中国电波研究简史知识讲解.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。中国电波研究简史-简要回顾了我国电波传播研究从1936年到2007年，约70年的发展概况。全文分为我国学者早期的一些出色研究贡献、电离层结构探测、对流层结构探测、电离层传播特性研究、对流层传播特性研究、长波和超长波传播研究、地面地下和水面水下传播特性研究、特殊媒质中的传播研究、计算电磁学在电波传播中的应用等部分。1引言我国最早的电波传播试验是1936年，梁百先教授等在上海进行的，观测日食对电离层的影响。1937年，桂质庭教授开始在武汉大学开展电离层常规观测。1944年，重庆站开始了日常的电离层垂直探测。

2、从1936年算起，至今正好70年。电波传播研究在我国大规模地开展，是在1949年新中国成立后。更严格地说，是在1956年，中央提出向科学进军的号召之后。这一年，制订了十二年科学技术发展规划。电波传播研究列入了国家的科研规划，在吕保维先生领导下，正式成立了电波传播研究室。武汉大学，西北电信工程学院，成都电信工程学院等高等学府，正式地培养电磁波和电波传播专业人才，成立了相应的电波传播研究机构，从此电波传播研究才在我国大规模地开展。在这70年的历史长河中，1962年中国电子学会电波传播分会的成立，1965年中国电波传播研究所的建立，1986年电波科学学报的正式发行，都有力地推动和促进了我国电波传播事

3、业的发展。电波传播研究的发展，和整个科学技术的发展密切不可分。大致可以划分为，20-30年代以远距离通信为目标的，研究短波电离层传播时代；40-50年代超短波、微波技术兴起，电波传播进入了对流层传播研究期，研究各种类型的散射传播现象，以达到微波超视距传播的目的；50年代后期，人造卫星上天，卫星通信出现，电波传播研究围绕地空电路传播，开展了用卫星信标研究整个大气层的时代；70-80年代以来，计算机技术飞速发展，特别是微型机的出现，带动了计算电磁学的发展，从而给电波传播提供了一种极其有力的研究方法和工具。传统的电波传播研究只有试验和理论分析两种方法。由于媒质特性和边界条件的多变性，电波传播难以进行

4、模拟试验，试验都要在现场进行。所以电波传播试验规模大，花钱多，开展非常费力。也由于同样的原因，从马科斯韦方程出发的经典理论研究分析也非常困难，所能解决的问题极其有限。所以通过试验，收集数据，统计分析，得出经验性模式，成为电波传播研究的主要途径。用计算技术计算、模拟已经成为电波传播研究的第三途径。数值计算方法可以解决各种类型的复杂问题。可以模拟电波传播问题，不必进行现场测试；通过信号的接收，可以反演传播媒质和目标的特性；通过信号处理，可以从接收信号中提取更多的信息。总之，计算电磁学的出现，极大地改变了电波传播研究的面貌。我国的电波传播研究，也是沿著这条轨道发展下来的。经过几代人的努力，在70年中

5、，研究领域不断扩大，参加人员日益增多，几乎覆盖了国际上已经开展的所有领域。多数项目是跟踪国外，和国际水平有一定差距。但也有少数项目是和国外同步开展，独立地做出了成果的。个别项目，甚至领先于国外。电波传播研究所涉及的范围很广，有专门研究电波传播的机构和人员，还有许多无线电系统设计和应用部门的，从系统需要出发而研究电波传播的人士。电波传播研究与系统的开发和运用密切相关，吸引了整个信息电子界的关注和参与。70年来，电波传播研究成果众多，是一棵参天大树。由于本人水平和接触面的限制，在此不可能一一列举和反映。挂一漏万，遗漏之处，敬请谅解。2前辈们的一些优秀成果70年来，老一辈的电磁波传播研究者，在条件远

6、不如今天的艰苦情况下，凭藉对祖国忠诚，对科学热爱的赤子之心，在电波传播研究方面，做出了一些非常出色的成果。下面选出几项，以飨读者。2.1赤道异常现象的发现。早在40年代，武汉大学梁百先教授就发现了磁赤道两侧电子浓度异常的现象。他写成论文，投寄给英国自然（Nature）杂志，于1947年发表。而国际上都把发现这个异常的桂冠加给英国的Appleton。从而称为Appleton异常。Appleton的论文1946年也发表在这份杂志上，比梁先生早一年。而两位先生文章中的曲线，却都是1944年各自的观测资料。Appleton的是3月份，而梁先生的曲线则是9月。两者相差不过6个月。由于种种原因，梁先生的论

7、文晚发表了一年。而观测和分析都是各自独立分别进行的。公平地说，应该是Appleton先生和梁先生共同发现了这一赤道两侧的驼峰异常现象。2.2近地天线和埋地天线的理论分析。50年代，通信战士们在朝鲜战场上，多次使用坑道中天线进行通信，获得了大量的第一手资料。陈敬熊、李桂生两位先生分析了这些实验资料，对埋地天线和近地面天线，进行了理论上的探讨，并且进行了实测验证。阐明了天线辐射特性以及传播机理。文章发表在中国人民解放军电子科学研究院内部刊物电子学研究1957年第二期上。直到1963年3月，IEEETrans.onAP杂志上才专辑发表美国的这方面的研究成果。可以说，关于埋地天线和坑道通信传播的研究，

8、我们领先于美国。至少也应该说是各自独立进行研究的。2.3对流层前向散射传播理论。国际上这方面的研究和试验开始于40年代后期。美国Book,H.G.和Gordon,W.E.发表于1950年PIRE杂志上的文章，首次阐明了对流层散射传播的传播机制。认为这种传播是由对流层的折射指数不均匀性引起的。Book先生是国际电波传播大师，40年代，他首次发表了大气波导传播理论。但是，他在推导散射截面的表达式时，用指数函数来描述对流层折射指数不均匀性随高度的变化，带有很大的任意性，文章的数学推导也不够严谨。吕保维先生在1957年，采用了Kolmogorov-Obuhov的湍流统计理论所得出的，折射指数起伏的结构

9、函数服从2/3次方定理。用（）表示折射指数相对起伏的相关函数，推导出散射截面的表达式=A这是一个从Maxwell方程出发的，不均匀介质散射的统一理论。推出的散射截面表达式是一个通式，既可用于对流层散射，也可以用于电离层散射。只要根据不同的媒质，代入不同的（）即可。吕先生的文章，发表在多份刊物上，这一散射截面通式也为以后的研究者经常采用。其数学推导的严格性，受到国际上的推崇。2.4短波电离层传播的滑行波理论。一般认为，电波在电离层和地面之间的传播，是在在电离层和地面之间一跳或者多跳，以达到远距离的传播。当频率高于一定值就将穿出电离层。吕先生首先从实际经验考虑，一般预测远距离短波通信的最高可用频率

10、，都采用所谓控制点方法，所预测出的频率都高于用多跳模式所预测的频率。由此吕先生就认为在电离层传播中存在滑行波模式。以后他又从理论推导，证实了这种传播模式，并推导出了这种传播模式和电离层临界频率之间的关系式。滑行波传播可以用来解决地面与卫星之间的可靠短波通信。电离层短波滑行波传播理论，是吕保维先生在电波传播理论上做出的突出贡献。2.5低纬哨声传播理论。梁百先先生在哨声传播理论方面，也做出了令人敬佩的成果。他们从理论上阐明了哨声信号低纬传播的机制。认为低纬哨声可能存在非导管模和导管模混合传播方式。林为干先生、龙咸灵先生、王一平先生等都是我国电磁理论和电波传播界知名学者，都在科研和教学方面做出了重要

11、贡献。由于篇幅所限，难以一一在此加以评价，遗漏之处，敬请谅解。3电离层结构的测量与研究70年来，我国电波传播界开展了规模巨大，数目众多的测量。这里只能列举其中一些主要项目。3.1电离层探测网的建立。1944年在重庆开始了日常的垂直投射观测，以后逐步发展，50年代后期，我国的垂测网基本形成。1965年中国电波传播研究所（电波所）成立，继续改进我国的电离层观测网。在东经120度附近，形成了一条每隔纬度5度左右一个站的观测链。北起满洲里、长春、北京、青岛、新乡、武汉，直到南端的广州、海南岛。考虑经度效应，西部则有兰州、乌鲁木齐、重庆、拉萨等站，以监测经度的影响。科学地覆盖了我国整个大陆地区。以后又向

12、海外发展，在南极地区建立了中山站和长城站；北极地区也新设了观测站。从设站的数量，布站的合理性，以及资料积累时间长来看，我国的电离层垂直投射观测网，可以称得上是世界一流的。所积累的丰富资料，不仅可以用于当前各种电子系统，还可以为今后深入研究地球环境和日地关系之用。3.2利用地面大功率雷达探测电离层。80年代初，电波所利用大功率雷达对电离层的电子密度剖面进行了测量。同时还测量了电子和离子温度。垂直投射观测只能观测到电离层最大电子浓度以下部分，而非相干散射雷达则可以探测到整个电离层。所以雷达观测是一种重要的手段。最近，电波所和欧洲非相干散射雷达观测网组织建立了合作关系，可以共享他们的观测资料。3.3

13、利用卫星信号观测电离层。50年代，科学院周炜等曾经利用火箭携带探针直接探测电离层，获得了可贵的结果。但造价昂贵，只能少量为之。80年代以后，开始利用卫星信标来探测电离层。电波所和武汉大学（武大）先后利用ETS-II卫星和NNSS卫星信标来探测电离层。近年来则是利用GPS卫星信号（1.22760GHz，1.57542GHz）。测量两个频率之间的群时延差和相位差，可以得出电子总含量（TEC）。在电波所的垂测网中，有5个站配备了TEC观测设备。形成了一个TEC观测网，积累了10年以上的数据。武大还利用GPS卫星信号，观测了日食对电离层TEC的影响。武大徐继生等，利用NNSS卫星信标，沿东经120度，

14、设立6个接收站，同步测量卫星双频信标差分Doppler相位，用无线电CT技术，反演出水平距离延伸数千公里的电离层电子浓度随高度和纬度变化的二维图像。电波所吴健等，利用Mexico草帽小波对信号进行处理后，实现了用CT技术反演电离层。3.4电离层斜向探测观测网。电波所利用大功率的HF发射设备，庞大的收发天线系统，组成了斜向投射观测网和返回散射观测系统。斜向投射探测网由新乡、乌鲁木齐、北京、满洲里、青岛、重庆、广州等站组成。3.5哨声观测。武大徐继生、梁百先、保宗悌等，在低纬地区设站（武昌，赤纬19.30；桂林，赤纬14.10；湛江，赤纬10.10），观测了低纬哨声的特性，分析了电离层导管和磁层导

15、管性质的差别。研究了电离层导管对哨声模波的捕获和引导。认为，低纬哨声可能存在非导管模和导管模混合传播方式。他们还认为，电离层爆期间哨声活动和信号扩散的增加，是由于赤道电离层中沿场导管（field-alignedducts）的形成有关。3.6用Riometer研究高纬度电离层。刘瑞源等，于1998年用Riometer在南极中山站，观测了电离层的吸收。区分了两种由太阳爆发而引起的吸收。一种是由爆发喷射出的紫外辐射和软X射线引起的所谓突然宇宙吸收（SuddenCosmicAbsorption）。另外一种是太阳爆发后约1小时的极冠吸收（PCA）。3.7电离层闪烁（Scintillation）的研究。电

16、离层闪烁对卫星信号产生影响。电波所利用卫星信号，在海口、广州、昆明、重庆、上海等地设观测站，组成VHF和UHF波段电离层闪烁监测网。得出了我国的电离层闪烁预报模型。利用多站的观测资料，研究了电离层不均匀体的特性。FanandLiu等曾对香港地区1978-1980年期间的4GHz信号幅度闪烁进行了分析。朱太平等1990年8-10月在广州对4GHz信号幅度闪烁进行了观测，并分析了其与海口站的VHF闪烁和扩展F的关系。龙其利等曾对海口地区/1989年12月至1990年12月期间的VHF波段.(136MHz)信号幅度闪烁进行了观测和分析。甄卫民、陈丽等对L波段和UHF波段在中低纬地区的闪烁，及其对通信

17、的影响进行了分析。尚社平等，对赤道地区L波段的电离层闪烁形态进行了分析。3.8低纬电离层漂移特性的研究。低纬地区电离层由于其特殊的地理位置，磁力线接近水平、科里奥利力小以及“喷泉效应”所形成的“赤道异常”等，使得低纬度电离层的变化非常复杂，具有很多其它纬度观测不到的物理特征，一直是电离层研究中的热点之一。2002年初，海南电离层观测站装配了一台DPS-4电离层数字测高仪。该仪器可以探测电离层等离子体漂移。肖佐等为了研究中国低纬地区的电离层动力学特征，对2002年3月至2004年3月期间海南地区的电离层等离子体漂移观测资料进行了分析。结果表明:磁宁静时海南地区的电离层漂移日间垂直方向变化较为规则

18、，季节变化不d大，漂移速度通常向上，大小为020m/s，随季节变化；晚间垂直方向漂移变化较为复杂，漂移速度以向下为主，随月份和季节变化较大;水平方向漂移速度通常在50100m/s左右，在日出日落时可达150200m/s，甚至高达300m/s，且在南北方向和东西方向的漂移速度表现不同。3.9电离层TID的研究。北京天文台，利用射电天文方法，测量电离层行波扰动漂移速度。4对流层折射指数的观测4.1微波折射率仪直接测量折射指数。电波所研制了三代微波折射率仪，最后仪器的稳定度达到0.06N单位/Co，噪声电平小于0.1N单位。折射率仪的时间常数较小，可以测量出对流层折射指数的细微变化。所以它适合于重点

19、地区的折射指数的精细测量。4.2系留气球探测。对流层的折射指数可以方便地从温度、湿度和压力算出，所以最方便的是利用气象部门的已有资料，换算出折射指数。但是气象部门的探测气球上升过快，采样的数据较少，有时为了更精细地测出对流层的折射指数剖面，电波所利用了系留气球来探测，人工控制气球上升速度。获得重要区域的精细剖面，用于高精度的折射误差校正。4.3全国对流层折射指数的统计分析。电波所谢益溪、张武良、仇盛柏等，从60年代开始，就利用全国570多个气象站，120多个探空站的资料，统计分析了全国折射指数分布。绘制了全国折射指数等值图。并得出折射率随高分布的平均模型为指数型。其梯度的概率分布基本符合幂指数

20、型。梯度位于0-0.0785N单位/米之间的占86%以上。刘玉梅、赵振维等人，收集并分析我国气象站点以及我国邻近地区600多个气象站点，1981-2000年的气象数据，生成了我国的，与ITU-R相对应的电波环境数字地图，包括水气密度、水气积分含水量、等效海平面折射率、折射指数湿项、近地1KM折射指数梯度、O0层高度、0.01%概率的降雨率等项内容。比ITU-R推广的地图，更为符合我国的情况。4.4低层大气中氧气吸收的研究。胡大章根据我国104个气象站探空资料，研究了低层大气吸收率随频率、地区、海拔高度、时间的变化特性。4.5无线电掩星法（Radiooccultation）探测大气层。张训械等利

21、用无线电掩星法，在五台山接收GPS信号，用3-D全球射线追踪技术，反演出大气层的折射指数的高度分布。5对流层传播特性的测量与研究5.1对流层散射传播多维观测和损耗计算公式。从1957年开始，电波所开展了长达数年之久的多维对流层散射传播测试。同时用多个频率（3000、200、100、70MHz），在同一大圆线路上的多个距离（110、230、320公里），在各个不同的地形和气候条件下，进行24小时，长达两年以上的连续观测。电路设在高山（4200米高）、沿海、华北等地，开设几十条电路进行测试。最远的距离达到892公里。无论从测试的科学性和测试的规模，还是从数据连续性和海量性来看，都是举世无双的。19

22、62年，电波所在丰富实测数据的基础上，开发出对流层散射传播信道特性模型化方法，得出了我国第一个对流层散射传播损耗中值计算公式。70年代，经过改进的预报公式，正式提供给CCIR（ITU的前身），开始与美国的计算公式平列，推荐给全世界使用。90年代，张明高对我国的公式再度改进，对比了更多的资料，提高了计算精度。被CCIR接受成为唯一向世界推广使用的计算公式。5.2流星余迹散射传播观测。早在1958年，电波所就在在北京上海间1000多公里的电路上，测量了流星余迹散射传播的信号特性。60年代，西电，在北京西安电路，对流星余迹散射的传播特性和通信效果，进行了长期的测量。认为流星散射信号可以分为三种类型。

23、第一类是由欠密余迹引起的前沿迅速上升，达峰值后呈指数下降；第二类信号是由过密余迹镜面反射引起的，开始迅速上升，随后有一缓慢上升阶段，下降时常伴有衰落起伏；第三类信号是由过密余迹非镜面反射所引起的，上升缓慢，常伴有衰落起伏。同时还发现，在这类电路上，Es层的反射信号经常出现。近来，电波所胡大璋综合介绍了流星突发通信的现状和发展情况。5.3大气波导传播特性的研究。微波和超短波波导传播，产生出异常强的信号，在40年代末期就已经发现，引起了人们的注意。由于此类信号不是连续出现，无法用于普通的通信和雷达，所以将它视为“反常”信号。但反常信号出现时，传播距离极大地延长，一方面对雷达和通信产生干扰。另方面，

24、也可以利用这种异常的远距离传播，侦查敌方的军情，所以也得到了有关部门的注意。早在60年代，电波所就对上海-青岛间电路上出现的米波和厘米波超强信号进行了研究。发现这种信号是大气波导传播所引起的。研究过用天气形势图来预报波导传播的出现，获得了一些积极的结果。刘成国、江长荫等人，将我国波导气候区分为以香港、台湾、上海、哈密为代表的四个高概率频繁区。潘中伟等，利用全国气象探空资料，对我国产生低空大气波导特征进行了统计分析，得出了我国各地区出现大气波导的情况。仇盛柏等研究了蒸发波导的结构特征，研究表明：产生波导传播除要有波导结构外，电波的入射角必须小于某一临界角，频率要大于某一临界频率。波导传播的信号可

25、以增强62分贝之多。电波所蔺发军等，利用19821999年的海洋观测资料，运用相似理论对东经100-140度，北纬040度海域的蒸发波导出现概率、高度和强度进行了统计分析，并利用1986-1999年的船舶探空资料，对上述海域及全球海上低空大气波导进行了统计分析，结果表明，海上蒸发波导出现概率高达85%以上，高度一般在15m左右，而海上低空大气波导出现概率一般不低于15%，有时可达40，厚度一般在60150米。其中，利用船舶探空资料分析海上低空大气波导在国内还属首次。赵小龙等计算了蒸发波导中的传播特性，得出了波导中电磁场的空间分布。最近，电波所张玉生又利用天气形势来预报波导。发现大气波导结构的发

26、生，与天气形势的过渡和变化有关系。5.4地空电路传播特性的研究。5.4.1雨衰减预报。电波所仇盛柏等研究了ITU雨衰减预报模式的预测精度，并给出了将10min雨资料转换为1min资料的方法。林乐科等针对TIU-R提出的雨衰减预报模式，提出了中国的改进模式。对比了ITU模式、英国提出的改进模式以及中国模式的预报精度，认为中国模式更为精确一些。赵振维也研究，ITU推荐的雨衰减预报公式。认为其中包含了Laws-Parsons雨滴尺寸分布，以及国际上通用的Marshall-Palmer分布，这些模式都低估了小雨滴的含量，所以只适用于40GHz以下的频率。对于40GHz以上的频率，小雨滴的贡献显著。赵振

27、维提出了自己的雨滴分布模型，较好地和实验结果符合。电波所林乐科等人，对地空路径水凝物交叉极化特性进行了研究。基于ITU-R与OPEX数据库的地空雨致交叉极化数据，以及赵振维提出的二阶小变量近似的预报模式，给出了一种改进的雨致交叉极化预报模式。与其它模式比较表明，这一模式的预测精度有明显提高。赵振维等人基于ITU-R的视距链路雨衰减数据库中的数据，提出了一种新的视距链路雨衰减预报模式，与其他几种预报模式进行比较，新模式与实验数据符合得更好。西电黄际英等对K波段低空电路雨衰减预报的频率比例因子进行了研究，在分析我国58个典型站点资料后，得出新的频率比例因子。对比结果表明，此因子优于ITU推荐的比例

28、因子。西电也进行了90-94GHz的雨衰减测试。测量雨滴大小分布，计算对微波的吸收。5.4.2Ku波段雨衰减测量和研究。胡大璋等利用卫星信号（13.75-14.5GHz），在地面接收，测量了Ku波段信号衰减和降雨的关系。得出了青岛地区的计算模型，和ITU-R推荐的模型进行了对比，青岛模型的误差较小。胡大璋等还研究了Ku波段的信号闪烁特性，表明较强的闪烁都和降雨联系在一起。Tian-pengMao等人，研究了云、雾对毫米波的吸收，提出了计算公式。电波所赵振维研究了海雾对8毫米波的衰减和闪烁。5.4.3地-空电路交叉极化的研究。董庆生、赵振维等研究了地空路径水凝物交叉极化的预报模型，改进了ITU-

29、R提出的预报模型。5.4.4定位、测速系统传播误差修正。从60年代中期开始，电波所就大力开展高精度测速定位系统的折射误差修正的研究。一方面利用气象部门的资料，统计出我国的对流层折射率模型。提供出折射误差，包括测距误差、测角误差以及测速误差的修正模型。江长荫等人，在我国研究成果的基础之上，编写了雷达电波传播折射与衰减手册，全面总结了国内外的研究成果，成为使用部门的技术标准。内容包括了HF天波传播、HF地波传播、VHF-EHF在低层大气以及穿过低层大气的传播、VHF-EHF在陆地和海面以及穿过植被和建筑物的传播，以及相关的环境数据。内容全面，条目清晰，是一本很好的参考书籍。张瑜提出考虑水平变化和时间变化的所谓四维大气折射指数模型，可以提高修正精度，特别在低仰角时。吴希德等人，分析比较了不同仰角的折射指数水平不均匀引起的折射修正误差。韩文焌等，提出了利用地面折射指数No和总折射指数Nt的预报新公式。5.4.5改进ITU-R3M/56预报模式。张明高等改进了文稿中关于海面反射引起的衰落深度的预报方法。原来的预报方法只适用于1-2GHz，而改进后的方法则至少可以使用于0.8-8GHz。张明高等还改进了卫星陆地移动通信树木遮挡损耗的预报模型。-