量子遙感信息機(jī)理研究
（中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所 遙感科學(xué)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(guī)律的理論與方法，是反映遙感微觀微粒運動規(guī)律的理論，并將量子遙感和遙感的對應(yīng)關(guān)系和比較進(jìn)行了研究；詳細(xì)論述了量子遙感信息機(jī)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(jìn)行公式推導(dǎo)，輻射場經(jīng)過量子化之后，變成了由光子組成的系統(tǒng)，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(zhì)上研究了象元的輻射方向性問題。

關(guān)鍵詞:量子遙感、遙感信息、量子遙感信息、機(jī)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(jì)60年代發(fā)展起來的對地觀測綜合性技術(shù)。40余年來，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，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我們深入地開展研究。所以，根據(jù)遙感科學(xué)技術(shù)面臨上述的挑戰(zhàn)與困難和信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展、量子信息技術(shù)、數(shù)字地球研究以及國防安全的需要，量子遙感應(yīng)運而生,量子遙感信息機(jī)理的研究是其研究的基礎(chǔ),也是量子遙感應(yīng)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(fù)雜性計算的提出與研究一文中首次在國內(nèi)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(shù)框架在提出的基礎(chǔ)上都已經(jīng)得到了很大的完善和改進(jìn)。自量子遙感提出至今，引起了遙感界的關(guān)注，先后在2004環(huán)境遙感學(xué)術(shù)年會、第十五屆全國遙感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會等多次在國內(nèi)外會議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，并被收錄到大會論文集。并在《紅外與毫米波學(xué)報》、《科學(xué)》和《中國科學(xué)》先后發(fā)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(xì)光譜實驗和量子遙感信息機(jī)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(chǔ)理論、技術(shù)方法與應(yīng)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(fù)雜的巨系統(tǒng)；而遙感正是對這個復(fù)雜巨系統(tǒng)進(jìn)行信息獲取與融合處理的科學(xué)技術(shù)。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(qū)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(zhàn)、量子信息技術(shù)發(fā)展和數(shù)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(xué)技術(shù)面臨的困難

遙感從開始發(fā)展到現(xiàn)階段，關(guān)鍵問題仍是進(jìn)一步實用化。但是，總的來看，遙感應(yīng)用的整體水平還不能滿足實用的要求。突出表現(xiàn)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(zāi)害等所要求的同步準(zhǔn)同步地完成數(shù)據(jù)獲取、分析處理、快速提供連續(xù)不斷地使用信息。二是遙感數(shù)據(jù)定量反演地學(xué)參數(shù)的能力和精度，尚不能達(dá)到實用要求。

這里有兩方面地原因：一是人們對遙感認(rèn)識上地局限性，即對遙感成像及傳輸機(jī)理、影像特征、地學(xué)規(guī)律是隨著遙感及各學(xué)科地發(fā)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(huán)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(yīng)用分析模型過于理想化、概念化，因而結(jié)果多是不確定性的。二是遙感技術(shù)的問題，儀器的衰減以及遙感數(shù)據(jù)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(shù)發(fā)展的需要

量子信息技術(shù)是近年來的新興交叉學(xué)科，近年來已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點。美國科學(xué)家在量子計算機(jī)研究方面獲得重大的進(jìn)展，這使得人們向往已久的量子計算機(jī)又向我們靠近了一大步，使科學(xué)家們對利用量子研究領(lǐng)域的新技術(shù)研制出超級計算機(jī)充滿了信心^[10]。美國科學(xué)家宣布，他們已經(jīng)實現(xiàn)了4量子位邏輯門，取得了4個鋰離子的量子纏結(jié)狀態(tài)，此舉使21世紀(jì)量子計算機(jī)的研制取得了重大突破^[10]。并且，美國在量子信息技術(shù)方面獲得了2項發(fā)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(xué)時報2004年1月14日第4版刊登的2004年中國十大科技進(jìn)展新聞中，我國量子信息實驗領(lǐng)域取得重大突破。量子信息技術(shù)的發(fā)展為量子遙感提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 數(shù)字地球研究的需要

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

1.4 國防安全的需要

根據(jù)美國空軍軍用衛(wèi)星的發(fā)展特點，以及美國海軍和NASA在超光譜成像技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，隨著軍事偵察、監(jiān)視需求的格局和對目標(biāo)需要詳細(xì)深入地了解，光譜成像技術(shù)越來越與軍方需求的關(guān)系密切。它主要是根據(jù)應(yīng)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(biāo)，如果光譜遙感譜段太少，只能了解和發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)象，不可能深入地了解探測目標(biāo)的細(xì)節(jié)和本質(zhì)，這就是量子遙感光譜與成像技術(shù)理論實驗研究的基本動因。它對識別偽裝、弄清武器性質(zhì)和海洋淺海作戰(zhàn)等軍事應(yīng)用方面均有重要價值，目標(biāo)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(jìn)遙感技術(shù)。

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(guī)律的理論與方法，量子遙感是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，以量子信息、量子遙感技術(shù)、量子遙感通信、量子計算、量子遙感網(wǎng)絡(luò)和計算機(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、遙感計算、遙感技術(shù)及遙感的認(rèn)識將會更加深入，從而能更深刻地掌握遙感的物理和化學(xué)、信息的性能及其規(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。

2.2量子遙感與遙感的關(guān)系��

量子遙感基礎(chǔ)理論建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的，而遙感基礎(chǔ)理論是建立在經(jīng)典物理學(xué)上的。所以要闡述量子遙感與遙感的關(guān)系，首先應(yīng)當(dāng)說明量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的關(guān)系。量子力學(xué)和經(jīng)典物理的對應(yīng)關(guān)系恰恰代表了量子遙感與遙感的對應(yīng)關(guān)系。量子遙感是建立在量子態(tài)的基礎(chǔ)上，在能量的不連續(xù)態(tài)上進(jìn)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(qū)別主要從他們的基礎(chǔ)理論、研究尺度和遙感器設(shè)計等方面來分析。

2.3.1 基礎(chǔ)理論的不同

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，它主要以電磁波傳輸方程為表達(dá)方式，對應(yīng)的方程是Maxwell方程；而量子遙感以量子力學(xué)為基礎(chǔ)理論，它主要以Schr?dinger方程和量子態(tài)為表達(dá)方式。對應(yīng)的方程是 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 ^[4]。

遙感電磁波在微觀領(lǐng)域受到很大局限性，主要原因在于，它對帶電物質(zhì)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(zhì)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(jié)果才能近似地反映客觀實際。在原子內(nèi)部，電子的波動性明顯，必須應(yīng)用波函數(shù)而不是用經(jīng)典軌道來描述電子的運動狀態(tài)，因此，在這范圍內(nèi)，遙感電磁波是不適用的。當(dāng)電磁場的粒子性顯著時，如輻射的高頻端行為和光電效應(yīng)等問題，遙感電磁波理論也是不適用的。

Maxwell方程組表達(dá)為：

                           （2.5）

式中， 為電場強(qiáng)度； 為磁感應(yīng)強(qiáng)度； 為真空介電常數(shù)； 為電荷密度；為真空磁導(dǎo)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(fā)電磁場以及電磁場內(nèi)部矛盾運動的規(guī)律。在 和 為零的區(qū)域，電場和磁場通過本身的互相激發(fā)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(nèi)在矛盾和運動。……因此，只要某處發(fā)生電磁擾動，由于電磁場互相激發(fā)，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(yù)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(tài)用波函數(shù) 來描述，當(dāng) 確定后，粒子的任何一個力學(xué)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(tài)[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(shù)的問題。所以，量子遙感中微觀粒子的狀態(tài)則用波函數(shù)來描寫，決定遙感粒子狀態(tài)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(tài)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(tǒng)的Schr?dinger方程。式中 是第 個粒子的質(zhì)量； 是系統(tǒng)的勢能，它包括系統(tǒng)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(shù)=6.62559×10^-34焦耳.秒）。 

2.3.2 研究尺度的區(qū)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(xì)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(xiàn)實性。

在原子內(nèi)，電子在兩能級之間躍遷產(chǎn)生一定頻率的輻射，在光譜中表現(xiàn)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(guān)于產(chǎn)生譜線寬度的內(nèi)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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