-通信中的电波传播效应 专题讲座 中国电波传播研究所 焦培南 2013年10月 报告人焦培南 教授级高工，博士生导师，国家有突出贡献专家现任:中国电波传播研究所科技委主任 中国电子学会电波传播分会常务副主任电波科学学报常务副主编 历任:副总工程师、副所长、总工程师 手机: 13869863669 Email：pnjiao126.com; 内容提要 一.概述 二.电波传播方式、电波波段及其传播特性 三.电波环境的划分 四.电波环境效应 五.电波传播效应 六.干扰与噪声环境 七.电磁态势分析 电波所简介 中国电子科技集团公司第二十二研究所(中国电波传播研究所)是1963年国防科委调集全国(国防部、中科院、邮电部)电波传播研究的主要技术力量, 专门组建的电波传播研究所，是国内唯一从事电波传播研究的国家级专业研究所, 也是国际上规模较大的国家级电波传播研究机构之一。 1963年建于新乡，已有50年历史； 所本部在新乡，有青岛分所、北京研究中心、洪门研究中心及全国各地的17个和极区、境外的9个电波观测站； 22所简介 22所是以研究电磁波在各种媒质中的传播特性及其应用为主的综合性研究所。 研究领域从地下到高层空间。 研究频段从超长波到毫米波。 研究成果为系统设计、生产、试验、运行提供必不可少的数据并形成产品和装备, 提出新概念装备。 研究成果还直接应用于雷达、通信、广播电视、导航、测控、遥感、航天、无线电干扰协调、石油测井等领域。 22所简介 是我国独一无二拥有国家电波环境数据资源的单位拥有国内唯一的北京电离层骚扰监测预报中心拥有国内最大的电波环境数据库 是国际无线电咨询委员会(ITU-R) 第三研究组国内对口组长单位 是出任国际无线电科学联盟(URSI)F委员会和G委员会的中国代表单位 代表国家向俄罗斯、澳大利亚、日本等国进行电离层资料交换 是中国电波传播预测和电离层骚扰预报业务的国家发布机构 22所简介 是国际无线电科联及世界日服务(IUWDS)的一个区域中心并参加国际快速电离层数据交换 是经国务院学位委员会批准的首批有硕士学位授予权的单位之一;建有博士后科研工作站 是欧洲非相干散射联合会成员 是中国电子学会电波传播分会的挂靠单位 主办中国电子学会学术刊物电波科学学报（中文核心刊物）、主办学术刊物全球定位系统 近年来该所与美国、俄罗斯、法国、澳大利亚、日本、奥地利、英国、芬兰、意大利等十几个国家进行学术交流,建立了良好的合作关系。 一. 概述 1.电波环境 电波环境是指人类活动中使用无线电波传输信息的空、地域，它包括了从地（海）下-地（海）面-低层大气（离地面20多公里以下空间）-中层大气（20-60公里）-电离层（60-1000公里）-深空间（1000公里以上-宇宙空间），也就是说包括了整个人类赖以生存的环境。 而人类使用的无线电波频率从几赫兹到数百吉赫兹并包括了光波。在这巨大的人类活动环境，不同的高度空间对不同频率无线电波有着不同的影响，甚至制约着人类的活动。 一. 概 述 对通信而言，最感兴趣的电波传播环境主要是离地面几千km高度（或者高至同步卫星轨道）以下的近地空间。但是研究和了解近地空间特性必须涉及日地空间环境的整体联系。日地空间是受太阳支配的，它包括了从太阳至地球的广大空域。 日地系统示意图 一. 概述 .日地空间 日地空间各层次，包括太阳，太阳大气和行星际空间，地球磁层，热层与电离层，低层中性大气（平流层及对流层）以及地球表面和内部，构成了相互联系的整体，常称为日地系统。 一. 概述 .日地关系 日地关系的本质就是反映日地空间能量及扰动对人类活动的影响，具体表现为“空间天气和气候”的变化。有人形象地说，“太阳打喷嚏，地球会感冒”。 一. 概述 4.电波环境信息 电波环境的信息主要是空间天气和气候的信息与空间电磁环境信息。 电波环境信息的获取是首先采用无线电波探测和遥感的方法，来获得无线电波与环境相互作用的数据，然后再将无线电波与环境相互作用的数据反演为环境的状态及时空变化。 一. 概述 5.电波环境信息技术 电波环境信息技术是研究电波环境的一门科学，是信息科学的重要组成部分，是空间天气科学的一个重要科学分支和前沿领域。 它是通过研究日地关系，空间大气环境及其信息传输过程和物理机制，揭示电波环境的形态及其时间、空间分布，不同频段电磁波在其中传播的规律以及对各种无线电系统的影响，进而对各种影响进行评估和修正。 一. 概述 6.电波环境与武器系统的关系 因为环境不是武器系统的一个具体部件而长期被人们忽视。对环境信息的掌握可使武器系统处于领先地位的重要性，直到上个世纪八十年代才逐步被人门认识。一切无线电电子装备和系统都是在一定环境下运作的。电波环境是环境重要组成部份。电波环境对武器系统的关系是一种互相依存关系，特别是对电子和无线电武器系统性能有抑制作用，也有相辅作用。电波环境虽然不是一种具体的装备或系统的一个具体部件，但它在系统设计和运作中起着重要作用。 高新无线电电子装备系统灵敏度越高，精度越高，但受自然环境条件影响就越大，对电波环境信息要求也就越高，对电波环境信息依赖性就越大。 一. 概述 6.电波环境与武器系统的关系 无线电电子装备系统的设计需要 无线电电子装备系统的设计、研制、生产、试验和作战都要了解电波环境状态和数据。 平流层平台雷达是一个新的无线电电子装备系统，它的设计、研制、生产、试验和作战都要了解平流层和对流层环境状态和数据，如平流层的风力场、压力场和对流层的衰减等。 一. 概述 6.电波环境与武器系统的关系 无线电电子装备性能的倍增器 对电波环境状态和数据的深入研究和掌握，使无线电电子装备系统与环境相匹配，环境成为无线电电子装备系统性能的倍增器。 一般条件下，微波只能对视野范围的目标进行通信，不可能对地球曲率以下目标进行通信的。但如果掌握低层大气环境的大气波导出现数据和波导状态对地球曲率以下目标进行通信就成为可能。 短波通信：选择不好工作频率，最大的发射功率无法实现通信。如通信系统工作参数与其工作环境相匹配，使通信系统性能最佳。 一. 概述 6.电波环境与武器系统的关系 无线电电子装备系统领先的重要条件 电波环境精细结构状态的深入研究和掌握是使电子和无线电武器系统处于领先地位的重要条件。高新无线电电子装备系统灵敏度越高，精度越高，但受自然环境条件影响就越大，对电波环境信息要求也就越高。提高现有装备系统的能力和性能或优化新系统设计，必须清楚掌握和了解电波环境因素的限制和可能影响。 有朝一日研究成功的“人工控制电波环境”，环境就成为武器装备的一部分或环境也就是一种武器装备。在战争中，人工控制环境让敌方的雷达电波或干扰电波偏离我方目标，或者伸延我方的雷达电波的作用距离，从而抑制敌人，保护自己，这就是“环境隐身”或者“环境武器”的概念。如“人工电离层变态”就是一种“地球物理武器”。 一. 概述 7.电波环境信息技术的应用与发展 近年在“信息系统武器化”推动下，电波环境信息技术将在三个方面发展和完善: 1）系统级电波环境基础信息服务系统以电波环境基础信息为基础，为系统设计、研制、生产、试验和作战提供全覆盖、无缝连结的电波环境基础信息服务系统。 2）嵌入式电波环境实时诊断与修正系统电波环境信息技术作为一个硬件分系统为系统提供嵌入式电波环境实时诊断与修正系统。它直接嵌入武器系统并作为其中一个分系统。 3）人工电波环境技术系统电波环境技术作为一个武器系统为军事系统提供一种人工的电波环境，伸延我方系统作用距离，增强我方系统的对抗与反对抗的能力，缩减敌方系统作用距离，压制和抵消敌方系统的电子对抗能力，逐步实现人工电波环境系统武器化，发展空间环境武器或地球物理武器。 一. 概述 3.人工电波环境技术系统 人工电波环境技术是指采用人工控制手段，局部改变地球大气层、电离层、磁层、地表面和地下的物理参数，为军事系统提供一种人工的电波环境，以伸延我方武器系统作用距离，增强我方武器系统的对抗与反对抗的能力，缩减敌方武器系统作用距离，压制和抵消敌方武器系统的电子对抗能力。将来可望逐步实现人工电波环境武器系统，如环境武器或地球物理武器。 但人工电波环境技术必须是有限的、局部的和可复原的，如果使电波环境或自然环境产生不可复原的破坏效果，对人类活动和生存造成威胁，那是一种犯罪。 二.传播方式、波段及其传播特性 4.各波段电波的特性与应用 在各种信道中，媒质复折射指数（包括介电常数，磁导率与电导率）的空间分布和时间变化及边界状态，是传播特性的决定因素。 1.)超低频（ULF，0.001-30Hz） 信道模式：地下与海水传播；地-电离层球壳空腔谐振；沿地磁力线的哨声传播。 典型应用：地质结构（包括孕震效应）探测；电离层与磁层研究；对潜通信；地震电磁辐射前兆检测。 传播特性：传播主区大，难于获得较高的检测精度。 系统技术考虑：辐射系统庞大效率低，人为系统难于建立，主要为太阳风与磁层相互作用、雷电及地震活动激发。近来在频段高端已有人为发射系统用于对潜艇发射简单指令和地震活动中深地层特性变化的检测。 二.传播方式、波段及其传播特性 4.各波段电波的特性与应用 2.)极低频（ELF，30-3000Hz） 信道模式：地下与海水传播；地-电离层波导；地-电离层球壳空腔谐振；沿地磁力线的哨声传播。 典型应用：对潜通信，地下通信；极稳定的全球通信；地下遥感；电离层与磁层研究。 传播特性：在地-电离层波导信道3KHz左右频段为TM波导模的截止频段，不利于远距离传播，而TE模激励效率低。 系统技术考虑：垂直极化的天线系统不易建立；信息容量小，信息速率低（1bit/s）；雷电干扰强。 二.传播方式、波段及其传播特性 4.各波段电波的特性与应用 3.)甚低频（VLF，3-30kHz） 信道模式：地-电离层波导；地下与海水传播；沿地磁力线的哨声传播。 典型应用：Omega（美）、（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。 传播特性：f=10KHz电波在海水中的衰减约为3dB/m，大深度通信导航受限；地-电离层波导信道的远程传播只适于垂直极化波；中近距离存在多模干涉。昼夜过渡区存在模转换干涉。 系统技术考虑：难于实现电尺寸高的垂直极化天线和定向天线。传输数据率低；雷电干扰强。 二.传