电磁波传播与空间环境PDF电子书下载

第1章 电磁波概述 1

1.1 电磁波的应用及其发展 1

1.2 电磁场的基本定律——麦克斯韦（Maxwell）方程 3

1.2.1 自由空间中的电磁场 3

1.2.2 物质中的宏观电磁场 6

1.2.3 麦克斯韦方程组与电磁波 7

1.2.4 边界条件 8

1.2.5 电磁场的位函数 9

1.2.6 电磁场的能量和动量 9

1.3 电磁波的时－空形态及其特征参量 10

1.3.1 电磁波的时－空形态 10

1.3.2 简谐平面波函数 11

1.3.3 脉冲波与波包函数 12

1.4 电磁波的辐射 13

1.4.1 辐射原理与电磁力线运动图像 13

1.4.2 辐射机制的主要类型 14

1.4.3 电磁波谱 15

1.4.4 无线电频段的发射天线 16

1.5 电磁波的传播 18

1.5.1 惠更斯（Huggens）－菲涅尔（Fresnel）原理 18

1.5.2 波与媒质的相互作用 20

1.5.3 信息搭载 21

1.5.4 无线电频段的接收天线 22

第2章 日－地空间背景特性 23

2.1 引言 23

2.2 太阳能量辐射 24

2.2.1 组成结构 24

2.2.2 能量辐射 24

2.2.3 太阳活动性与活动区 25

2.2.4 日－地空间的太阳风与磁场 27

2.3 地球磁场与磁层 27

2.3.1 地球磁场 27

2.3.2 磁层的形成 28

2.3.3 太阳风能量、动量与质量向磁层的输入及磁层动力学过程 28

2.3.4 地磁微脉动与甚低频发射 30

2.4 地球中性大气 30

2.4.1 流体静力学平衡与扩散分离及大气的分层结构 31

2.4.2 大气层的加热过程与热层中的热平衡 34

2.4.3 大气动力学过程 34

2.5 电离层物理简述 36

2.5.1 引言 36

2.5.2 电离层中的基本物理过程 37

2.5.3 电离层中的电动力效应 41

2.5.4 电子浓度的连续性（或平衡）方程 43

2.6 电离层结构的平均形态 44

2.6.1 时－空变化 44

2.6.2 主要电离层区的基本特征 46

2.6.3 电离层平均特性的预测 48

2.7 等离子体层与辐射带 49

2.7.1 等离子体层 49

2.7.2 辐射带 49

2.8 中、低层大气 50

2.8.1 中、低层大气的能量转换 50

2.8.2 对流层的气象因素和折射指数 51

2.9 地表与地壳的电特性 53

2.9.1 地球表层及其等效电特性 53

2.9.2 地球的分层特性 53

2.9.3 地壳层的电特性与地壳波导 53

第3章 日－地空间扰动环境 55

3.1 引言 55

3.2 太阳活动及其爆发机制 55

3.2.1 太阳活动形态与爆发机制 55

3.2.2 太阳扰动特征参量 56

3.3 太阳爆发的地球物理扰动效应 59

3.3.1 太阳爆发的三大攻势 59

3.3.2 地球环境的两道屏障 59

3.3.3 四大地球物理效应 60

3.4 电离层的不规则扰动结构 66

3.4.1 Es(Sporadic-E) 66

3.4.2 扩展F(Spread-F) 66

3.4.3 电离层行扰（TIDs） 67

3.5 中、低层大气的扰动效应 67

3.5.1 中、低层大气的动力学扰动 67

3.5.2 雷暴活动 68

3.6 空间环境扰动对人类活动的影响和空间天气预测 69

3.6.1 日－地关系与空间天气 69

3.6.2 空间环境扰动对人类活动的影响 70

3.6.3 空间天气预测 71

3.7 背景无线电噪声 74

3.7.1 概述 74

3.7.2 背景噪声的统计参量 75

3.7.3 大气无线电噪声的测量及其统计预测 76

3.7.4 人为噪声的测量与预测 77

3.7.5 电离层及其以上空间的背景噪声 77

第4章 电波传播信道及其作用机制 78

4.1 引言 78

4.2 媒质信道与传播函数 78

4.2.1 传播函数 78

4.2.2 媒质信道类型 79

4.3 电磁波在均匀各向同性有耗媒质空间的传播 80

4.3.1 半导电媒质的传播特性 80

4.3.2 几种常见半导电媒质的导电特性和复介电常数 82

4.3.3 半导电媒质的频率色散 83

4.3.4 半导电媒质在模拟实验中的应用——电磁相似原理 83

4.4 非均匀媒质中电磁波传播的基本机制 84

4.4.1 二次源等效原理 84

4.4.2 折射传播 85

4.4.3 反射传播 86

4.4.4 波导传播 91

4.4.5 绕（衍）射传播 91

4.4.6 散射传播 92

4.4.7 波场的随机扰动 97

4.5 信道与目标的脉冲响应 99

4.5.1 引言 99

4.5.2 瞬态电磁场的特点与分析方法 99

4.5.3 导电媒质的脉冲响应 100

4.5.4 目标的脉冲响应 101

4.6 各种无线电系统的空间信道及其传播效应 102

4.6.1 与系统体制、性能有关的电波传播问题 102

4.6.2 各频段传播信道的主要模式与主要的传播效应 104

4.6.3 各种无线电系统传播信道参数的预测与传播误差修正 105

4.6.4 电磁兼容 106

第5章 地面电波传播 107

5.1 引言 107

5.2 地面和表层对电波辐射、接收及传播的影响 107

5.2.1 地波路径上各部分地表层介质的作用 107

5.2.2 地层对天线特性的影响 108

5.2.3 地面对雷达最大作用距离的影响 108

5.2.4 接收点地面的波场结构 110

5.3 均匀光滑地（海）面的地波传播 111

5.3.1 平地面地波的激发与传播 111

5.3.2 球地面的地波绕射传播 112

5.3.3 地下分层特性对与大气折射指数随高度变化对地波传播的影响 113

5.4 分段均匀路径的地波传播 114

5.4.1 Millington经验公式 114

5.4.2 海岸折射效应 115

5.5 任意不均匀不规则地面的地波传播 116

5.5.1 积分方程法 116

5.5.2 山峰影响与障碍增益 116

5.6 地波传播在导航与雷达系统的应用 117

5.6.1 低频（LF）地波导航与授时 117

5.6.2 海态高频（HF）地波超视距雷达 119

5.7 地面移动通信的电波传播 120

5.7.1 引言 120

5.7.2 移动信道的传播效应 120

5.7.3 接收信号的统计特性 121

5.7.4 与电波传播有关的通信系统性能指标 123

5.7.5 大区移动通信网接收场强的统计预测 124

5.7.6 其他几种移动信道的传播特性 125

第6章 对流层电磁波传播 130

6.1 引言 130

6.2 对流层折射 130

6.2.1 概述 130

6.2.2 球面分层大气的折射效应与雷达误差公式 131

6.2.3 球面分层大气折射效应的预测修正 136

6.2.4 对流层折射指数异常结构与大气波导传播 140

6.2.5 折射误差修正的残差 144

6.3 超短波、微波视距传播 144

6.3.1 引言 144

6.3.2 无线电视距与障碍余隙 144

6.3.3 直射波与地面反射波的干涉 145

6.3.4 信号的衰落特性 146

6.3.5 去极化效应 146

6.4 超短波、微波超视距传播 148

6.4.1 平均接收功率与散射截面 148

6.4.2 对流层折射指数的不均匀特性 150

6.4.3 超视距传播信号的主要特性 151

6.5 毫米波大气传播 152

6.5.1 大气分子的吸收衰减 152

6.5.2 大气沉降物的衰减 154

6.5.3 去极化效应 157

6.6 光波大气传播 157

6.6.1 地球物理光学理论 158

6.6.2 大气分子吸收 159

6.6.3 大气粒子散射 160

6.6.4 大气折射 161

6.6.5 大气湍流所致的特性起伏 162

第7章 电离层电磁波传播 164

7.1 引言 164

7.2 磁活性等离子体中的电磁波 164

7.2.1 场与媒质相互作用的结构关系式 164

7.2.2 平面电磁波的极化与复折射指数 165

7.2.3 寻常波（O波）与非寻常波（X波）的主要特性 167

7.2.4 等离子体的谐振 168

7.3 电离层折射与传播模式 168

7.3.1 缓变分层媒质中平面波传播的WKB解 168

7.3.2 电离层折射传播模式 169

7.3.3 传播模式随电波初始仰角的θ0变化 171

7.4 短波甚远距离（VLD）与环球（RTW）传播 172

7.4.1 概述 172

7.4.2 VLD与RTW传播HF信号的实测特性 173

7.4.3 HF甚远距离传播机制与模式的定性分析 175

7.5 短波多跳反射传播 176

7.5.1 最高与最低可用频率及其预测 176

7.5.2 吸收系数 178

7.5.3 短波场强计算 179

7.5.4 短波信号变化与衰落特性 179

7.6 短波天波超视距返回散射传播 180

7.6.1 概述 180

7.6.2 射线路径与距离－频率特性 181

7.6.3 寻常波与非寻常波 182

7.6.4 地面返回散射 183

7.6.5 返回散射回波形态与传播模式识别 183

7.7 中波天波传播 184

7.7.1 中波天波的传播特点 184

7.7.2 中波天波传播的变化特性 186

7.7.3 中波天波场强的计算和预测 186

7.7.4 天、地波干涉 187

7.8 超短波电离层散射传播 188

7.8.1 主要的电离层不均匀结构 188

7.8.2 D区电子密度不均匀体散射及其通信应用 189

7.8.3 流星尾迹散射及其通信应用 190

7.9 磁层传播 191

7.9.1 电磁波沿地磁场线的引导传播 191

7.9.2 甚低频哨声模传播 192

7.9.3 HF磁层波导传播 194

第8章 地－低电离层波导传播 195

8.1 概述 195

8.2 波跳传播与低频天波特性 196

8.2.1 波跳理论的几何光学级数表达式 196

8.2.2 场强、相位变化特性与天波应用 197

8.3 波导模传播与甚低频（VLF）波场特性 198

8.3.1 波导模场表达式 198

8.3.2 多模于涉 200

8.3.3 场强、相位的时－空变化与传播预测修正 204

8.4 超低频／极低频传播及空腔谐振 205

8.4.1 波场表达式 205

8.4.2 电离层结构特性的影响 206

8.4.3 空腔谐振 207

8.4.4 ELF通信应用中与电波有关的关键问题 209

8.5 雷电脉冲与雷暴定位 210

8.5.1 雷电辐射 211

8.5.2 闪电定位 213

8.6 核爆电磁脉冲 214

8.6.1 核爆电磁脉冲的基本特性及其与雷电脉冲的比较 215

8.6.2 远区核爆侦察与核弹攻击效果检测 215

8.6.3 国土防御的核爆检测定位 216

第9章 宇宙空间电波传播 217

9.1 引言 217

9.2 地－空传播的大气效应 217

9.2.1 大气折射效应 218

9.2.2 电离层中的极化旋转与色散效应 221

9.2.3 衰减 222

9.2.4 闪烁 223

9.3 卫星通信、导航的电波传播 225

9.3.1 卫星轨道及其在地球上的可视区 225

9.3.2 地－空之间的通信 226

9.3.3 导航星全球定位系统 227

9.4 甚长基线干涉仪（VLBI）测量及其大气效应修正 228

9.4.1 VLBI的测量原理 228

9.4.2 VLBI的应用 229

9.4.3 VLBI测量的大气效应修正 230

9.5 飞行体跟踪定位 231

9.5.1 Doppler测速定位 231

9.5.2 深空飞船导航 232

9.6 行星大气的双站雷达掩星法探测 233

9.6.1 探测原理 234

9.6.2 进行中性大气探测时电离层效应的消除 235

9.6.3 误差因素与探测精度 236

第10章 人为大气变态效应及其应用 237

10.1 概述 237

10.2 射频加热电离层变态 238

10.2.1 电离层的非线性特性 238

10.2.2 交变电场中的电子碰撞加热 239

10.2.3 电离层等离子体不稳定性的激发 243

10.2.4 主要的电离层变态效应 244

10.3 化学物质施放电离层变态 248

10.3.1 两种主要机制 248

10.3.2 变态效应实例 249

10.4 核爆炸的电离层变态效应 250

10.4.1 核爆炸的电离辐射及其电离层变态效应 250

10.4.2 核爆电离效应对无线电系统的影响 252

10.5 强微波脉冲的大气电离与击穿效应 252

10.5.1 强电波大气电离与击穿——中性大气的人为电离区 252

10.5.2 太阳能卫星大功率微波传输的大气效应 253

10.6 人为大气变态效应的应用前景 253

10.6.1 人为电离层变态HF/VHF/UHF散射通信 253

10.6.2 借助于人为电离层变态散射的HF电离层波导超远程通信 254

10.6.3 利用HF电波电离层变态非线性检波效应的ULF/SLF对潜通信 255

10.6.4 强微波人造电离区对通信的应用 256

10.6.5 大气变态在空间对抗方面的应用 257

第11章 近地空间环境遥感探测 259

11.1 遥感与反演 259

11.1.1 正问题与逆问题 259

11.1.2 反演方法 260

11.1.3 遥感技术 261

11.2 地面与植被遥感 262

11.2.1 地面散射特性测量 262

11.2.2 地面辐射特性测量 264

11.2.3 卫星微波遥感 264

11.3 对流层遥感 265

11.3.1 大气辐射与被动式遥感 265

11.3.2 湍流与风场的MST雷达探测 267

11.3.3 声波和无线电声波（RASS）大气遥感 268

11.4 电离层无线电探测 270

11.4.1 电离层电子浓度随高度分布剖面探测 270

11.4.2 卫星信标TEC和闪烁测量 274

11.4.3 非相干散射雷达（ISR）探测 274

11.4.4 HF相干散射雷达探测 277

11.4.5 HF多普勒测量 277

11.4.6 低电离层探测与吸收测量 278

11.4.7 磁层观测 279

第12章 地（海）下电磁波传播 281

12.1 引言 281

12.2 地面波向下渗透传播及其通信与探测应用 281

12.2.1 地面电波激发的地下场 281

12.2.2 对潜通信与导航的海下电波传播 282

12.2.3 VLF/ELF电磁波探测 282

12.2.4 地面上本地源激发场的地下探测 286

12.3 地下源激励的侧面波与波导传播 288

12.3.1 地下源激励的侧面波（Lateralwaves） 288

12.3.2 地下分层结构中的波导传播 292

12.4 矿（油）井随钻测量信息的电磁传输 293

12.4.1 概述 293

12.4.2 钻柱激励及其等效传输线模型 294

12.4.3 信道计算公式及理论与实测的比较 296

12.5 地震前的电磁效应 297

12.5.1 孕震区机电转换过程激发的地下电流场 298

12.5.2 孕震活动中地面与电离层的电磁效应及其检测 299

12.6 激光海水传播 300

参考文献 303