物理學(xué)與信息科學(xué)

1、 第八章第八章物理學(xué)與信息科學(xué)物理學(xué)與信息科學(xué)2011-11-07人類(lèi)活動(dòng)依賴(lài)于各種信息的獲取與傳播人類(lèi)活動(dòng)依賴(lài)于各種信息的獲取與傳播美國(guó)畫(huà)家墨爾斯美國(guó)畫(huà)家墨爾斯12年努力實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)電報(bào)通訊。年努力實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)電報(bào)通訊。美國(guó)人貝爾發(fā)明了電話(huà)，開(kāi)始了有線(xiàn)通訊時(shí)代。美國(guó)人貝爾發(fā)明了電話(huà)，開(kāi)始了有線(xiàn)通訊時(shí)代。英國(guó)物理學(xué)家英國(guó)物理學(xué)家Maxwell完成了總結(jié)電磁現(xiàn)象的理論完成了總結(jié)電磁現(xiàn)象的理論-麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在。馬可尼（意大利）及波波夫（俄羅斯）分別實(shí)現(xiàn)了馬可尼（意大利）及波波夫（俄羅斯）分別實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)電通訊。無(wú)線(xiàn)電通訊。靜電場(chǎng)靜電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)電磁感應(yīng)電

2、磁感應(yīng)Maxwell方程組方程組電磁波電磁波通訊通訊便捷？便捷？ 可靠？可靠？ 成本？成本？ 頻道資源？頻道資源？ 傳輸容量？傳輸容量？1960年，世界上第一臺(tái)激光器誕生年，世界上第一臺(tái)激光器誕生 特點(diǎn)：光強(qiáng)，單色性，方向性好特點(diǎn)：光強(qiáng)，單色性，方向性好 可作為理想的信息載體可作為理想的信息載體 構(gòu)建構(gòu)建“信息高速公路信息高速公路”，開(kāi)始光通訊時(shí)代，開(kāi)始光通訊時(shí)代光纖通信光纖通信光通訊光通訊電通訊電通訊比傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電通訊具有更大的比傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電通訊具有更大的 優(yōu)勢(shì)：優(yōu)勢(shì)：容量大，損耗小，容量大，損耗小， 成本低，保密性好成本低，保密性好共存，互補(bǔ)共存，互補(bǔ)2009年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者年諾貝爾物理獎(jiǎng)

3、獲得者高昆高昆現(xiàn)在使用的各類(lèi)信息傳輸方式現(xiàn)在使用的各類(lèi)信息傳輸方式傳輸方式：傳輸方式：有線(xiàn)：電話(huà)，電視，電纜，光纜，網(wǎng)絡(luò)有線(xiàn)：電話(huà)，電視，電纜，光纜，網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)：廣播，電視，移動(dòng)通信，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，微波中無(wú)線(xiàn)：廣播，電視，移動(dòng)通信，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，微波中繼，短波通訊，衛(wèi)星通訊，紅外（藍(lán)牙），導(dǎo)繼，短波通訊，衛(wèi)星通訊，紅外（藍(lán)牙），導(dǎo)航，制導(dǎo)，航天航，制導(dǎo)，航天信號(hào)形式：信號(hào)形式：模擬信號(hào)：廣播，電視，電話(huà)模擬信號(hào)：廣播，電視，電話(huà)數(shù)字信號(hào)：因特網(wǎng)，高清電視，手機(jī)，衛(wèi)星通訊數(shù)字信號(hào)：因特網(wǎng)，高清電視，手機(jī)，衛(wèi)星通訊固定，移動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制：固定，移動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制：這些都與物理學(xué)從這些都與物理學(xué)從19-21世紀(jì)

4、的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)世紀(jì)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步密切相關(guān)，我們都從中受益。步密切相關(guān)，我們都從中受益。一一. 激光及激光的產(chǎn)生激光及激光的產(chǎn)生激光激光受激輻射光放大受激輻射光放大 當(dāng)電子吸收光子能量正好等于上下能級(jí)差當(dāng)電子吸收光子能量正好等于上下能級(jí)差時(shí)，會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)時(shí)，會(huì)從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)- 自發(fā)吸收自發(fā)吸收 當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)將多當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)將多余能量以光子形式釋放出來(lái)余能量以光子形式釋放出來(lái)- 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 愛(ài)因斯坦提出：一定存在一種光子被吸收愛(ài)因斯坦提出：一定存在一種光子被吸收過(guò)程的過(guò)程的 逆過(guò)程，大量處于高能級(jí)的電子會(huì)逆過(guò)程，大

5、量處于高能級(jí)的電子會(huì)由于光子的激發(fā)躍遷到低能級(jí)并發(fā)射光子由于光子的激發(fā)躍遷到低能級(jí)并發(fā)射光子- 受激輻射（發(fā)射的光子特性相同）受激輻射（發(fā)射的光子特性相同）二二. 激光的種類(lèi)和應(yīng)用激光的種類(lèi)和應(yīng)用激光的種類(lèi)：激光的種類(lèi)：固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器，染料激光器固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器，染料激光器激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用高強(qiáng)度，方向性，單色性高強(qiáng)度，方向性，單色性 光學(xué)研究新發(fā)展光學(xué)研究新發(fā)展精密光譜學(xué)，激光冷卻，非線(xiàn)性光學(xué)，精密光譜學(xué)，激光冷卻，非線(xiàn)性光學(xué)，全息成像，全息成像， 在工業(yè)中應(yīng)用在工業(yè)中應(yīng)用切割，打孔，焊接，準(zhǔn)直，測(cè)量切割，打孔，焊接，準(zhǔn)直，測(cè)量 在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用在醫(yī)學(xué)

6、中應(yīng)用外科手術(shù)，針灸，激光治療，化驗(yàn)檢測(cè)外科手術(shù)，針灸，激光治療，化驗(yàn)檢測(cè) 在軍事上應(yīng)用在軍事上應(yīng)用激光雷達(dá)，激光武器，激光制導(dǎo)，信息傳激光雷達(dá)，激光武器，激光制導(dǎo)，信息傳遞遞 在農(nóng)業(yè)和生物學(xué)中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和生物學(xué)中的應(yīng)用育種，食品處理，檢測(cè)育種，食品處理，檢測(cè) 在通訊上應(yīng)用在通訊上應(yīng)用光通訊光通訊 光纖通訊原理光纖通訊原理光信號(hào)在光纖中全反射傳輸光信號(hào)在光纖中全反射傳輸 光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息高速公路的構(gòu)建光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息高速公路的構(gòu)建70年代發(fā)展起來(lái)的數(shù)字信號(hào)通訊技術(shù)將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換年代發(fā)展起來(lái)的數(shù)字信號(hào)通訊技術(shù)將原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸（以二進(jìn)制代碼替代模擬信號(hào)）成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸（以

7、二進(jìn)制代碼替代模擬信號(hào)）有利于信息長(zhǎng)距離高質(zhì)量傳輸、再生，處理、存儲(chǔ)、有利于信息長(zhǎng)距離高質(zhì)量傳輸、再生，處理、存儲(chǔ)、顯示、合成、模式識(shí)別與保密，可提供寬帶綜合業(yè)務(wù)顯示、合成、模式識(shí)別與保密，可提供寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)數(shù)字網(wǎng)通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星+光纖光纜光纖光纜+微波中繼微波中繼+計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)+移動(dòng)通信移動(dòng)通信+數(shù)字信號(hào)技術(shù)數(shù)字信號(hào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與通信結(jié)合，計(jì)算機(jī)控制與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與通信結(jié)合，計(jì)算機(jī)控制與處理信息，傳統(tǒng)的模擬信號(hào)通訊模式逐處理信息，傳統(tǒng)的模擬信號(hào)通訊模式逐漸退出漸退出三三. 激光與信息高速公路激光與信息高速公路 隨著隨著InternetInternet的迅速普及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的迅速普

8、及寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)(B-ISDN)的快速發(fā)展，人們對(duì)信息的需求呈現(xiàn)爆的快速發(fā)展，人們對(duì)信息的需求呈現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)（每半年翻一番）。光纖通信技術(shù)作炸性的增長(zhǎng)（每半年翻一番）。光纖通信技術(shù)作為信息高速公路的核心和支柱得到空前發(fā)展。為信息高速公路的核心和支柱得到空前發(fā)展。 信息的生產(chǎn)、傳播、交換以及應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和信息的生產(chǎn)、傳播、交換以及應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有決定性的影響，光纖通信更具有特殊國(guó)家安全有決定性的影響，光纖通信更具有特殊意義。意義。 光纖通信系統(tǒng)是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程。各組成部光纖通信系統(tǒng)是一個(gè)巨大的系統(tǒng)工程。各組成部分互為依存、互相推動(dòng)，共同發(fā)展。分互為依存、互相

9、推動(dòng)，共同發(fā)展。移動(dòng)通訊的發(fā)展移動(dòng)通訊的發(fā)展 移動(dòng)通訊移動(dòng)通訊采用移動(dòng)收發(fā)信機(jī)、蜂窩式基站、光纖、采用移動(dòng)收發(fā)信機(jī)、蜂窩式基站、光纖、微波、衛(wèi)星傳輸及數(shù)字通訊技術(shù)組成微波、衛(wèi)星傳輸及數(shù)字通訊技術(shù)組成 第一代第一代特點(diǎn)為特點(diǎn)為模擬式模擬式，第二代第二代特點(diǎn)是特點(diǎn)是數(shù)字式數(shù)字式， 當(dāng)前第二代移動(dòng)通訊面臨著頻帶不夠?qū)?，傳輸速度慢，?dāng)前第二代移動(dòng)通訊面臨著頻帶不夠?qū)?，傳輸速度慢，?shù)據(jù)和圖象的傳輸難以實(shí)現(xiàn)同步的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)和圖象的傳輸難以實(shí)現(xiàn)同步的挑戰(zhàn) 為解決這些問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，第三代第三代碼分多址技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主碼分多址技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要特點(diǎn)是要特點(diǎn)是傳輸容量大和傳輸速度快傳輸容量大和傳輸速度快

10、 3G時(shí)代時(shí)代iPhone iPad四四.更多信息的獲取更多信息的獲取社會(huì)的發(fā)展需要社會(huì)的發(fā)展需要自然資源（礦物）自然資源（礦物）地形地貌（地圖，地質(zhì)）地形地貌（地圖，地質(zhì)）氣像（氣象及災(zāi)害預(yù)報(bào)）氣像（氣象及災(zāi)害預(yù)報(bào)）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（長(zhǎng)勢(shì)，收成）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（長(zhǎng)勢(shì)，收成）環(huán)境保護(hù)（大氣層，環(huán)境污染，全球變暖）環(huán)境保護(hù)（大氣層，環(huán)境污染，全球變暖）森林防火（報(bào)警）森林防火（報(bào)警）軍事監(jiān)測(cè)軍事監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化的信息獲取途徑：發(fā)射各類(lèi)衛(wèi)星現(xiàn)代化的信息獲取途徑：發(fā)射各類(lèi)衛(wèi)星大功率多轉(zhuǎn)發(fā)器同步通信衛(wèi)星大功率多轉(zhuǎn)發(fā)器同步通信衛(wèi)星多功能氣象衛(wèi)星，資源衛(wèi)星多功能氣象衛(wèi)星，資源衛(wèi)星軍事偵察衛(wèi)星，導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星軍事偵察衛(wèi)星，導(dǎo)彈預(yù)

11、警衛(wèi)星 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) 海事衛(wèi)星海事衛(wèi)星 外空探測(cè)衛(wèi)星外空探測(cè)衛(wèi)星衛(wèi)星在距赤道上空衛(wèi)星在距赤道上空 35860 km 的軌道上與地球的自轉(zhuǎn)同步運(yùn)行。的軌道上與地球的自轉(zhuǎn)同步運(yùn)行。每一顆通訊衛(wèi)星可俯視地球三分之一的面積，利用同步軌道上等距離分布的三顆每一顆通訊衛(wèi)星可俯視地球三分之一的面積，利用同步軌道上等距離分布的三顆衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球通訊。衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球通訊。一顆衛(wèi)星有幾十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，可同時(shí)提供幾萬(wàn)路電話(huà)線(xiàn)路或轉(zhuǎn)發(fā)幾十路電視。一顆衛(wèi)星有幾十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，可同時(shí)提供幾萬(wàn)路電話(huà)線(xiàn)路或轉(zhuǎn)發(fā)幾十路電視。通訊衛(wèi)星通訊衛(wèi)星通過(guò)多通道高分辨率掃描輻射計(jì)、通過(guò)多通道高分辨率掃描輻射計(jì)、紅外分光計(jì)和微波輻射

12、計(jì)等遙感紅外分光計(jì)和微波輻射計(jì)等遙感器觀(guān)測(cè)地球，獲取氣象資料。器觀(guān)測(cè)地球，獲取氣象資料。 氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星是一個(gè)高懸在太空的氣象衛(wèi)星是一個(gè)高懸在太空的自動(dòng)化高級(jí)氣象站，是空間、自動(dòng)化高級(jí)氣象站，是空間、遙感、計(jì)算機(jī)、通信和控制等遙感、計(jì)算機(jī)、通信和控制等高技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。高技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。1999年10月，我國(guó)和巴西聯(lián)合研制的第一顆數(shù)字傳輸對(duì)地遙感衛(wèi)星資源一號(hào)01星發(fā)射成功。星上裝有5譜段CCD 相機(jī)、4 譜段紅外多光譜掃描儀、2譜段寬視場(chǎng)成像儀等。2003年10月，我國(guó)與巴西合作研制發(fā)射成功了資源一號(hào)02星。這兩顆衛(wèi)星 的研制和發(fā)射成功，填補(bǔ)了我國(guó)資源衛(wèi)星的空白，衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用

13、于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、礦產(chǎn)、能源、測(cè)繪和環(huán)保等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的應(yīng)用成果， 資源衛(wèi)星資源衛(wèi)星間諜衛(wèi)星拍攝的照片間諜衛(wèi)星拍攝的照片 由衛(wèi)星上的由衛(wèi)星上的“成像遙感器成像遙感器”通過(guò)掃描方通過(guò)掃描方法拍攝地面場(chǎng)景圖像，并將這些法拍攝地面場(chǎng)景圖像，并將這些“高品高品位遠(yuǎn)距照相電視信號(hào)位遠(yuǎn)距照相電視信號(hào)”采用數(shù)字圖像的采用數(shù)字圖像的傳輸方式傳輸?shù)降孛嫘l(wèi)星接收站，傳輸方式傳輸?shù)降孛嫘l(wèi)星接收站， 美國(guó)美國(guó)“大鳥(niǎo)大鳥(niǎo)”間諜衛(wèi)星配備：一架分辨力極高間諜衛(wèi)星配備：一架分辨力極高的詳查照相機(jī)，可以看清在地面上行走的單個(gè)的詳查照相機(jī)，可以看清在地面上行走的單個(gè)行人；一架新行人；一架新 型膠卷掃描普查照相機(jī)，用它型

14、膠卷掃描普查照相機(jī)，用它來(lái)進(jìn)行地上大面積普查照相；一個(gè)可以在夜間來(lái)進(jìn)行地上大面積普查照相；一個(gè)可以在夜間看見(jiàn)地下導(dǎo)彈發(fā)射井的多光譜紅外掃描照相機(jī)?？匆?jiàn)地下導(dǎo)彈發(fā)射井的多光譜紅外掃描照相機(jī)。 偵察衛(wèi)星偵察衛(wèi)星美國(guó)商用衛(wèi)星拍到朝鮮火箭升空軌跡 導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)應(yīng)用范圍（民用）應(yīng)用范圍（民用）為船舶為船舶,汽車(chē)汽車(chē),飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如：1.船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水2.飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場(chǎng)降落3.汽車(chē)自主導(dǎo)航4.地面車(chē)輛跟蹤和城市智能交通管理5.緊急救生6.個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)7.個(gè)人通訊終端（與手機(jī)，PDA，電子地圖等集成一體） 1.電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步2.準(zhǔn)確時(shí)間的授入3.準(zhǔn)確頻率的授入1.各種等級(jí)的大地測(cè)量，控制測(cè)量2.道路和各種線(xiàn)路放樣3.水下地形測(cè)量4.地殼形變測(cè)量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測(cè)5.GIS應(yīng)用6.工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制7.精細(xì)農(nóng)業(yè)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，中國(guó)用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，中國(guó)用“長(zhǎng)征長(zhǎng)征三號(hào)甲三號(hào)甲”運(yùn)載火箭將第四顆北斗導(dǎo)運(yùn)載火箭將第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星送入太空。航試驗(yàn)衛(wèi)星送入太空。 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖 全球定位系統(tǒng)全球定