电磁波传播

在第二次世界大战期间，交战双方都努力从事雷达和微波技术的研究和开发，极大地扩展了无线电波频谱的应用，提出了新的传播问题。如雷达定位用的无线电波经过大气层要发生射程的微小弯曲和速度的微小改变，这些影响在远距离、高精度的要求下必须加以考虑。除定位外，还要求它具有侦察目标特性的功能以及具有抗干扰的能力。为了侦察目标特性，往往使用多个频率或较宽频谱（包括具有特殊分布形状的频谱）的信号，或使用扫频和波束扫描技术以增加信息量，并可结合应用成象技术使之具有成象功能，如综合孔径雷达。还可利用雷达来探测云层乃至月球的表面等。此外，为了探测地下和水下目标和侦察隐身飞机，又发展了较低频率的单脉冲雷达。由于对农业生长、矿产资源分布、海洋面上的污染、灾害性气候等一系列环境和生态问题的侦察要求，又迅速推进了遥感技术的发展。新的雷达技术和遥感技术开拓了电磁波传播一个新的方向问题，即所谓逆问题或称反演问题。

电离层的发现，使人们意识到在电离层底部和地球表面之间形成一个同心球面波导，长波和超长波信号可以从一处传播到另一处。理论和实践都证明，衰减较小，除日出和日落时间外相位相当稳定，适合用于播送标准时间信号和作双曲线导航，也可从地面用强长波或超长波发射台向升至离海面不很深处的潜艇发射指令和信息。

微波和超短波技术的发展提供了各种方式的通信：

①利用短波电离层传播进行通信，是较简易实用的，但由于电离层是色散媒质，频带较窄，不适合于传递电视信号和快速数字信号，太阳发生耀斑爆发时电离层会出现突然骚扰，使短波通信中断。继而会发生电离层暴，使电离层层状结构受到一定破坏，严重影响短波通信。

②由于微波频率高，对流层基本上是非色散的，电离层对它的影响一般可以忽视，所以频带可以很宽，可传送多路电视信号和数字信号。微波一般只能在视线距离范围内传播，为了增长通信距离，可用分段中继方法。

③对于超短波，除可作视线距离范围内的通信外，可利用对流层内湍流运动产生的折射率随机不均匀性进行前向散射通信，通信距离一般在200～300km之间，它的频带宽度比短波电离层通信的大，虽有衰落，通信是经常可靠的，它的缺点是通信距离可变范围较小，所用的功率较大。

电磁波传播科学的开拓1864年，J．C麦克斯韦（JamesC．Maxwell）首先提出了电磁场理论，20多年后，H．R赫兹（HeinrichR．Hertz）电磁波实验成功，启发人们积极探索利用电磁波实现无线通信的途径。一些著名的科学家和数学索对地波传播理论进行探索，如A．索末菲尔特（A．Sommerfeld）建立了无线电波沿平地面传播的基础理论，B．范特波尔（B．VanderPol）和W．沃森（W．Wotson）建立了无线电波绕导电球形地面传播的基础理论。此后，有不少科学家对绕地球面传播的理论作出了重大的发展。一些发明家和工程师发明了电子管，研制了无线电收、发设备，进行了地波传播的研究和试验，发现地波场强随距离增大而迅速衰减，而且顿率越高衰减越快，地波通信只能是较近距离的。

20世纪的第一个年代．G．马可尼（GuglielmoMarconi）进行了横跨大西洋的无线电传播和通信试验并获得成功。使有的科学家意识到，在地球大气层上空可能有一由游离电子组成的层状结构使无线电波返回地球。20世纪20年代，一些科学家用不同方法观测到了存在于大气层上空的游离电子层，并测得了它的分层情况，命名为电离层，开创了电离层物理和电磁波在电离层中的传播这一学科领域，并为建立远距离短波无线电通信以及广播提供了科学依据。

随着空间活动的发展，对电磁波传播提出了更多的研究课题。问题之一是如何克服地球的阻挡以保持地球站与轨道飞行器尤其是载人飞船或航天飞机之间的经常无线电联络。唯一的直接途径是利用电离层对短波无线电波的折射。对于地面上两点间的传播距离大于电离层F2层一次跳跃的最大距离（约为4000km）时，一般认为传播方式将为两跳或更多次跳，但实践证明，远距离电路的实际最高可用频率（MUF）总是高于按多次跳传播方式所预测的MUF值，频率预测专业人员都使用一种称为控制点法的经验方法，办法是沿发和收两点间的连线上，在离两端2000km处各取一点称为控制点，根据在这两控制点上空电离层的情况，预测出以这两控制点为中心的4000km一跳的MUF值，这两个值中较低的一个即为整个电路的MUF，不管整个电路长度究竟超过4000km多少。这说明两点，一是时整个电路来讲，发、收两端控制点上空的电离情况是关键的；二是用控制点法保证了离发、收两点的距离不到2000km某处的上空，必有射线正好沿着水平方向传播。20世纪50年代初，我国学者提出了滑行传播的概念。1961年苏联发射载人飞船成功，飞船上载有频率约为20MHz的发射机，用于地面站与宇航员之间的无线电联络，同样可以用滑行传播来解释。先假设电离层的折射率n只是从地球中心算起的矢径距离r的函数，nr的最小值(nr)min形成一个球面。令a为地球半径，设在地面上某一点作为发射点，在发射波束中考虑一条与地面成仰角α0的射线，如

射线将被电离层“反射”，如

这里α0取它的临界值α0m，射线将与(nr)min面相切，并趋向于沿着面(nr)min与射线的投射面相交的圆弧继续传播。但射线不能一直播着整个圆传播下去，因为射线的途径对仰角α0非常敏感，只要α0稍为减小一点，射线即将弯向地面，减小愈少，滑行的距离愈远。相反地，只要α0稍为增大一点，射线即将弯向空间，增大愈少，滑行距离愈远。在实际发射波束中，α0比临界仰角α0m稍小和稍大的射线都有，所以，滑行传播是一个统一的概念，对于地面上两点间和对地面上一点与卫星或飞船间的远距离短波电离层传播都适用，不同之处只是对于地面上两点间的传播，频率的选择须受发、收两端控制点法要求的限制，而地面上一点与卫星式飞船间的传播，只须受地面上发射点一端控制点法要求的限制。滑行传播可以达到F2层一跳范围以外所有地面上远距离的点，也可以达到无论在(nr)min高度以下和以上的所有空间。实际上。n一般不仅是r的函数，还是球面张角θ和方位角φ的缓变函数，我们可以近似地将与滑行传播有关:(nr)min面上的带分成几段(nr)min1、(nr)min2……等，每段的(nr)min面可以看作各自相应球面上的一段，从发射总发射的波束中，必有一个很窄的波束在第一段内(nr)min处进行滑行传播而扩散，其中又必有一个很窄的波束在第二段内(nr)min进行滑行传播而进一步扩散，依次类推。除非发生电离层暴或突然骚扰等特殊情况，滑行传播总是成立的。

当电离层短波通信仅限于地面上不同点之间时，只须了解F2层最大电子密度处以下的电离层部分，一般电离层观测站所用的探测仪也只能探测这一部分；但联系到与空间进行无线电联络时，往往需要对整个电离层进行探测。除用探空火箭和星载仪器外，探测手段有两种：一是用与地面垂直探测仪同样的原理，研制成星载的顶部垂直探测仪，从星上向下对电离层的顶部进行探测；二是用大功率超短波雷达，收测由电子密度随机不均匀结构所产生的散射回波，通过理论计算求得整个电离层的有关参数。

激光大气传播

20世纪60年代初激光器问世，从此能人工产生各种频率和各种能量的相干光光源，研制出了与微波相对应的许多光元器件、激光雷达和激光通信设备。因此，激光束尤其是高能量密度的激光束在大气中和其它媒质中的传播受到重视。如激光束的能量密度足够大，当它经过大气及其它物体时将产生非线性效应以及加热和膨胀效应，乃至产生电离和其它化学作用。

空间技术的发展提供了在地球上实现远距离、宽频带、多通道、高稳定可靠的先进通信手段。使用三个地球同步卫星均匀分布在赤道上空，即可覆盖除两个极点周围很小部分外的所有地球面上的区域。

核战争中，一枚原子弹的爆炸可以释放出能量很大、频带很宽的核致电磁脉冲，并使受辐射的电子系统完全丧失功能。所以，对于这类原子弹的袭击能及早发现加以摧毁和对核致电磁脉冲的频谱、各频段的传播，对电子元器件和设备的破坏机制，尤其对它的防护是国防方面的重要课题。

电磁波传播测井是20世纪80年代初发展起来的一种新型测井技术。它通过在井下发射电流频率为1.1GHz的高频电磁波，然后测量电磁波在周围介质中的传播速度（或时间）和衰减率来实现探测任务的。由于该测量结果主要取决于介质的介电常数，而水的介电常数又比石油及其他一些岩#矿石的介电常数高出一个数量级，且受矿化度的影响不大，因而是区分油水层的一种有效手段。

电磁波传播测井由于采用高频电磁波，故发射器与接收器不再是线圈，而是用天线。另外，由于发射功率的限制，加之高频电磁波在井孔和地层中的衰减很大，故仪器采用贴井壁方式测量，并将发射与接收器之间的距离减小，因而探测深度很浅"主要用于探测地层冲洗带部分。

在很长的一个阶段，电导率（或电阻率）是区分油水层的唯一电学参数。近年来，由于石油工业中二次开采和三次开采的发展，低电阻率油层或高电阻率水层并不罕见。用电导率来区分油水层有时会失效。水的介电常数比起测井中常碰到的其它介质的介电常数起码大一个数量级（下表），而且不随含盐量变化，因此用介电常数来区分油水层有时更有效。

在1.1GHz的微波频率下，发射器和接收器就不再是线圈了，而是天线。所谓天线，就是刻在黄铜极板上的槽。共有两个发射天线T1、T2和两个接收天线R1、R2，形成T1-R1-R2-T2的排列。T1和T2间的距离是200mm，R1和R2间的距离是40mm，对称地排在极板上（如图1所示），测井时黄铜极板压在井壁上。