電磁波傳播歷史

電磁波傳播科學(xué)的開拓1864年，J．C麥克斯韋（JamesC．Maxwell）首先提出了電磁場理論，20多年后，H．R赫茲（HeinrichR．Hertz）電磁波實(shí)驗(yàn)成功，啟發(fā)人們積極探索利用電磁波實(shí)現(xiàn)無線通信的途徑。一些著名的科學(xué)家和數(shù)學(xué)索對地波傳播理論進(jìn)行探索，如A．索末菲爾特（A．Sommerfeld）建立了無線電波沿平地面?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)理論，B．范特波爾（B．VanderPol）和W．沃森（W．Wotson）建立了無線電波繞導(dǎo)電球形地面?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)理論。此后，有不少科學(xué)家對繞地球面?zhèn)鞑サ睦碚撟鞒隽酥卮蟮陌l(fā)展。一些發(fā)明家和工程師發(fā)明了電子管，研制了無線電收、發(fā)設(shè)備，進(jìn)行了地波傳播的研究和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地波場強(qiáng)隨距離增大而迅速衰減，而且頓率越高衰減越快，地波通信只能是較近距離的。

20世紀(jì)的第一個(gè)年代．G．馬可尼（GuglielmoMarconi）進(jìn)行了橫跨大西洋的無線電傳播和通信試驗(yàn)并獲得成功。使有的科學(xué)家意識(shí)到，在地球大氣層上空可能有一由游離電子組成的層狀結(jié)構(gòu)使無線電波返回地球。20世紀(jì)20年代，一些科學(xué)家用不同方法觀測到了存在于大氣層上空的游離電子層，并測得了它的分層情況，命名為電離層，開創(chuàng)了電離層物理和電磁波在電離層中的傳播這一學(xué)科領(lǐng)域，并為建立遠(yuǎn)距離短波無線電通信以及廣播提供了科學(xué)依據(jù)。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，交戰(zhàn)雙方都努力從事雷達(dá)和微波技術(shù)的研究和開發(fā)，極大地?cái)U(kuò)展了無線電波頻譜的應(yīng)用，提出了新的傳播問題。如雷達(dá)定位用的無線電波經(jīng)過大氣層要發(fā)生射程的微小彎曲和速度的微小改變，這些影響在遠(yuǎn)距離、高精度的要求下必須加以考慮。除定位外，還要求它具有偵察目標(biāo)特性的功能以及具有抗干擾的能力。為了偵察目標(biāo)特性，往往使用多個(gè)頻率或較寬頻譜（包括具有特殊分布形狀的頻譜）的信號(hào)，或使用掃頻和波束掃描技術(shù)以增加信息量，并可結(jié)合應(yīng)用成象技術(shù)使之具有成象功能，如綜合孔徑雷達(dá)。還可利用雷達(dá)來探測云層乃至月球的表面等。此外，為了探測地下和水下目標(biāo)和偵察隱身飛機(jī)，又發(fā)展了較低頻率的單脈沖雷達(dá)。由于對農(nóng)業(yè)生長、礦產(chǎn)資源分布、海洋面上的污染、災(zāi)害性氣候等一系列環(huán)境和生態(tài)問題的偵察要求，又迅速推進(jìn)了遙感技術(shù)的發(fā)展。新的雷達(dá)技術(shù)和遙感技術(shù)開拓了電磁波傳播一個(gè)新的方向問題，即所謂逆問題或稱反演問題。

微波和超短波技術(shù)的發(fā)展提供了各種方式的通信：

①利用短波電離層傳播進(jìn)行通信，是較簡易實(shí)用的，但由于電離層是色散媒質(zhì)，頻帶較窄，不適合于傳遞電視信號(hào)和快速數(shù)字信號(hào)，太陽發(fā)生耀斑爆發(fā)時(shí)電離層會(huì)出現(xiàn)突然騷擾，使短波通信中斷。繼而會(huì)發(fā)生電離層暴，使電離層層狀結(jié)構(gòu)受到一定破壞，嚴(yán)重影響短波通信。

②由于微波頻率高，對流層基本上是非色散的，電離層對它的影響一般可以忽視，所以頻帶可以很寬，可傳送多路電視信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。微波一般只能在視線距離范圍內(nèi)傳播，為了增長通信距離，可用分段中繼方法。

③對于超短波，除可作視線距離范圍內(nèi)的通信外，可利用對流層內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的折射率隨機(jī)不均勻性進(jìn)行前向散射通信，通信距離一般在200～300km之間，它的頻帶寬度比短波電離層通信的大，雖有衰落，通信是經(jīng)?？煽康?，它的缺點(diǎn)是通信距離可變范圍較小，所用的功率較大。

電離層的發(fā)現(xiàn)，使人們意識(shí)到在電離層底部和地球表面之間形成一個(gè)同心球面波導(dǎo)，長波和超長波信號(hào)可以從一處傳播到另一處。理論和實(shí)踐都證明，衰減較小，除日出和日落時(shí)間外相位相當(dāng)穩(wěn)定，適合用于播送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)和作雙曲線導(dǎo)航，也可從地面用強(qiáng)長波或超長波發(fā)射臺(tái)向升至離海面不很深處的潛艇發(fā)射指令和信息。

隨著空間活動(dòng)的發(fā)展，對電磁波傳播提出了更多的研究課題。問題之一是如何克服地球的阻擋以保持地球站與軌道飛行器尤其是載人飛船或航天飛機(jī)之間的經(jīng)常無線電聯(lián)絡(luò)。唯一的直接途徑是利用電離層對短波無線電波的折射。對于地面上兩點(diǎn)間的傳播距離大于電離層F2層一次跳躍的最大距離（約為4000km）時(shí)，一般認(rèn)為傳播方式將為兩跳或更多次跳，但實(shí)踐證明，遠(yuǎn)距離電路的實(shí)際最高可用頻率（MUF）總是高于按多次跳傳播方式所預(yù)測的MUF值，頻率預(yù)測專業(yè)人員都使用一種稱為控制點(diǎn)法的經(jīng)驗(yàn)方法，辦法是沿發(fā)和收兩點(diǎn)間的連線上，在離兩端2000km處各取一點(diǎn)稱為控制點(diǎn)，根據(jù)在這兩控制點(diǎn)上空電離層的情況，預(yù)測出以這兩控制點(diǎn)為中心的4000km一跳的MUF值，這兩個(gè)值中較低的一個(gè)即為整個(gè)電路的MUF，不管整個(gè)電路長度究竟超過4000km多少。這說明兩點(diǎn)，一是時(shí)整個(gè)電路來講，發(fā)、收兩端控制點(diǎn)上空的電離情況是關(guān)鍵的；二是用控制點(diǎn)法保證了離發(fā)、收兩點(diǎn)的距離不到2000km某處的上空，必有射線正好沿著水平方向傳播。20世紀(jì)50年代初，我國學(xué)者提出了滑行傳播的概念。1961年蘇聯(lián)發(fā)射載人飛船成功，飛船上載有頻率約為20MHz的發(fā)射機(jī)，用于地面站與宇航員之間的無線電聯(lián)絡(luò)，同樣可以用滑行傳播來解釋。先假設(shè)電離層的折射率n只是從地球中心算起的矢徑距離r的函數(shù)，nr的最小值(nr)min形成一個(gè)球面。令a為地球半徑，設(shè)在地面上某一點(diǎn)作為發(fā)射點(diǎn)，在發(fā)射波束中考慮一條與地面成仰角α0的射線，如

射線將被電離層“反射”，如

這里α0取它的臨界值α0m，射線將與(nr)min面相切，并趨向于沿著面(nr)min與射線的投射面相交的圓弧繼續(xù)傳播。但射線不能一直播著整個(gè)圓傳播下去，因?yàn)樯渚€的途徑對仰角α0非常敏感，只要α0稍為減小一點(diǎn)，射線即將彎向地面，減小愈少，滑行的距離愈遠(yuǎn)。相反地，只要α0稍為增大一點(diǎn)，射線即將彎向空間，增大愈少，滑行距離愈遠(yuǎn)。在實(shí)際發(fā)射波束中，α0比臨界仰角α0m稍小和稍大的射線都有，所以，滑行傳播是一個(gè)統(tǒng)一的概念，對于地面上兩點(diǎn)間和對地面上一點(diǎn)與衛(wèi)星或飛船間的遠(yuǎn)距離短波電離層傳播都適用，不同之處只是對于地面上兩點(diǎn)間的傳播，頻率的選擇須受發(fā)、收兩端控制點(diǎn)法要求的限制，而地面上一點(diǎn)與衛(wèi)星式飛船間的傳播，只須受地面上發(fā)射點(diǎn)一端控制點(diǎn)法要求的限制。滑行傳播可以達(dá)到F2層一跳范圍以外所有地面上遠(yuǎn)距離的點(diǎn)，也可以達(dá)到無論在(nr)min高度以下和以上的所有空間。實(shí)際上。n一般不僅是r的函數(shù)，還是球面張角θ和方位角φ的緩變函數(shù)，我們可以近似地將與滑行傳播有關(guān):(nr)min面上的帶分成幾段(nr)min1、(nr)min2……等，每段的(nr)min面可以看作各自相應(yīng)球面上的一段，從發(fā)射總發(fā)射的波束中，必有一個(gè)很窄的波束在第一段內(nèi)(nr)min處進(jìn)行滑行傳播而擴(kuò)散，其中又必有一個(gè)很窄的波束在第二段內(nèi)(nr)min進(jìn)行滑行傳播而進(jìn)一步擴(kuò)散，依次類推。除非發(fā)生電離層暴或突然騷擾等特殊情況，滑行傳播總是成立的。

空間技術(shù)的發(fā)展提供了在地球上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、寬頻帶、多通道、高穩(wěn)定可靠的先進(jìn)通信手段。使用三個(gè)地球同步衛(wèi)星均勻分布在赤道上空，即可覆蓋除兩個(gè)極點(diǎn)周圍很小部分外的所有地球面上的區(qū)域。

當(dāng)電離層短波通信僅限于地面上不同點(diǎn)之間時(shí)，只須了解F2層最大電子密度處以下的電離層部分，一般電離層觀測站所用的探測儀也只能探測這一部分；但聯(lián)系到與空間進(jìn)行無線電聯(lián)絡(luò)時(shí)，往往需要對整個(gè)電離層進(jìn)行探測。除用探空火箭和星載儀器外，探測手段有兩種：一是用與地面垂直探測儀同樣的原理，研制成星載的頂部垂直探測儀，從星上向下對電離層的頂部進(jìn)行探測；二是用大功率超短波雷達(dá)，收測由電子密度隨機(jī)不均勻結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的散射回波，通過理論計(jì)算求得整個(gè)電離層的有關(guān)參數(shù)。

激光大氣傳播

20世紀(jì)60年代初激光器問世，從此能人工產(chǎn)生各種頻率和各種能量的相干光光源，研制出了與微波相對應(yīng)的許多光元器件、激光雷達(dá)和激光通信設(shè)備。因此，激光束尤其是高能量密度的激光束在大氣中和其它媒質(zhì)中的傳播受到重視。如激光束的能量密度足夠大，當(dāng)它經(jīng)過大氣及其它物體時(shí)將產(chǎn)生非線性效應(yīng)以及加熱和膨脹效應(yīng)，乃至產(chǎn)生電離和其它化學(xué)作用。

核戰(zhàn)爭中，一枚原子彈的爆炸可以釋放出能量很大、頻帶很寬的核致電磁脈沖，并使受輻射的電子系統(tǒng)完全喪失功能。所以，對于這類原子彈的襲擊能及早發(fā)現(xiàn)加以摧毀和對核致電磁脈沖的頻譜、各頻段的傳播，對電子元器件和設(shè)備的破壞機(jī)制，尤其對它的防護(hù)是國防方面的重要課題。

電磁波傳播測井是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型測井技術(shù)。它通過在井下發(fā)射電流頻率為1.1GHz的高頻電磁波，然后測量電磁波在周圍介質(zhì)中的傳播速度（或時(shí)間）和衰減率來實(shí)現(xiàn)探測任務(wù)的。由于該測量結(jié)果主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，而水的介電常數(shù)又比石油及其他一些巖#礦石的介電常數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且受礦化度的影響不大，因而是區(qū)分油水層的一種有效手段。

電磁波傳播測井由于采用高頻電磁波，故發(fā)射器與接收器不再是線圈，而是用天線。另外，由于發(fā)射功率的限制，加之高頻電磁波在井孔和地層中的衰減很大，故儀器采用貼井壁方式測量，并將發(fā)射與接收器之間的距離減小，因而探測深度很淺"主要用于探測地層沖洗帶部分。

在很長的一個(gè)階段，電導(dǎo)率（或電阻率）是區(qū)分油水層的唯一電學(xué)參數(shù)。近年來，由于石油工業(yè)中二次開采和三次開采的發(fā)展，低電阻率油層或高電阻率水層并不罕見。用電導(dǎo)率來區(qū)分油水層有時(shí)會(huì)失效。水的介電常數(shù)比起測井中常碰到的其它介質(zhì)的介電常數(shù)起碼大一個(gè)數(shù)量級(jí)（下表），而且不隨含鹽量變化，因此用介電常數(shù)來區(qū)分油水層有時(shí)更有效。

在1.1GHz的微波頻率下，發(fā)射器和接收器就不再是線圈了，而是天線。所謂天線，就是刻在黃銅極板上的槽。共有兩個(gè)發(fā)射天線T1、T2和兩個(gè)接收天線R1、R2，形成T1-R1-R2-T2的排列。T1和T2間的距離是200mm，R1和R2間的距離是40mm，對稱地排在極板上（如圖1所示），測井時(shí)黃銅極板壓在井壁上。