[科普中国]-电波传播

基本介绍

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。

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（有时远小于 1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770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。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。

历史情况对电波传播的研究最早可以追溯到1864年。在这一年，英国物理学家J.C.麦克斯韦在向皇家学会提出的题为《电磁场的动力学理论》的论文中全面阐述了他的电磁理论。他提出了位移电流的概念；建立了电磁场的基本方程组──麦克斯韦方程组；预言了电磁波的存在。1887年,德国的H.R.赫兹用实验演示证明,火花放电器激发一个偶极子而发射的波具有和光同样的传播特性。这是最早的电波传播实验研究，证实了麦克斯韦的预言。19世纪90年代，俄国的А.С.波波夫和意大利的G.马可尼都各自进行了多次电波传播试验。1901年，马可尼在3000多公里的距离上接收了越过大西洋的无线电信号。人们当时企图用导电球体的绕射传播来解释这一现象。这一绕射问题的研究，涉及极其复杂的数学问题。在这方面L.瑞利(1903)、J.H.庞加莱(1910)、H.M.麦克唐纳(1914)等人作出了贡献。当时的技术只能在长波上获得足够大的辐射功率，因此，试验主要是在中长波上进行的。理论和实验都表明，波长越长，绕射损耗越小。

电离层的发现是电波传播发展史上的另一个重要里程碑。在短的波长上进行远距离试验表明，接收场强比绕射理论计算的大，而且信号有明显的昼夜变化。必须假设存在电离层，才能满意地解释这些实验事实。其中最有代表性的是G.N.沃森(1919)的工作。1924年以后E.V.阿普顿和M.A.F.巴尼特在英国，G.布赖特和M.A.图夫在美国用实验方法证实了电离层的存在。1931年，S.查普曼提出了电离层的形成理论。1932年，提出了阿普顿－哈特里公式，建立了系统的磁离子理论。从证实电离层存在到第二次世界大战前后，围绕短波电离层传播开展了广泛的研究工作。

第二次世界大战期间，许多雷达发现了超视距目标。起初，人们用对流层折射指数梯度反常而引起的波导传播或超折射效应来解释这一现象。1946年，H.G.布克和W.瓦金肖系统地阐述了对流层波导传播理论。对流层对电波传播的影响开始受到重视。

随着实验资料的不断积累，人们发现除了偶尔出现的由对流层反常传播引起的信号外，还存在一种强度虽然很弱但却经常存在的超视距信号。这一现象无法用绕射传播或超折射效应来解释。1950年，布克和W.E.戈登发表了对流层散射理论，开始了一个研究媒质随机不均匀性对电波传播影响的新时期。在对流层电波散射传播理论的影响下，又发现了电离层散射传播和流星余迹电波散射传播。1958年，戈登提出了自由电子对电波的非相干散射理论，这个理论很快就为实验所证实，遂出现了一个用大功率雷达探测地球大气层的新时期。

70年代以后，电波传播研究的频率向高、低两端延伸。在低端，研究极低频的传播；在高端，开展对10吉赫以上的电波传播研究。大气吸收、降水影响、去极化和目标散射特性等研究蓬勃开展，建立了许多理论模型，反演理论也获得了迅速的发展。

在电波传播研究中，对传播媒质的研究进行了广泛的国际合作。为协调和促进电波传播的发展，国际上成立了专门的研究组织。在国际无线电咨询委员会(CCIR)中设有第5组“非电离媒质中的传播”和第6组“电离媒质中的电波传播”；在国际无线电科学联合会(URSI)中设有F委员会“遥感和波的传播”和G委员会“电离层无线电和传播”等。

中国早在1936年就在上海开始了对电离层的探测。1937～1938年在武昌，1944年在重庆都用自制的仪器对电离层进行了较长时间的观测。重庆站自1945年 8月、武昌站自1946年 8月开始连续进行观测。中华人民共和国成立后，先后又建成了满洲里、长春、乌鲁木齐、北京、兰州、广州、海口等观测站，形成了电离层观测网。从1956年起，中国开展对流层散射传播的研究；1957年5月,建成了第一条对流层散射传播试验电路。在以后的10多年中进行了大量的实验和理论工作。中国还开展了哨声传播研究，并于1983年在低纬度的西沙群岛接收到了哨声信号。目前，专门从事电波传播研究的中国电波传播研究所已经拥有一支理论和测试队伍，开展了传播理论、媒质结构和工程应用等多方面的研究，研究的范围从甚低频一直到几十吉赫。高等院校从50年代起先后设置了电波传播专业，培养了这方面大批专门人才。

研究方法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。

理论研究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。针对一个合理的模型，如果可以得到解析解或数值解，则这种方法对于认识传播机制、概括地了解传播特性是有效的。由于实验工作的局限性，这种理论知识对于指导实验和测试资料的分析处理都是十分必要的。但是，在处理问题时模型都要经过不同程度的理想化,同实际的媒质有一定差别,而且只有很少量的问题能够得出解析解，因此理论研究结果的具体运用就有一定的局限性。在某些情况下，媒质的特性参数与电波的存在与否有关。例如，在电离层中的传播就是如此,理论问题变得更加复杂。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。

实验观测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。当然,由于电波传播实验只能在有限的时间和空间进行,同时也由于实验是在自然条件下进行，影响传播的诸因素不受控制，在处理测试资料时会遇到困难。为了从有限的测试结果中总结出比较普遍适用的规律，理论指导和理论分析是十分必要的。

计算机模拟随着计算机和计算技术的发展，可以用计算机模拟介质特性的变化和传播过程。它可以部分地克服理论方法中媒质模型理想化和方程式求解困难所带来的局限性。同时，也可部分地弥补观测实验方法需要耗费大量人力、物力和时间的不足，是一种很有发展前景的研究方法。

当然，进行电波传播研究时往往不是单一地采用某种方法，各种方法各有短长，常常需要结合运用，互相配合，互相补充。

基本分类电波传播基本上是按研究对象进行分类的。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（见图）。

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。

与其他学科的关系 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彩的电波传播内容。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。例如，研究地波需要了解地壳，特别是大地电特性。研究对流层传播需要知道对流层介电特性及其变化，从而要了解温度、湿度和压力结构及其变化、层结和湍流运动等，还要知道各种空气成分特别是氧和水汽分子及其与电波的相互作用以及云雾降水等。而电离层传播研究则需要知道电离层电子浓度和地磁及其变化，还要知道太阳黑子、磁暴、极光以及核爆炸等的影响。在地空电波传播研究中，磁层和外层空间的物理特性当然也需要了解。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。

电波传播是电子学的一个分支学科，同电子学中其他分支的关系非常密切。首先，电波传播探测需要利用通信、雷达、无线电导航和天线等技术设备，数据处理和测试控制则须利用电子计算机，而电波传播的研究成果也为这些系统设计、运转和参数预报服务。

由于无线电波总带着传播媒质的信息，反映地球、大气层以至外层空间的物理状态及其变化，电波传播现已成为地球物理、气象学、大气物理、空间物理以及天文等方面常用而又极其重要的观测手段之一。电离层和磁层等的地面探测和顶部探测，几乎都是用无线电波。无线电波用于气象和天文，形成了新的学科──无线电气象学和射电天文学。除提供手段外，电波传播在媒质方面的探测数据及分析结果等，也是对相应物理学科的贡献。

电波传播理论与数学的联系特别密切。它既利用场论和数学物理方法和数理统计等方面最新的结果，同时又促进这些方面的发展。

基本形式地波绕射传播。发射天线位于地面上，电磁波沿地表面绕射传播，这种传播方式叫地波绕射传播。由于地表面电介质特性、电波频率的不同使地波在传播过程中收到不同程度的衰减，在近距离情况下可利用舒莱金——范德波尔公式计算地面波场强，但考虑地球曲率影响时则需使用绕射公式计算。ITU-R P.526给出了工程中常用的光滑球形地面电波绕射传播时的传输损耗计算模型，这对粗糙度不大的光滑海面情形也是适用的。

视距传播。电波从发射天线直接传播到接收天线或经过地面反射之后到达接收点的传播方式。也就是说，发射天线和接收天线仅限于在相互“看”得见的视线距离内的传播。陆地移动通信、个人通信以及寻呼通信等都是以这种方式传播。对地面通信而言，这时天线架设的高度比波长大得多。由于地球曲率的影响，电波在收发天线间传播的最远距离可由天线高度决定。

散射传播。无线电波经过对流层或电离层中的不均匀分布介质而散射至接收点，使电波到达视线以外的地方。对流层在地球表面上方约10~18公里处，是非均匀介质，反射指数随着高度的增加而减小。 散射传播适用的波段和视距传播的基本相同但距离远得多（例如电离层散射可达2000公里），所以对地面通信来说它是超视距传播。

波导传播。在分层介质中，层与层之间可能存在着类似于金属波导管内的传播方式，称为波导传播。这种波导是自然条件下存在的波导，或其它不是用来专门传播电波的波导（例如地下的坑道）。近海面蒸发波导中的电波传播就属于这类传播形式。蒸发波导是由于近海面水汽随高度升高迅速下降形成的一种异常大气结构，在一定的海域有较高的出现概率、 且存在时间长。 蒸发波导能将一定频率的电磁波陷获在波导结构内而形成电波的超视距传播2。

基本应用电波传播在无线电系统中的应用非常广泛，几乎所有的无线电系统都要涉及电波传播问题，都要利用电波传播的规律以及有关公式、图表、数据和资料等。早期的电波传播研究就是为了建立和改善无线电通信而开展起来的。随着电子技术的发展，电子系统工程日新月异，提出各种各样的电波传播问题。正是这些实际应用中的问题，成了电波传播研究的出发点和动力，促使电波传播研究向前发展。反过来，电波传播每一新的发现和进展，也都为电子系统工程开辟新的技术途径。电波传播对电子系统工程起着技术基础的作用。

电子系统工作频段需要根据系统技术指标和电波传播特性来选择。以水下潜艇通信为例，为了要使无线电信号穿过海水而不遭受太大的损耗，只能选用在海水中吸收损耗小的超长波或更长的波段。超远程精密导航系统选用长波和超长波，就是因为这样的电波沿地面的传播衰减很小，而且相位和幅度都相当稳定。短波可以有效地经电离层反射达到数千、上万公里的距离，与长波、超长波相比较，传输容量较大，天线方向性也较强，所以，远距离的通信、广播、航海移动通信、还有超视距雷达等，都常用这一波段。然而，大容量、高质量和高可靠度的无线电通信和高分辨率雷达等，却必须使用超短波、微波、毫米波甚至波长更短的波。

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。

电子系统的电路设计在很大程度上是电波传播条件设计。如通信站址选择、天线架设高度和仰角的确定以及如何采取有效的分集接收措施以减轻衰落等，都要根据电波传播规律来进行。另外，系统设备的设计还要适应传播信道的特性。例如，传输容量或传输速率都不能超过传播信道所容许的限度。

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。

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3。

发展动向①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。②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。③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4。