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出版:课程教育研究杂志社
编  辑:课程教育研究杂志社
社  长:贾继贤
副 社 长:殷文捷
执行主编:刘巧珍
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我刊入选第二批学术期刊名单
期刊类别:纯教育、G4
国际标准刊号 ISSN 2095-3089
国内统一刊号 CN15-1362/G4
邮发代号:16-129
出版日期:每月25日

我刊投稿论文
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  【摘要】针对目前武汉大学地理国情监测专业学生对合成孔径雷达(SAR)成像机理理解不深的问题,本文设计并实现了利用地基SAR系统对地物目标进行成像的实验教学。作者将科学研究设备用于实验教学的尝试,加深了学生对SAR系统构架和成像机理的理解,培养了学生将SAR系统应用于地理国情监测的能力以及科学研究的兴趣。
  【关键词】地理国情监测 合成孔径雷达 实验教学 成像机理
  【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2017)03-0012-02
  【Abstract】At present, the students in the major of national geographical conditions monitoring of Wuhan University usually can’t well understand the imaging principle of synthetic aperture radar (SAR). In order to solve this problem, the experimental teaching in which the ground-based SAR is used to achieve the image of the target is designed and implemented in this paper. From this experimental teaching, the students can better understand the architecture of SAR and its imaging principle. Furthermore, the abilities of the students to apply the SAR in the area of national geographical conditions monitoring can be improved, and the interests of the students in scientific research can be inspired.
  【Key words】National geographical conditions monitoring; Synthetic aperture radar; Experiment teaching; Imaging principle
  地理国情是指包括国土疆域面积、地理区域划分、地形地貌特征、道路交通网络、江河湖海分布、土地利用与土地覆盖、城市布局和城镇化扩张、生产力空间布局、灾害分布等在内的自然和人文地理要素在宏观层面的综合表达,是基本国情的重要组成部分[1,2]。地理国情监测就是从地理的角度,综合利用现代测绘、遥感、地理信息系统、空间统计学、云计算、通讯等技术,在普查的基础上对自然、人文和社会经济要素进行动态、定量监测,并分析评估地理国情信息的时空特征和变化趋势,形成涵盖资源分布与利用、生态环境评估、区域规划、城镇化发展、经济布局、社会公共服务等诸多方面的地理国情监测产品[3]。
  相对于目前常用的光学遥感手段,合成孔径雷达(SAR)应用于地理国情监测中时不受云、雨、雾等因素的影响,可全天时、全天候获取高分辨率影像,而且在长时间序列森林覆盖监测、地面沉降等方面具有很大的优势[4]。因此,SAR在地理国情监测中有非常大的应用潜力[5]。地理国情监测专业是武汉大学乃至全国第一个本科专业,从2012年招收本科生开始,针对遥感数据在地理国情监测中的应用目前已经开设了《遥感原理与应用》、《遥感图像解译》、《微波遥感》、《水利遥感监测》和《海洋遥感》等专业课程。由于缺乏SAR实物平台,这些课程对该系统构架和成像机理的講授都很肤浅,造成学生对SAR成像机制理解不深,进而限制了学生将SAR影像应用于地理国情监测的能力和兴趣。本文利用由国家自然科学基金项目资助研制的地基SAR系统,设计并实现了该系统对地物目标进行成像的教学实验。实验的目的是使学生掌握SAR系统构架和成像机理,了解不同地物目标在SAR影像上所呈现的纹理特征,培养学生将SAR应用于地理国情监测的能力和开展相应科学研究的兴趣。
  一、地基SAR实验设备介绍
  虽然目前地理国情监测都采用星载或机载SAR影像,但由于搭载平台的特殊性,难以给学生现场展示这两种系统的成像过程。地基SAR系统在系统构架和成像机理上与星载或机载SAR基本相同,方便现场操作和展示,适合作为SAR成像机理的教学实验设备。武汉大学研制的地基SAR系统作为一种便携式雷达,可用于对人工建筑物、山体滑坡等地物目标进行实时成像和形变监测,它主要由天线单元、收发单元、滑动轨道、控制单元、数据记录和处理单元以及电源构成,如图1所示。
  该系统工作在Ku波段,通过在2米长的线性轨道上来回滑动提供合成孔径,同时通过在每个方位采样点上发射和接收步进频率连续波获得高距离向分辨率。采集数据由数据记录单元实时缓存,然后由处理单元调用成像算法对采集数据进行距离向和方位向的二维脉冲压缩,最后在笔记本电脑上显示地物目标的二维SAR影像。
  二、地基SAR成像实验介绍
  SAR作为一种新型遥感手段,尽管在科学研究中已有比较广泛的应用,但由于它涉及雷达原理、天线原理、信号处理等多种专业知识,在大学本科教学实验中的应用案例还非常少。依据武汉大学地理国情监测专业本科生的培养方案和课程安排的特点,我们利用地基SAR设计了相应的教学实验。
  1.认识和实际操作SAR设备
  首先向学生展示地基SAR设备的实物平台,向学生介绍系统的各个组成部分以及在系统中所起的作用,同时向学生介绍机载、星载SAR与地基SAR在系统结构上的差异,使学生对各种SAR的系统构架有比较好的掌握。
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