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(tái)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(shí)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(guó)內(nèi)開設(shè)該課程的大學(xué)有武漢大學(xué)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），長(zhǎng)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(duì)于其中“物理”原理介紹不足[5-7]?；诖耍谡{(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(dòng)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(dòng)—電磁波和力學(xué)波，本課程主要介紹電磁波的相關(guān)知識(shí)。

有了以上知識(shí)儲(chǔ)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(cè)技術(shù)。一般指運(yùn)用傳感器對(duì)目標(biāo)物的電磁波的輻射、反射特性進(jìn)行探測(cè)。獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、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(chǎng)和磁場(chǎng)等知識(shí)點(diǎn)。電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E、磁場(chǎng)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(chǎng)、磁場(chǎng)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(cè)手段，那么對(duì)電磁場(chǎng)和電磁波的學(xué)習(xí)就應(yīng)該是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)都屬于矢量，因此，本課程從對(duì)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(duì)矢量場(chǎng)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(duì)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(huì)學(xué)習(xí)亥姆霍茲定理，用于確定空間中靜態(tài)電磁場(chǎng)分布。最后，學(xué)習(xí)矢量場(chǎng)的微分，該微分一般是一階微分，但后面也會(huì)用到二階微分。對(duì)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(dòng)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(dòng)性以及電磁波的粒子性兩方面對(duì)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(duì)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(chǎng)中進(jìn)行數(shù)理分析，學(xué)習(xí)時(shí)諧電磁場(chǎng)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(duì)典型地物的復(fù)電容率進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過對(duì)這種時(shí)諧場(chǎng)的分析，能獲得任意時(shí)刻電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(zhǎng)、波數(shù)、周期、頻率、波阻抗、相速的概念和計(jì)算方法。對(duì)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(chǎng)和磁場(chǎng)的大小和方向都保持不變。不同時(shí)刻，電磁波總會(huì)隨著時(shí)間傳播開來。在固定的平面，隨著時(shí)間變化，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的大小和方向會(huì)發(fā)生變化[11-12]，電磁波不會(huì)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(chǎng)和磁場(chǎng)在空氣與地物的交界面兩側(cè)是否會(huì)有變化，這就要研究電磁場(chǎng)的邊界條件。其次，對(duì)于電磁波來說，最簡(jiǎn)單的入射方式是對(duì)地物的垂直入射，而垂直入射的對(duì)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(shí)的前提下，課程要加大難度，學(xué)習(xí)均勻平面波對(duì)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(cè)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(shí)，并利用這些知識(shí)向?qū)W生介紹信號(hào)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(hào)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(shí)也會(huì)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(duì)高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等理論課的知識(shí)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(duì)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(dòng)手能力，同時(shí)加深對(duì)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(shí)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(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。微波和光波都是電磁波，都具有波動(dòng)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(dòng)實(shí)驗(yàn)所說明的波動(dòng)現(xiàn)象及其規(guī)律與遙感探測(cè)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(zhǎng)與光波的波長(zhǎng)在量級(jí)上差幾萬倍，因此用微波設(shè)備作波動(dòng)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(dòng)臂；⑥發(fā)射喇叭天線；⑦接收喇叭天線；⑧3 cm 固態(tài)信號(hào)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(zhǎng)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(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)波為右旋或左旋圓極化波；③其他情況下，合成場(chǎng)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(tái)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(duì)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(duì)提高學(xué)生的遙感物理理論水平和動(dòng)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。