遙感物理基礎(chǔ)課程組織設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)

石文軒，張 熠，李四維，崔衛(wèi)紅，秦 昆*

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

《遙感物理基礎(chǔ)》課程是武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院本科人才培養(yǎng)方案（2018 年版）中的大類平臺課程，也是遙感科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)的第一門專業(yè)課，它的前序課程是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)，以及大學(xué)物理的電磁學(xué)部分[1]。這門課的后續(xù)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(yīng)用模型等。牢固掌握《遙感物理基礎(chǔ)》課程中的核心知識點(diǎn)，能為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。遙感物理基礎(chǔ)課程由武漢大學(xué)最先設(shè)置。目前，國內(nèi)開設(shè)該課程的大學(xué)有武漢大學(xué)，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），長安大學(xué)等十余所大學(xué)，每所大學(xué)的教學(xué)內(nèi)容也不盡相同[4]。當(dāng)前眾多高校的《遙感物理基礎(chǔ)》課程內(nèi)容與《遙感原理與應(yīng)用》課程有一定的重復(fù)，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(diào)研了各大學(xué)的《遙感物理基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，充分考慮了武漢大學(xué)本專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)和前序課程的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于電磁波理論的遙感物理基礎(chǔ)課程體系并應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。本文將從這門課程的組織設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 遙感物理基礎(chǔ)課程組織設(shè)計(jì)

1.1 緒 論

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

能用于遙感的，不僅有相機(jī)，還包括很多類型的傳感器，能開展遙感研究是因?yàn)閭鞲衅鹘邮盏搅藘深惒煌再|(zhì)的波動—電磁波和力學(xué)波，本課程主要介紹電磁波的相關(guān)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(yuǎn)距離的探測技術(shù)。一般指運(yùn)用傳感器對目標(biāo)物的電磁波的輻射、反射特性進(jìn)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(jìn)行提取、判定、加工處理、分析與應(yīng)用的一門科學(xué)和技術(shù)。遠(yuǎn)距離體現(xiàn)了“遙”，非接觸體現(xiàn)了“感”。采用的手段是電磁波信息。電磁波在空間中進(jìn)行傳播的過程中，要用到《大學(xué)物理》中的電場和磁場等知識點(diǎn)。電場強(qiáng)度矢量E、磁場強(qiáng)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(xué)習(xí)就應(yīng)該是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。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(xué)習(xí)矢量分析。首先，學(xué)習(xí)的是將矢量大小與方向結(jié)合起來的3 種最常用的正交坐標(biāo)系（直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系）。然后，對矢量場的梯度、散度和旋度進(jìn)行分析。這種分析的目的是讓大家從數(shù)理的角度知道電磁波的“源”。在對散度和旋度進(jìn)行微觀和宏觀分析時(shí)，學(xué)習(xí)兩個(gè)重要的定理:散度定理和旋度定理。接著，還會學(xué)習(xí)亥姆霍茲定理，用于確定空間中靜態(tài)電磁場分布。最后，學(xué)習(xí)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(yùn)算要涉及到學(xué)習(xí)拉普拉斯運(yùn)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(jìn)行深入的學(xué)習(xí)。學(xué)生們學(xué)習(xí)大學(xué)物理電磁學(xué)的時(shí)候，已經(jīng)對麥克斯韋方程組有了一定的掌握。但在大學(xué)物理電磁學(xué)課程中，主要學(xué)習(xí)的是積分形式的表達(dá)式。通過積分形式的表達(dá)式以及第二章學(xué)的散度定理和旋度定理，可推導(dǎo)出微分形式麥克斯韋方程組的表達(dá)式，并推演出麥克斯韋時(shí)代就預(yù)言存在的電磁波。

為了方便在時(shí)諧電磁場中進(jìn)行數(shù)理分析，學(xué)習(xí)時(shí)諧電磁場的復(fù)數(shù)表示方法，得到采用復(fù)矢量表示的麥克斯韋方程組，并用這個(gè)變化后的麥克斯韋方程組去研究不同物質(zhì)的電磁特性，比如物質(zhì)的復(fù)電容率、復(fù)磁導(dǎo)率，并對典型地物的復(fù)電容率進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過對這種時(shí)諧場的分析，能獲得任意時(shí)刻電場和磁場的狀態(tài)，也能研究出一段時(shí)間內(nèi)能量的平均狀態(tài)。

從物理學(xué)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(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。因此，研究各種遙感地物內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)內(nèi)容是掌握均勻平面波時(shí)間相位、空間相位、波長、波數(shù)、周期、頻率、波阻抗、相速的概念和計(jì)算方法。對于均勻平面波，某個(gè)固定時(shí)刻，平面上任意一點(diǎn)的電場和磁場的大小和方向都保持不變。不同時(shí)刻，電磁波總會隨著時(shí)間傳播開來。在固定的平面，隨著時(shí)間變化，電場和磁場的大小和方向會發(fā)生變化[11-12]，電磁波不會始終都在真空中傳播，當(dāng)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(dǎo)電性。

1.5 均勻平面波的反射與透射

遙感最關(guān)注的是電磁波與地物發(fā)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(zhì)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(cè)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(zhì)比如陽光入射到平靜的湖面，也可能是多層介質(zhì)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(guān)知識的前提下，課程要加大難度，學(xué)習(xí)均勻平面波對理想介質(zhì)和理想導(dǎo)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(fā)，研究電磁輻射的相關(guān)內(nèi)容。在遙感物理基礎(chǔ)這門課中，學(xué)習(xí)天線的基本知識，并利用這些知識向?qū)W生介紹信號傳輸?shù)脑砑斑^程，包括利用高頻振蕩電流進(jìn)行調(diào)制、無線電波的發(fā)射、無線電波的傳輸、無線電波的接收、信號解調(diào)等內(nèi)容。作為電磁輻射的2 個(gè)典型遙感應(yīng)用:射電望遠(yuǎn)鏡和合成孔徑雷達(dá)的相關(guān)知識也會在本章進(jìn)行講解[13-14]。

2 遙感物理基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

從前面的課堂教學(xué)部分可以看出，本課程對高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等理論課的知識點(diǎn)掌握情況要求較高，理論性較強(qiáng)。為配合學(xué)生理解課程內(nèi)容，在學(xué)時(shí)分配中，留出了3 個(gè)學(xué)時(shí)用于課間實(shí)習(xí)，分別針對第五章的電磁波極化內(nèi)容，以及第六章電磁波的斜入射內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生們提高動手能力，同時(shí)加深對本課程的理解。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為本科階段高等教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)大學(xué)生以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，以工程應(yīng)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力為核心的系統(tǒng)工程能力最關(guān)鍵、最主要的方式，直接決定著高等教育的培養(yǎng)質(zhì)量[15]。

遙感物理基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)采用DH926B 型微波分光儀作為波動實(shí)驗(yàn)設(shè)備。微波和光波都是電磁波，都具有波動這一共同性，即能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和極化等現(xiàn)象。因此用微波波動實(shí)驗(yàn)所說明的波動現(xiàn)象及其規(guī)律與遙感探測所使用的可見光、近紅外光的規(guī)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(shè)備作波動實(shí)驗(yàn)比光學(xué)實(shí)驗(yàn)要更直觀、方便和安全，所需要設(shè)備制造也較容易。

2.1 實(shí)驗(yàn)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(fā)射喇叭天線；⑦接收喇叭天線；⑧3 cm 固態(tài)信號源；⑨頻率調(diào)節(jié)器；⑩可變衰減器；?檢波指示器（微安電流表）；?發(fā)射喇叭天線軸承環(huán)；?接收喇叭天線軸承環(huán)；?讀數(shù)機(jī)構(gòu)；?垂直柵網(wǎng)；?水平柵網(wǎng)；?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(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本課程開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括3 個(gè):①反射實(shí)驗(yàn)（圖3）；②偏振實(shí)驗(yàn)（圖4）；③圓極化合成實(shí)驗(yàn)（圖5）。以圓極化合成實(shí)驗(yàn)為例，采用的實(shí)驗(yàn)裝置（DH30003 型柵網(wǎng)組件）是由2 個(gè)柵條方向相差90°的柵網(wǎng)組成。柵網(wǎng)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(wǎng)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(qiáng)度的矢端軌跡隨時(shí)間變化的規(guī)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(gè)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(yàn)儀器布置圖

圖4 偏振試驗(yàn)儀器布置圖

圖5 柵網(wǎng)組件實(shí)現(xiàn)合成圓極化波的原理圖

3 結(jié) 語

遙感物理基礎(chǔ)是一門理論性要求高、難度較大的遙感科學(xué)與技術(shù)類本科專業(yè)的大類平臺課程，在2018 版的本科生培養(yǎng)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(xù)專業(yè)課程教學(xué)的基礎(chǔ)課程。本文對遙感物理基礎(chǔ)課程的組織設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)提出了方案，課程組教師經(jīng)過2 a 的課堂教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為本方案符合遙感類專業(yè)課程體系的教學(xué)要求，對提高學(xué)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(dāng)然，遙感物理基礎(chǔ)是一個(gè)開創(chuàng)性的新課，如何更好地開展該課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)還需要不斷實(shí)踐和探索。