遙感物理基礎課程組織設計及實驗教學

石文軒，張 熠，李四維，崔衛紅，秦 昆*

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

《遙感物理基礎》課程是武漢大學遙感信息工程學院本科人才培養方案（2018 年版）中的大類平臺課程，也是遙感科學與技術類專業的第一門專業課，它的前序課程是高等數學、線性代數，以及大學物理的電磁學部分[1]。這門課的后續課程包括遙感原理與方法[2-3]、遙感傳感器原理、定量遙感、微波遙感、高光譜遙感、激光與紅外遙感、遙感應用模型等。牢固掌握《遙感物理基礎》課程中的核心知識點，能為后續課程的學習打下良好的基礎。遙感物理基礎課程由武漢大學最先設置。目前，國內開設該課程的大學有武漢大學，中國地質大學（武漢），長安大學等十余所大學，每所大學的教學內容也不盡相同[4]。當前眾多高校的《遙感物理基礎》課程內容與《遙感原理與應用》課程有一定的重復，其主要的問題是對于其中“物理”原理介紹不足[5-7]。基于此，在調研了各大學的《遙感物理基礎》課程設計的基礎上，充分考慮了武漢大學本專業學生基礎和前序課程的關系，設計了一種基于電磁波理論的遙感物理基礎課程體系并應用于實踐教學中，取得了良好的教學效果。本文將從這門課程的組織設計以及實驗教學兩個方面進行論述。

1 遙感物理基礎課程組織設計

1.1 緒 論

緒論課的目的是讓學生了解遙感的概念，以及本課程內容的組織架構。在第一次緒論課上，讓學生們觀察最常見的衛星光學遙感圖像[8]，掌握遙感圖像形成背后的光學相機成像機理，通過形象生動地展示，逐步讓學生們走進遙感的世界。

能用于遙感的，不僅有相機，還包括很多類型的傳感器，能開展遙感研究是因為傳感器接收到了兩類不同性質的波動—電磁波和力學波，本課程主要介紹電磁波的相關知識。

有了以上知識儲備，課程可以正式給出遙感的定義了。遙感是指非接觸的，遠距離的探測技術。一般指運用傳感器對目標物的電磁波的輻射、反射特性進行探測。獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息（如電場、磁場、電磁波、地震波等信息），并進行提取、判定、加工處理、分析與應用的一門科學和技術。遠距離體現了“遙”，非接觸體現了“感”。采用的手段是電磁波信息。電磁波在空間中進行傳播的過程中，要用到《大學物理》中的電場和磁場等知識點。電場強度矢量E、磁場強度矢量H、傳播方向S三者兩兩正交，并且符合右手螺旋法則，如圖1 所示[9]。

圖1 電場、磁場與電磁波傳播方向

1.2 矢量分析

既然采用電磁波作為探測手段，那么對電磁場和電磁波的學習就應該是學習的重點。電場和磁場都屬于矢量，因此，本課程從對矢量的分析開始引入。

在第二章中，我們將要學習矢量分析。首先，學習的是將矢量大小與方向結合起來的3 種最常用的正交坐標系（直角坐標系、柱坐標系、球坐標系）。然后，對矢量場的梯度、散度和旋度進行分析。這種分析的目的是讓大家從數理的角度知道電磁波的“源”。在對散度和旋度進行微觀和宏觀分析時，學習兩個重要的定理:散度定理和旋度定理。接著，還會學習亥姆霍茲定理，用于確定空間中靜態電磁場分布。最后，學習矢量場的微分，該微分一般是一階微分，但后面也會用到二階微分。對空間位置的二階微分運算要涉及到學習拉普拉斯運算。

1.3 電磁波的波動性與粒子性

電磁波是具有波粒二象性的。第三章和第四章分別從電磁波的波動性以及電磁波的粒子性兩方面對電磁波進行深入的學習。學生們學習大學物理電磁學的時候，已經對麥克斯韋方程組有了一定的掌握。但在大學物理電磁學課程中，主要學習的是積分形式的表達式。通過積分形式的表達式以及第二章學的散度定理和旋度定理，可推導出微分形式麥克斯韋方程組的表達式，并推演出麥克斯韋時代就預言存在的電磁波。

為了方便在時諧電磁場中進行數理分析，學習時諧電磁場的復數表示方法，得到采用復矢量表示的麥克斯韋方程組，并用這個變化后的麥克斯韋方程組去研究不同物質的電磁特性，比如物質的復電容率、復磁導率，并對典型地物的復電容率進行學習。通過對這種時諧場的分析，能獲得任意時刻電場和磁場的狀態，也能研究出一段時間內能量的平均狀態。

從物理學的角度看，物體的顏色，特別是物體反射的顏色，是由物體的內部結構決定的。因此，研究各種遙感地物內部結構是研究地物顏色的一把鑰匙[10]。

1.4 均勻平面波在無界空間中的傳播

入射到地球表面的太陽光可近似為均勻平面波。第五章的學習內容是掌握均勻平面波時間相位、空間相位、波長、波數、周期、頻率、波阻抗、相速的概念和計算方法。對于均勻平面波，某個固定時刻，平面上任意一點的電場和磁場的大小和方向都保持不變。不同時刻，電磁波總會隨著時間傳播開來。在固定的平面，隨著時間變化，電場和磁場的大小和方向會發生變化[11-12]，電磁波不會始終都在真空中傳播，當入射到地球，可能灑在海面，可能射入森林，也可能照在城市，這些地物，或多或少都具有導電性。

1.5 均勻平面波的反射與透射

遙感最關注的是電磁波與地物發生的各種作用，主要是反射和透射。因此，在第六章中，將具體研究均勻平面波在不同介質中的反射和透射。

首先，研究電場和磁場在空氣與地物的交界面兩側是否會有變化，這就要研究電磁場的邊界條件。其次，對于電磁波來說，最簡單的入射方式是對地物的垂直入射，而垂直入射的對象，可能是某種單純的介質比如陽光入射到平靜的湖面，也可能是多層介質的疊加，比如由表皮和葉肉組成的植物葉片。最后，在掌握了垂直入射相關知識的前提下，課程要加大難度，學習均勻平面波對理想介質和理想導體的斜入射。

1.6 電磁輻射

在第七章中，將從遙感探測中使用的天線出發，研究電磁輻射的相關內容。在遙感物理基礎這門課中，學習天線的基本知識，并利用這些知識向學生介紹信號傳輸的原理及過程，包括利用高頻振蕩電流進行調制、無線電波的發射、無線電波的傳輸、無線電波的接收、信號解調等內容。作為電磁輻射的2 個典型遙感應用:射電望遠鏡和合成孔徑雷達的相關知識也會在本章進行講解[13-14]。

2 遙感物理基礎課程實驗教學

從前面的課堂教學部分可以看出，本課程對高等數學、大學物理等理論課的知識點掌握情況要求較高，理論性較強。為配合學生理解課程內容，在學時分配中，留出了3 個學時用于課間實習，分別針對第五章的電磁波極化內容，以及第六章電磁波的斜入射內容開展實驗，幫助學生們提高動手能力，同時加深對本課程的理解。

實驗教學作為本科階段高等教育的重要環節，是培養大學生創新意識和實踐能力的重要教學環節，也是培養大學生以理論教學為基礎，以工程應用和創新設計能力為核心的系統工程能力最關鍵、最主要的方式，直接決定著高等教育的培養質量[15]。

遙感物理基礎教學實驗采用DH926B 型微波分光儀作為波動實驗設備。微波和光波都是電磁波，都具有波動這一共同性，即能產生反射、折射、干涉、衍射和極化等現象。因此用微波波動實驗所說明的波動現象及其規律與遙感探測所使用的可見光、近紅外光的規律是一致的。由于微波的波長與光波的波長在量級上差幾萬倍，因此用微波設備作波動實驗比光學實驗要更直觀、方便和安全，所需要設備制造也較容易。

2.1 實驗裝置

成套微波分光儀如圖2 所示。

圖2 成套微波分光儀

各部分名稱為:①底盤；②支座；③分度盤；④固定臂；⑤活動臂；⑥發射喇叭天線；⑦接收喇叭天線；⑧3 cm 固態信號源；⑨頻率調節器；⑩可變衰減器；?檢波指示器（微安電流表）；?發射喇叭天線軸承環；?接收喇叭天線軸承環；?讀數機構；?垂直柵網；?水平柵網；?長支柱；?短支柱；?分光片；?中央支座；?晶體檢波器；?定位銷和壓緊螺釘。

2.2 實驗內容

本課程開展的實驗內容主要包括3 個:①反射實驗（圖3）；②偏振實驗（圖4）；③圓極化合成實驗（圖5）。以圓極化合成實驗為例，采用的實驗裝置（DH30003 型柵網組件）是由2 個柵條方向相差90°的柵網組成。柵網是在一金屬框架上繞有一排互相平行的金屬絲，以反射平行金屬絲的電場，DH30003 型柵網組件與DH926B 型微波分光儀組合使用可獲得圓極化波。中間的分光片可以使入射波分解為50%的反射波和50%的透射波。電磁波的極化是用以描述電場強度的矢端軌跡隨時間變化的規律。無論是線極化波、圓極化波或橢圓極化波都可由同頻率正交場的2 個線極化波合成。①若它們同相（或反相），其合成波是線極化波；②若它們相位差為90°，即△φ=±90°，幅度相等，合成場波為右旋或左旋圓極化波；③其他情況下，合成場波為右旋或左旋橢圓極化波。

圖3 反射試驗儀器布置圖

圖4 偏振試驗儀器布置圖

圖5 柵網組件實現合成圓極化波的原理圖

3 結 語

遙感物理基礎是一門理論性要求高、難度較大的遙感科學與技術類本科專業的大類平臺課程，在2018 版的本科生培養方案中，該課程的重要性被提到了非常重要的地位，是開展后續專業課程教學的基礎課程。本文對遙感物理基礎課程的組織設計和教學實驗提出了方案，課程組教師經過2 a 的課堂教學和實踐經驗認為本方案符合遙感類專業課程體系的教學要求，對提高學生的遙感物理理論水平和動手能力有著非常積極的作用。當然，遙感物理基礎是一個開創性的新課，如何更好地開展該課程的設計與教學還需要不斷實踐和探索。