的不同

遙感的基礎理論是建立在經典物理學上的，主要是電磁波理論，它主要以電磁波傳輸方程為表達方式，對應的方程是Maxwell方程；而量子遙感以量子力學為基礎理論，它主要以Schr?dinger方程和量子態為表達方式。對應的方程是 方程。兩者在理論和方法上有著本質的不同。現代物理學研究由少數粒子構成的“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成的宏觀物理體系的行為 ^[4]。

遙感電磁波在微觀領域受到很大局限性，主要原因在于，它對帶電物質的描述只反映其粒子性的一面，而對電磁波的描述則只反映其波動性的一面。事實上帶電粒子具有波動性，而電磁場也具有粒子性。只有在帶電物質主要顯示出粒子性而電磁場主要顯示出波動性的情況下，遙感電磁波的計算結果才能近似地反映客觀實際。在原子內部，電子的波動性明顯，必須應用波函數而不是用經典軌道來描述電子的運動狀態，因此，在這范圍內，遙感電磁波是不適用的。當電磁場的粒子性顯著時，如輻射的高頻端行為和光電效應等問題，遙感電磁波理論也是不適用的。

Maxwell方程組表達為：

                           （2.5）

式中， 為電場強度； 為磁感應強度； 為真空介電常數； 為電荷密度；為真空磁導率； 為電流密度。

這組方程稱為Maxwell方程組，它反映一般情況下電荷電流激發電磁場以及電磁場內部矛盾運動的規律。在 和 為零的區域，電場和磁場通過本身的互相激發而運動傳播。Maxwell方程組最重要的特點是它揭示了電磁場的內在矛盾和運動。……因此，只要某處發生電磁擾動，由于電磁場互相激發，它就在空間中運動傳播，形成電磁波。Maxwell首先從這方程組在理論上預言了電磁波的存在，并指出光波就是一種電磁波^[4，5]。

Schr?dinger方程^[2]：

一個微觀粒子的量子遙感態用波函數 來描述，當 確定后，粒子的任何一個力學量的平均值以及它取各種可能測值的概率都完全確定。在量子遙感中，最核心的問題要解決量子態[即 ]怎樣隨時間演化以及在各種具體情況下如何求出波函數的問題。所以，量子遙感中微觀粒子的狀態則用波函數來描寫，決定遙感粒子狀態變化的方程是Schr?dinger方程。

這個方程也稱為波動方程，它描寫在勢場 中粒子狀態隨時間的變化。

上面討論的是一個量子遙感粒子的情況，也可以推廣到量子遙感多粒子的情況，即：   （多粒子）   （2.7）

這就是量子遙感多粒子系統的Schr?dinger方程。式中 是第 個粒子的質量； 是系統的勢能，它包括系統在外場中的能量和粒子間相互作用能量； 焦耳.秒，是量子遙感中常用的符號（ 為普朗克常數=6.62559×10^-34焦耳.秒）。 

2.3.2 研究尺度的區別

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米到10^-9米細化至10^-10到10^-15米，量子遙感的光譜波段間隔更小，這中間就可能綜合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，也就存在著提高對各種地物識別精度的現實性。

在原子內，電子在兩能級之間躍遷產生一定頻率的輻射，在光譜中表現為一條譜線。譜線不是精確地單色的，而是具有一定的頻率分布寬度。關于產生譜線寬度的內在原因，用電磁波理論不能建立原子輻射的正確理論。

譜線寬度用波長 表為

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