遥感物理基础课程组织设计及实验教学

石文轩，张 熠，李四维，崔卫红，秦 昆*

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）

《遥感物理基础》课程是武汉大学遥感信息工程学院本科人才培养方案（2018 年版）中的大类平台课程，也是遥感科学与技术类专业的第一门专业课，它的前序课程是高等数学、线性代数，以及大学物理的电磁学部分[1]。这门课的后续课程包括遥感原理与方法[2-3]、遥感传感器原理、定量遥感、微波遥感、高光谱遥感、激光与红外遥感、遥感应用模型等。牢固掌握《遥感物理基础》课程中的核心知识点，能为后续课程的学习打下良好的基础。遥感物理基础课程由武汉大学最先设置。目前，国内开设该课程的大学有武汉大学，中国地质大学（武汉），长安大学等十余所大学，每所大学的教学内容也不尽相同[4]。当前众多高校的《遥感物理基础》课程内容与《遥感原理与应用》课程有一定的重复，其主要的问题是对于其中“物理”原理介绍不足[5-7]。基于此，在调研了各大学的《遥感物理基础》课程设计的基础上，充分考虑了武汉大学本专业学生基础和前序课程的关系，设计了一种基于电磁波理论的遥感物理基础课程体系并应用于实践教学中，取得了良好的教学效果。本文将从这门课程的组织设计以及实验教学两个方面进行论述。

1 遥感物理基础课程组织设计

1.1 绪 论

绪论课的目的是让学生了解遥感的概念，以及本课程内容的组织架构。在第一次绪论课上，让学生们观察最常见的卫星光学遥感图像[8]，掌握遥感图像形成背后的光学相机成像机理，通过形象生动地展示，逐步让学生们走进遥感的世界。

能用于遥感的，不仅有相机，还包括很多类型的传感器，能开展遥感研究是因为传感器接收到了两类不同性质的波动—电磁波和力学波，本课程主要介绍电磁波的相关知识。

有了以上知识储备，课程可以正式给出遥感的定义了。遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器对目标物的电磁波的辐射、反射特性进行探测。获取其反射、辐射或散射的电磁波信息（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并进行提取、判定、加工处理、分析与应用的一门科学和技术。远距离体现了“遥”，非接触体现了“感”。采用的手段是电磁波信息。电磁波在空间中进行传播的过程中，要用到《大学物理》中的电场和磁场等知识点。电场强度矢量E、磁场强度矢量H、传播方向S三者两两正交，并且符合右手螺旋法则，如图1 所示[9]。

图1 电场、磁场与电磁波传播方向

1.2 矢量分析

既然采用电磁波作为探测手段，那么对电磁场和电磁波的学习就应该是学习的重点。电场和磁场都属于矢量，因此，本课程从对矢量的分析开始引入。

在第二章中，我们将要学习矢量分析。首先，学习的是将矢量大小与方向结合起来的3 种最常用的正交坐标系（直角坐标系、柱坐标系、球坐标系）。然后，对矢量场的梯度、散度和旋度进行分析。这种分析的目的是让大家从数理的角度知道电磁波的“源”。在对散度和旋度进行微观和宏观分析时，学习两个重要的定理:散度定理和旋度定理。接着，还会学习亥姆霍兹定理，用于确定空间中静态电磁场分布。最后，学习矢量场的微分，该微分一般是一阶微分，但后面也会用到二阶微分。对空间位置的二阶微分运算要涉及到学习拉普拉斯运算。

1.3 电磁波的波动性与粒子性

电磁波是具有波粒二象性的。第三章和第四章分别从电磁波的波动性以及电磁波的粒子性两方面对电磁波进行深入的学习。学生们学习大学物理电磁学的时候，已经对麦克斯韦方程组有了一定的掌握。但在大学物理电磁学课程中，主要学习的是积分形式的表达式。通过积分形式的表达式以及第二章学的散度定理和旋度定理，可推导出微分形式麦克斯韦方程组的表达式，并推演出麦克斯韦时代就预言存在的电磁波。

为了方便在时谐电磁场中进行数理分析，学习时谐电磁场的复数表示方法，得到采用复矢量表示的麦克斯韦方程组，并用这个变化后的麦克斯韦方程组去研究不同物质的电磁特性，比如物质的复电容率、复磁导率，并对典型地物的复电容率进行学习。通过对这种时谐场的分析，能获得任意时刻电场和磁场的状态，也能研究出一段时间内能量的平均状态。

从物理学的角度看，物体的颜色，特别是物体反射的颜色，是由物体的内部结构决定的。因此，研究各种遥感地物内部结构是研究地物颜色的一把钥匙[10]。

1.4 均匀平面波在无界空间中的传播

入射到地球表面的太阳光可近似为均匀平面波。第五章的学习内容是掌握均匀平面波时间相位、空间相位、波长、波数、周期、频率、波阻抗、相速的概念和计算方法。对于均匀平面波，某个固定时刻，平面上任意一点的电场和磁场的大小和方向都保持不变。不同时刻，电磁波总会随着时间传播开来。在固定的平面，随着时间变化，电场和磁场的大小和方向会发生变化[11-12]，电磁波不会始终都在真空中传播，当入射到地球，可能洒在海面，可能射入森林，也可能照在城市，这些地物，或多或少都具有导电性。

1.5 均匀平面波的反射与透射

遥感最关注的是电磁波与地物发生的各种作用，主要是反射和透射。因此，在第六章中，将具体研究均匀平面波在不同介质中的反射和透射。

首先，研究电场和磁场在空气与地物的交界面两侧是否会有变化，这就要研究电磁场的边界条件。其次，对于电磁波来说，最简单的入射方式是对地物的垂直入射，而垂直入射的对象，可能是某种单纯的介质比如阳光入射到平静的湖面，也可能是多层介质的叠加，比如由表皮和叶肉组成的植物叶片。最后，在掌握了垂直入射相关知识的前提下，课程要加大难度，学习均匀平面波对理想介质和理想导体的斜入射。

1.6 电磁辐射

在第七章中，将从遥感探测中使用的天线出发，研究电磁辐射的相关内容。在遥感物理基础这门课中，学习天线的基本知识，并利用这些知识向学生介绍信号传输的原理及过程，包括利用高频振荡电流进行调制、无线电波的发射、无线电波的传输、无线电波的接收、信号解调等内容。作为电磁辐射的2 个典型遥感应用:射电望远镜和合成孔径雷达的相关知识也会在本章进行讲解[13-14]。

2 遥感物理基础课程实验教学

从前面的课堂教学部分可以看出，本课程对高等数学、大学物理等理论课的知识点掌握情况要求较高，理论性较强。为配合学生理解课程内容，在学时分配中，留出了3 个学时用于课间实习，分别针对第五章的电磁波极化内容，以及第六章电磁波的斜入射内容开展实验，帮助学生们提高动手能力，同时加深对本课程的理解。

实验教学作为本科阶段高等教育的重要环节，是培养大学生创新意识和实践能力的重要教学环节，也是培养大学生以理论教学为基础，以工程应用和创新设计能力为核心的系统工程能力最关键、最主要的方式，直接决定着高等教育的培养质量[15]。

遥感物理基础教学实验采用DH926B 型微波分光仪作为波动实验设备。微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉、衍射和极化等现象。因此用微波波动实验所说明的波动现象及其规律与遥感探测所使用的可见光、近红外光的规律是一致的。由于微波的波长与光波的波长在量级上差几万倍，因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观、方便和安全，所需要设备制造也较容易。

2.1 实验装置

成套微波分光仪如图2 所示。

图2 成套微波分光仪

各部分名称为:①底盘；②支座；③分度盘；④固定臂；⑤活动臂；⑥发射喇叭天线；⑦接收喇叭天线；⑧3 cm 固态信号源；⑨频率调节器；⑩可变衰减器；⑪检波指示器（微安电流表）；⑫发射喇叭天线轴承环；⑬接收喇叭天线轴承环；⑭读数机构；⑮垂直栅网；⑯水平栅网；⑰长支柱；⑱短支柱；⑲分光片；⑳中央支座；㉑晶体检波器；㉒定位销和压紧螺钉。

2.2 实验内容

本课程开展的实验内容主要包括3 个:①反射实验（图3）；②偏振实验（图4）；③圆极化合成实验（图5）。以圆极化合成实验为例，采用的实验装置（DH30003 型栅网组件）是由2 个栅条方向相差90°的栅网组成。栅网是在一金属框架上绕有一排互相平行的金属丝，以反射平行金属丝的电场，DH30003 型栅网组件与DH926B 型微波分光仪组合使用可获得圆极化波。中间的分光片可以使入射波分解为50%的反射波和50%的透射波。电磁波的极化是用以描述电场强度的矢端轨迹随时间变化的规律。无论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的2 个线极化波合成。①若它们同相（或反相），其合成波是线极化波；②若它们相位差为90°，即△φ=±90°，幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极化波；③其他情况下，合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。

图3 反射试验仪器布置图

图4 偏振试验仪器布置图

图5 栅网组件实现合成圆极化波的原理图

3 结 语

遥感物理基础是一门理论性要求高、难度较大的遥感科学与技术类本科专业的大类平台课程，在2018 版的本科生培养方案中，该课程的重要性被提到了非常重要的地位，是开展后续专业课程教学的基础课程。本文对遥感物理基础课程的组织设计和教学实验提出了方案，课程组教师经过2 a 的课堂教学和实践经验认为本方案符合遥感类专业课程体系的教学要求，对提高学生的遥感物理理论水平和动手能力有着非常积极的作用。当然，遥感物理基础是一个开创性的新课，如何更好地开展该课程的设计与教学还需要不断实践和探索。