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电波传播的简单小结

已有 3701 次阅读 2010-2-12 06:10 |个人分类:电子信息工程与计算机科学|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 传播, 电波

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1.电波传播是关于无线电波在地球、地球大气层和宇宙空间中传播过程的理论。电波受媒质和媒质交界面的作用,产生反射、散射、折射、绕射和吸收等现象,使电波的特性参量如幅度、相位、极化、传播方向等发生变化。电波传播已形成电子学的一个分支,它研究无线电波与媒质间的这种相互作用,阐明其物理机理,计算传播过程中的各种特性参量,为各种电子系统工程的方案论证、最佳工作条件选择和传播误差修正等提供数据和资料。根据电波传播原理,用无线电波来进行探测,是研究电离层、磁层等的有效手段。电波传播为大气物理和高层大气物理等的研究提供探测方法,积累大批资料,提供数据分析的理论基础。

2.电磁波频谱的范围极其宽广,是一种巨大的资源。电波传播的研究是开拓利用这些资源的重要方面。它主要研究几赫到3000吉赫的无线电波,同时也研究3000吉赫到384太赫的红外线,384太赫到太赫的光波的传播问题。电波传播所涉及的媒质有地球(地下、水下和地球表面等)、地球大气(对流层、电离层和磁层等)、日地空间以及星际空间等。这些媒质多数是自然界存在的,但也有许多人工产生的媒质,如火箭喷焰等离子体和飞行器再入大气层时产生的等离子体等,也是电波传播的研究对象。这些媒质的结构千差万别,电气特性各异。

3.但就其在传播过程中的作用可以分为三种类型:①连续的(均匀的或不均匀的)传播媒质,如对流层和电离层等;②媒质间的交界面(粗糙的或光滑的),如海面和地面等;③离散的散射体如雨滴、雪、飞机、导弹等,它可以是单个的,也可以是成群的。这些媒质的特性多数随时间和空间而随机地变化。因而与它相互作用的波的幅度和相位也随时间和空间而随机变化。因此,媒质和传播波的特性需要用统计方法来描述

4.电波传播研究历来就是用理论和实验两种方法来进行的。随着计算机技术的发展,用计算机模拟已成为一种独立的研究方法。电波传播研究主要有理论研究、实验观测和计算机模拟三种研究方法。电波传播主要研究媒质与电波的相作用过程。有时候媒质特性可以用若干参数来表征,而且这些参数尽管可能有时空的规律变化和随机变化,但并不因电波的存在而发生变化。这时用理论方法研究电波传播问题时,可以根据媒质的物理模型,对媒质或者媒质分界面的时空变化采用一定的数学模型加以描述,研究传播特性就归结为求解电磁方程组的数学问题。媒质模型的选择首先取决于人们对媒质结构和媒质特性的认识;但在处理实际问题时,更为重要的是考虑模型的合理性和求解方程式的实际可能性

5.另一方面,当介质特性与传播特征的主要关系弄清楚以后,人们有可能根据已知的传播特征来反推媒质或媒质介面的特性。这类反演问题也是理论研究的一个重要方面。反演理论是遥感技术的重要理论基础。由于自然媒质的结构和特性非常复杂,并且随时间、空间而随机变化,要用理论方法得出可以用于工程应用的精确资料是困难的。因此,实验观测方法历来就是电波传播研究的最基本的方法。电波传播研究通过大量的实地观测,探测媒质的结构,监视媒质的变化,积累传播特性的数据资料,从中总结出电波传播的规律。电波传播观测一般在实际的环境、有代表性的不同地区进行。在同一地区的实验,又须积累较长时间的资料,才能反映出传播特性和媒质特性随时间、空间的变化规律。这是电波传播实验的一个重要特点。

6.由于电波传播是研究电波和媒质间的作用过程,电波和媒质都是研究的对象。这样就形成了按电波频率(波段划分和按媒质划分两类。按频率分类有极长波传播、超长波传播、长波传播、中波传播、短波传播、超短波传播、微波传播和毫米波传播等;按媒质分类则有地下电波传播、地波传播、对流层电波传播、电离层电波传播和磁层电磁波等。这两种分类基本上是“平行”的和彼此对应的,但又是互相交叉的。

7.由于媒质结构、电波波长等不同,电波传播的物理机制各异。有的以散射传播为主,而有的则以波导传播为主。物理机制不同,传播理论方法也就不同。从这个角度分类,有随机媒质传播理论(散射理论)、分层媒质传播理论、波导模传播理论、绕射传播理论、磁离子理论和反演理论等。电波传播的基本理论出发点是电磁理论即麦克斯韦方程组和来源于物理学中的电动力学。地球、地球大气层以至外层空间是电波传播的媒质,多种多样的媒质产生丰富多采的电波传播内容。为了研究不同类型的电波传播,必须了解不同媒质的物理结构及其运动变化。因此,电波传播是以地球物理、气象学、大气物理和空间物理等为物理基础的。

8.电子系统必须考虑的另一电波传播问题是传播衰减预计通信、广播和导航系统,必须有足够的辐射功率,以便经过传播的波在接收端能够保证有足够的信噪比,为此就需要预计单向传播衰减。雷达系统则必须预计双向传播衰减和目标散射截面。为使所有的电子系统都能互不干扰地工作,每一无线电发射系统还应保证不干扰其他系统,这又需要预计干扰场强

9.在雷达系统方面,除传播衰减或作用距离外,杂散回波、地面反射和大气折射效应等也都应该加以考虑。杂散回波如地形地物回波,海浪回波,云、雨回波以及飞鸟、飞虫回波等会影响目标检测;地面反射造成的虚目标可能引起错误跟踪;大气折射引起目标视在位置与真实位置之间的误差,如仰角误差、距离误差、高度误差和方位角误差等。为了达到精确定位,这些因素都须根据传播特性而加以抑制、消除或修正。低仰角跟踪情况尤其如此。在遥感技术方面,电波在各种粗糙面及其覆盖层的散射特性,是正确处理和解释数据必不可少的知识,其中包括各种农作物、森林、水面以及水面污染等的后向散射截面和谱特性等。

10.电波传播在大气物理等方面的应用,主要有两种方式:①直接利用传播媒质探测研究结果,如大地电特性、降水特性、对流层结构和电离层结构等;②利用电波传播规律,给出大气物理过程等的传播效应,从而寻求大气物理过程等的无线电探测和分析方法。例如,电离层非相干散射雷达探测,就是基于强大的电磁波与电离层中处于热运动状态的电子和离子的相互作用,以及包含在散射信号中有关电子和离子的浓度、温度和成分等信息

11.随着科学技术的发展,电波传播正在进一步扩展研究和应用领域。例如,电磁波的生物效应、地震过程中的电磁现象的研究等,都有可能获取进展。建立更加完善和更加精确的电波监测系统,获取更加完整的媒质和传播特性数据。总结出更加接近实际的数学模型,利用电子计算机,迅速提供环境数据和电波预测数据更加密切地同地球物理、空间物理、天体物理、大气物理等的研究相结合,发挥电波传播在这些物理研究中的作用。



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1 王满喜

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