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 （2.8）
用經(jīng)典振子作為原子輻射模型時(shí)，用波長 表出的譜線寬度為一個(gè)常數(shù)。但事實(shí)上原子譜線寬度的變化很大。有些譜線的寬度接近于經(jīng)典寬度，而另一些譜線的寬度則遠(yuǎn)小于經(jīng)典寬度。這事實(shí)表明原子輻射機(jī)制是不能完全用經(jīng)典振子解釋的。但是輻射反作用的概念以及壽命和寬度的關(guān)系是有普遍意義的。原子內(nèi)電子由一激發(fā)態(tài)躍遷到較低能態(tài)時(shí)產(chǎn)生一定頻率的輻射。由于輻射，原子激發(fā)態(tài)有一定的壽命。躍遷幾率愈大，則輻射愈強(qiáng)，激發(fā)態(tài)壽命愈短，因而譜線寬度亦愈大。關(guān)系式  仍然成立。
原子處于基態(tài)時(shí)是穩(wěn)定的，不會(huì)產(chǎn)生輻射，這點(diǎn)是和經(jīng)典理論有深刻矛盾的。按照經(jīng)典理論，電子在原子核電場作用下運(yùn)動(dòng)，由于有加速度，必然向外輻射電磁波，因而電子運(yùn)動(dòng)的能量亦逐漸衰減，最后電子會(huì)掉到原子核內(nèi)，因而根本不存在穩(wěn)定的原子[6，7]。這結(jié)論和客觀事實(shí)完全矛盾的，只有用量子遙感理論才能解釋基態(tài)的穩(wěn)定性。2.3.3 遙感器設(shè)計(jì)的不同
基于上述理論和方法不同，在遙感器的設(shè)計(jì)方面也不同，最重要的是他們收集的信號不同。在設(shè)計(jì)收集器時(shí)，他們的結(jié)構(gòu)也會(huì)有很大不同。量子遙感器對硬件的要求更要高，更精密。
目前在國際傳感器的發(fā)展中，新技術(shù)和新手段不斷被采用以此來提高傳感器的性能和應(yīng)用范圍。并且已經(jīng)取得了很大的成就。日本九洲大學(xué)電子器件工程系副教授K·Enpuku和德國柏林聯(lián)邦物理技術(shù)研究所合作研制成功世界上性能最好的高溫超導(dǎo)量子干涉元件(SQUID)傳感器。由于采用了最優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能約瑟夫森結(jié)技術(shù)，傳感器的性能和再生能力大為提高，因此該傳感器可用于醫(yī)學(xué)和工業(yè)用途。為實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)，該研究組對器件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使約瑟夫森結(jié)達(dá)到約10Ω電阻，臨界電流約20μA。確立了雙晶粘接技術(shù)，用30°傾角取代一般的24°和36.8°[10]。因此，這種高溫超導(dǎo)量子干涉元件傳感器能夠?qū)⒌卮诺姆直媛视扇齼|分之一提高到十億分之一。與使用液氦的SQUID傳感器相比，雖然其分辨力較差，但是由于使用價(jià)廉、易得的液氮，因此這種傳感器可以用于測定腦磁場區(qū)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到生物磁測定、無損檢驗(yàn)和全球環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[8，9]。
美國LI-COR公司的LI-190SA光量子傳感器主要被植物學(xué)家、氣象學(xué)家、園藝學(xué)家、生態(tài)調(diào)查組和其它環(huán)境學(xué)家所利用，目的是為了測量空氣中、植物生長箱和溫室中的光合作用量子通量密度[4]。量子傳感器的出現(xiàn)和應(yīng)用為量子遙感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)，如果遙感器仍然處在原來的發(fā)展階段，將不會(huì)滿足遙感日益發(fā)展的需求。
總之，遙感是一種遠(yuǎn)離目標(biāo)，通過非直接截獲促而判定、測量并分析目標(biāo)性質(zhì)的技術(shù)[4]。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，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�？梢哉J(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。量子遙感是量子力學(xué)的理論和方法來深入探索遙感信息機(jī)理、研究遙感目前尚未解決的問題，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，它的主體技術(shù)系統(tǒng)是量子通信、量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)信息處理[2]。
3.量子遙感信息
3.1 遙感信息
遙感信息，首先是指以光或電磁波作為載體，經(jīng)介質(zhì)傳輸而由航空和航天遙感平臺所采集到的信息。對一個(gè)連續(xù)、開放、完整、復(fù)雜的地球系統(tǒng)而言，通過對地觀測獲取的遙感信息具有三重屬性，即遙感信息是電磁波輻射與地表物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物，是地圈、生物圈等科學(xué)規(guī)律的反映并同時(shí)也是該信息載體在其傳輸路徑上受各種介質(zhì)影響的后果。與此同時(shí)，遙感信息又同時(shí)具有空間、波譜和強(qiáng)度三種特性。遙感信號來自地物對電磁波的輻射和散射，如何進(jìn)一步提高從電磁波輻射和散射的角度認(rèn)識遙感機(jī)理以及基于麥克斯韋方程組、惠更斯原理和輻射傳輸方程的理論計(jì)算的水平，是一個(gè)亟待解決而又回避不了的問題[10，11]。
3.1.1 電磁波譜與電磁輻射
(1)電磁波譜
電磁波：振動(dòng)的傳播稱為波。電磁振動(dòng)的傳播是電磁波。波動(dòng)是各質(zhì)點(diǎn)在平衡位置振動(dòng)而能量向前傳播的現(xiàn)象。當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間，變化的磁場激發(fā)了渦旋電場，變化的電場又激發(fā)了渦旋磁場，使電磁振蕩在空間傳播，這就是電磁波。其方向是由電磁振蕩向各個(gè)不同方向傳播的。
電磁波譜：1889年赫茲用電磁振蕩的方法產(chǎn)生了電磁波。按電磁波在真空中傳播的波長或頻率，遞增或速減排列，則構(gòu)成了電磁波譜。該波譜以頻率從高到低排列，可以劃分為 射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波在真空狀態(tài)下頻率f與波長 之積等于光速c。電磁波譜區(qū)段的界線是漸變的,一般按產(chǎn)生電磁波的方法或測量電磁波的方法來劃分.
遙感中較多地使用可見光、紅外和微波波段�？梢姽獠ǘ坞m然波譜區(qū)間很窄，但對遙感技術(shù)而言卻非常重要。
（2）電磁輻射的度量
電磁輻射的度量主要有：輻射源、輻射能量(W)、輻射通量(Φ)、輻射能量密度（E）、輻照度(I)和輻射亮度(L)等。
輻射源向外輻射電磁波時(shí)，L往往隨θ角而改變。也就是說，接收輻射的觀察者以不同θ角觀察輻射源時(shí)，L值不同。輻射亮度L與觀察角θ無關(guān)的輻射源，稱為朗伯源。嚴(yán)格地說，只有絕對黑體才是朗伯源[12]。
（3）黑體輻射
黑體輻射規(guī)律：如果一個(gè)物體對于任何波長的電磁輻射部全部吸收，則這個(gè)物體是絕對黑體。普遍適用于絕對黑體輻射的公式，叫做普朗克公式，表達(dá)式為：
 (3.6)
式中，c為真空中的光速，k為玻爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10-23J/k；
h為普朗克常數(shù)，h＝6.63×10-34Js；M為輻射出射度。
該公式對遙感理論的重要意義還不在于它本身，而在于它的普遍適用性，可以推導(dǎo)出重要的已被實(shí)驗(yàn)證明的黑體輻射公式。
實(shí)際物體的輻射：主要有基爾霍夫定律和實(shí)際物體的輻射�；鶢柣舴蚨墒前褜�(shí)際物體看作輻射源，研究其輻射特性，將其與絕對黑體進(jìn)行比較；實(shí)際物體的輻射是指基爾霍夫定律表現(xiàn)了實(shí)際物體的輻射出射度Mi與同一溫度、同一波長絕對黑體輻射出射度的關(guān)系，xi是此條件下的吸收系數(shù)(0＜x＜1)。有時(shí)也稱為比輻射率或發(fā)射率，記作ε，表示實(shí)際物體輻射與黑體輻射之比，M＝εM0。
Planck定律是現(xiàn)代物理學(xué)得基石之一. 對同溫（或近似同溫）平面地表上發(fā)射率的空間差異，不影響Planck定律的應(yīng)用，因而長期以來，地表熱輻射一直表達(dá)為：  。這里 為平平均地溫， 為平均發(fā)射率或有效、等效發(fā)射率。但問題是在遙感像元的尺度上，大量的地表象元很難作為近似同溫考慮，而延續(xù)處理同溫像元的思路，不但非同溫地表上Planck定律的尺度效應(yīng)沒有獲得應(yīng)有的考慮，連和  如何定義一直到1995年都沒有比較深入的研究。但長期以來不加考察即用于象元尺度,導(dǎo)致了象元有效發(fā)射率定義不清.
李小文等提出,普朗克定律在陸地遙感中不具備尺度不變性質(zhì),必須根據(jù)地表的區(qū)域特征進(jìn)行尺度糾正.這一尺度糾正就可以表達(dá)為自相似的形式,從而得到象元尺度上得有效發(fā)射率,包括平均材料發(fā)射率,一項(xiàng)為象元多次散射糾正項(xiàng),另一項(xiàng)是由溫差、材料溫度與其發(fā)射率得協(xié)方差構(gòu)成得糾正項(xiàng)。提出了普朗克定律用于非同溫黑體平面的尺度修正式及其二階泰勒近似，對其熱輻射在像元尺度上的方向性和波譜特征建立了概念模型。并進(jìn)一步擴(kuò)展到對3維結(jié)構(gòu)非黑體表面的尺度糾正式[13]。這是對1999年李小文等人提出的LSF 概念模型的進(jìn)一步完善和邏輯發(fā)展，即用像元尺度上的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來糾正普朗克定律，不再強(qiáng)求使用亞像元尺度上的參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了對像元尺度上普朗克定律的尺度糾正（李小文等，2000）。
3.1.2 太陽輻射及大氣對輻射的影響?yīng)?/STRONG>
太陽是被動(dòng)遙感最主要的輻射源。太陽輻射有時(shí)習(xí)慣稱作太陽光，太陽光通過地球大氣照射到地面，經(jīng)過地面物體反射又返回，再經(jīng)過大氣到達(dá)傳感器。這時(shí)傳感器探測到的輻射強(qiáng)度與太陽輻射到達(dá)地球大氣上空時(shí)的輻射強(qiáng)度相比，已有了很大的變化，包括入射與反射后二次經(jīng)過大氣的影響和地物反射的影響。主要研究太陽輻射、大氣吸收、大氣窗口及透射分析等。
3.1.3 地球的輻射與地物波譜
遙感探測中被動(dòng)遙感的輻射源主要來自與人類最密切相關(guān)的兩個(gè)星球，即太陽和地球。主要內(nèi)容有：太陽輻射與地表的相互作用、地表自身熱輻射、地物反射波譜特征和地物波譜特性的測量等[14]。
3.2 量子遙感信息
量子遙感信息主要研究如何用量子狀態(tài)表示和傳遞信息,如何對付遙感信息和量子遙感信息的損失,即量子遙感信息的發(fā)射(散射)、傳輸、衰變(或增強(qiáng))、處理、分析，直至人們感知接收的全過程。包括量子遙感信息源的物理性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境背景，電磁波譜特征和大氣傳輸窗口，量子遙感儀器的分辨率和信噪比，圖像處理的增強(qiáng)和有效信息的提取能力，以及人類視覺生理和專業(yè)知識，都對量子遙感信息的開發(fā)和利用，產(chǎn)生直接或間接的、增強(qiáng)或減弱的影響。對這些過程進(jìn)行定性、定量及其空間頻譜的分析研究，對于提高量子遙感技術(shù)水平，開拓應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的理論意義[15，16]。
量子遙感信息一詞在量子遙感計(jì)算與量子遙感信息的研究中有兩個(gè)不同用途。第一個(gè)用途是可以被解釋為利用量子遙感進(jìn)行信息處理有關(guān)的所有操作方式的概括，這包括注入量子遙感信息計(jì)算、量子遙感隱形體態(tài)、不可克隆理論等內(nèi)容；第二個(gè)用途是指對量子遙感信息處理基本任務(wù)的研究。一般不包括比如量子遙感算法設(shè)計(jì)的內(nèi)容，因?yàn)樘厥饬孔舆b感算法的細(xì)節(jié)超出了基本的范圍。
遙感信息定義了類似的目的，然而量子遙感信息比遙感信息范圍更廣，因?yàn)榱孔舆b感信息包含遙感信息的所有動(dòng)態(tài)、靜態(tài)要素，同時(shí)還有附加的動(dòng)靜態(tài)要素。
3.3 量子遙感信息機(jī)理研究
3.3.1 量子遙感態(tài)的描述
量子遙感系統(tǒng)的態(tài)由Hilbert空間中的矢量完全描寫。
（1）Hilbert空間的數(shù)學(xué)定義
由于微觀粒子坐標(biāo)和動(dòng)量不再同時(shí)取確定值，經(jīng)典描述對微觀粒子自然失效。在量子力學(xué)中如何描述一個(gè)微觀粒子或者多個(gè)微觀粒子系統(tǒng)的狀態(tài)呢？量子遙感系統(tǒng)的態(tài)由Hilber空間中的矢量完全描述，一個(gè)完備的內(nèi)積空間稱為Hilbert空間。
根據(jù)上面的定義，量子遙感系統(tǒng)態(tài)由Hilbert空間中的矢量描寫，稱表示量子遙感態(tài)的矢量為態(tài)矢量為態(tài)矢量（state vector）。Hilbert空間就是態(tài)矢量張起的空間，在量子遙感中稱為態(tài)矢空間。一個(gè)具體的態(tài)矢可以用  表示， 是表征具體態(tài)矢的特征量或符號[17，18]。
（2）幾率幅
由于波函數(shù)（一般地態(tài)矢量）模方  具有幾率密度的意義，波函數(shù)本身只是幾率幅（probability），它本身并不表示幾率，而且由于它是復(fù)函數(shù)，它并不代表任何物理量。在量子力學(xué)中引入幾率幅，使量子力學(xué)根本上區(qū)別于任何經(jīng)典統(tǒng)計(jì)，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)總是以幾率為研究對象。量子信息理論不同于經(jīng)典信息理論，概出于這種對編碼態(tài)的幾率幅的描述方法[19]。態(tài)矢量或波函數(shù)，它的物理意義就在于能對它描述的系統(tǒng)實(shí)施測量的結(jié)果幾率分布作出預(yù)言。只有對相同態(tài)的多次重復(fù)測量，得到的力學(xué)量可能值的幾率分布，才能描述量子遙感態(tài)的物理性質(zhì)。量子遙感態(tài)矢量中包含著一個(gè)或幾個(gè)力學(xué)量實(shí)現(xiàn)其某些特定值潛在可能性的全部信息。
3.3.2 量子遙感輻射場描述
遙感中應(yīng)用基礎(chǔ)是經(jīng)典物理中的電磁輻射場，量子遙感應(yīng)用基礎(chǔ)是量子化的電磁輻射場。場量子化的基本思想是：找出描述經(jīng)典場的一組完備的正則“坐標(biāo)”和“動(dòng)量”，然后把它們視為相應(yīng)的算符，滿足正則坐標(biāo)和動(dòng)量的對易式，從而使之量子化，此時(shí)Planck常數(shù)將出現(xiàn)其中。經(jīng)典輻射場可以看成由無窮多個(gè)獨(dú)立的諧振子組成的系統(tǒng)。
經(jīng)典物理中，電磁輻射場可以用矢勢A和標(biāo)勢 描述。對于純輻射場可以只用兩個(gè)標(biāo)函數(shù)描述，常取標(biāo)勢 為零，采用Coulomb規(guī)范，矢勢A滿足方程
 （3.13）
為了歸一化和量子化的方便，設(shè)輻射場局限在遍嘗為L的立方體空腔中（最后令  ）。首先利用分離變量法求方程（3.13）的一個(gè)特解，然后再把它的一般解表示為這些特解的線性疊加，輻射場總能量可以寫作
 （3．32）
這正是經(jīng)典諧振子的能量和形式。這樣一腔場中的輻射場可以等價(jià)地看成是無窮多諧振子集合。
由于經(jīng)典輻射場可以看成是無窮多個(gè)獨(dú)立地諧振子組成的體系。振子的正則坐標(biāo)和動(dòng)量記為 和 ，按照諧振子Hamiltonian量子化方法，把 和 看成是算子，并要求它們滿足對易關(guān)系：
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