第三章 - 西安电子科技大学

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第三部分 电波传播环境介绍
电波传播概论
在无线电系统中,信息的传递是靠电磁波的传播来实现的。
无线电波从发射点传输到接收点必定要经过一定的空间场
所(媒质),这个空间场所会对无线电波的传播产生各种
各样的影响,如反射、折射、绕射、散射和吸收等。其中,
最基本的空间场所就是地球及其周围附近的区域(或称为
近地空间),因此在研究具体电波传播问题之前,有必要
了解地球及其外围空间的概况。
无线电波传播主要受其传播媒质的影响,因此在介绍无线
电波传播之前,必须要弄清无线电波传播要经历的电磁环
境。一般情况下,无线电波是在大气介质中传播的,当然
还有的是在水下或地下传播,因此要搞清楚大气或地面的
环境参数,掌握环境的规律和特性,并对它们进行建模,
以提供给无线电波传播的分析、计算和研究。
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电波传播概论
一、地球及外围空间
地球是太阳系中的一个行星,形状为一略扁的球体,长
半轴约为6378km,短半轴约为6357km,长短半径相差
约为21km,一般取平均半径为6370km。
在电波传播研究中,一般把地球简作为圆球来处理。
根据地震波的传播证明,地球从里到外可分为地核、地
幔和地壳三层
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3
电波传播概论
地核:半径约为3460km,温度估计高达5000°C左右。地
核的体积只有地球体积的1/6,而质量却几乎占了1/3,这
证明它是由较重的元素(例如铁等)组成的。
地幔:地核的外面厚度约为2850km左右的灼热熔岩。
地壳:地球的表层, 厚度各处不同, 海洋下面较薄, 最薄处仅
5 km左右, 大陆所在的地下比较厚, 最厚处可达60 km, 地壳
的平均厚度约为33 km。 地壳的基部是玄武岩, 某些地区在
玄武岩的上面还有花岗岩, 再上面是电导率较大的冲积层等。
由于地球的内部作用,例如地壳运动、火山爆发等, 以及外
部的风化作用,使得地球的表面形成了高山、深谷、江河、
平原等地形地貌, 再加上人为所创造的城镇等环境, 这些不
同的地形地物和不同的地质结构都在一定程度上影响着无
线电波的传播。
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地球本身有一个很大的磁场。地磁轴线不通过地心, 而是偏
心的, 它与地球南北极轴的夹角约为11.4°。地球上各地区
的磁场强度并不相同, 在磁极附近的总磁感应强度约为(6~
7)×10-5特斯拉, 在磁赤道上总磁感应强度值约为3×10-5特
斯拉。
地磁场的空间范围非常广阔, 除了地面范围外, 还一直延伸
到数万千米的高空, 与星际磁场联系, 直接影响着外层空间
的物理状况。当然, 它对无线电波的传播也有一定的影响。
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近地空间是指地球周围附近的区域, 通常是指地球的大气层和
磁层。 它是与人类生活密切相关的上层环境, 是实现地面通信
与空间通信的无线电波的基本传播场所, 也是传输宇宙信息及
太阳能源的渠道。
大气层是包围地球表面的气体层, 其厚度可达上千千米, 就像
是地球的“气体外壳”。
地面上空的大气是分层的, 分层的方法很多, 但一般是按其温
度状况或电离状况来分层的。
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以大气温度随高度垂直分布的特性来分, 可分为对流层、
平流层、 中层、 热层和外层等。

地
面
上
不
同
高
度
的
温
度
变
化
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大体上, 自地面向上温度随高度以-6.5℃/km的速率逐渐降低。
大约在13±5 km处(在中国大陆地区一般为11~13 km), 温度达
到大约208 K(相当于-65℃)的恒定值,这一高度称为对流层顶,
它是对流层和平流层的分界区域。
平流层内温度随着高度增加
而上升, 到了50 km左右的高
度, 温度出现最大值约为263
K, 这里就叫做平流层顶。
平流层顶以上就是中层, 中
层内温度随高度增加而迅
速下降, 是一个低温带, 到
了90 km左右的高度, 温度
出现最小值约为183 K左右,
这就是中层顶。
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中层顶以上就是热层, 热层内温度随着高度增加而上升,到了400
km左右的高度, 温度可达上千度。
热层顶(300~600 km)以上
的大气层, 统称为外层大
气(或称逃逸层), 那里大气
(主要是氢和氦)极其稀薄,
地球引力也很小, 气体分
子大部分处于电离状态。
如果气体分子在受到最后
一次碰撞而向上运动时,
若速度足够大, 就有可能
脱离地球引力的束缚向星
际空间逃逸, 故逃逸层也
是地球大气的最外层。
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以电离或非电离状态来分层, 大气层可分为电离层与非电
离层。

大约在60 km以下的高空, 大气中各种成分(氧占20.95%、
氮占78.09%, 还有水汽及少量氢、 氦等)混合均匀,气体多
呈中性状态, 故称为非电离层, 在电波传播研究中一般称为
低层大气层。
在60 km以上的大气, 主要在太阳辐射的作用下, 气体电离现
象十分显著, 故该区域称为电离层。
由于大气电离或非电离状态对电波传播的机理不同, 因此,
对于电波传播研究与应用来讲, 应按低层大气和电离层来研
究大气分层情况。
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对流层主要是靠地面间接加热的。
在太阳照射下, 对流层的空气很少直接吸收太阳辐射的热量,
而是在地面受热后, 通过地面辐射和大气的垂直对流作用使
对流层变热。
因此, 一般情况下, 对流层的温度、 气压、 湿度都是随着高
度的增加而减少的。
某些局部地区, 有时可能出现温度随高度增加而增加的现象,
形成逆温层。
此外, 由于空气的湍流运动, 使得对流层的温度、 气压、 湿
度又有随机的小尺度起伏。
其他如雷电、 云、 雾、 雨、 雪等自然现象, 都会对无线电
波的传播特别是对微波传播有着较大的影响。
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平流层在大气层中处于对流层与电离层之间。
一般来说, 层内几乎没有水汽, 只有温度有较明显的变化。
由于该层内有臭氧层, 它强烈地吸收太阳中的紫外线, 使温
度随高度的增加而增加。
平流层内的大气以水平运动为主。
通常, 在电波传播中所说的低层大气层包括对流层和平流层
两部分。
由于对流层大气和平流层大气的折射率(大气温度、 湿度和
气压的函数)与气象参数的关系基本一样, 因此, 在无线电波
传播研究中, 有时把低层大气直接称为对流层大气。
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电离层是高空大气层的一部分。 它从60 km延伸到大约
1000 km的高度。
在这个区域, 主要是在太阳辐射的作用下, 大气电离形成等
离子体层(凡部分或全部电离了的气态物质, 其中带负电的
电子、 离子和带正电的离子具有相等的电量, 就称为等离子
体, 所以宏观上它是电中性的)。
根据实测, 在电离层内存在着几个电子浓度不同的区域:
约在60~90 km高度的区域称为D区
在100~110 km处的区域称为E区
在E区以上是F区, 夏季的白天此区域又可分为F1区(高度约
为180 km)和F2区(高度约为0~400 km)。
D区只在白天存在, 而E区和F区是经常存在的。
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各区电子浓度(有时称为电子密度)N(电子数目/米 3)随高度变
化并有一极大值。
D区电子浓度最低, 而F区电子浓度最高。
各区之间没有明显的分界面。 在400 km以上, 电子浓度随高
度的上升而缓慢地减小, 一直延伸到离地面几万千米的高度。
由于电离层的主要特征是有着大量的自由电子存在, 从这一
特征出发, IRE(无线电工程师学会)于1950曾建议把电离层定
义为“地球大气层中含有自由电子数多至能对无线电波传播
产生重要影响的那部分空间”。
根据这个定义, 它包括了从60 km高度直到磁层顶的整个范围。
实际上磁层与电离层之间没有明显的边界, 因此它们的区域
划分也没有统一的意见。
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目前, 人们倾向性的看法是把地球磁场对带电粒子运动起主
要控制作用的那部分电离区域称为磁层。
它是指由于“太阳风”(通常指宁静太阳辐射的带电粒子流)
与地球磁场相互作用, 使得地球磁场变形的那部分区域。
一般情况下, 太阳辐射的任何变动成分, 当它们到达地球区域
后, 必然会引起电离层、 磁层的相应变化, 这对无线电波的传
播都会产生一定的影响。
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二、太阳结构及活动
太阳的基本结构
根据太阳活动的相对强弱,我们把太阳分为宁静太阳和
活动太阳两大类。
宁静太阳是一个理论上假定宁静的球对称热气体球,其
性质只随半径而变,而且在任一球层中都是均匀的,其
目的在于研究太阳的总体结构和一般性质。
在这种假定下,按照由里往外的顺序,太阳是由核心、
辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成。
光球层之下称为太阳内部;光球层之上称为太阳大气。
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核反应区:从中心到0.25R⊙(R⊙:太阳半径)是太阳发
射巨大能量的真正源头,称为核反应区。
在这里,太阳核心处温度高达1500万度,压力相当于3000
亿 个大气压,随时都在进行着四个氢核聚变成一个氦核的
热核反应。根据原子核物理学和爱因斯坦的质能转换关系
式E=mc2 ,每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应
为5.96亿吨的氦,并释放出相当于400万吨氢的能量,正是
这巨大的能源带给了我们光和热。根据目前对太阳内部氢
含量的估计,太阳至少还有50亿年的正常寿命。
辐射区:0.25R⊙~ 0.86R⊙是太阳辐射区,它包含了各种
电磁辐射和粒子流。辐射从内部向外部传递过程是多次被
物质吸收而又再次发射的过程。从核反应区到太阳表面的
行程中,能量依次以X射线、远紫外线、紫外线,最后是
可见光的形式向外辐射。太阳是一个取之难尽,用之不竭
的能量源泉。
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对流层:辐射区的外侧区域,其厚度约有十几万千米,由
于这里的温度、压力和密度梯度都很大,太阳气体呈对流
的不稳定状态。使物质的径向对流运动强烈,热的物质向
外运动,冷的物质沉入内部,太阳内部能量就是靠物质的
这种对流,由内部向外部传输。
光球层:对流层上面的太阳大气,就是我们平时所见的太
阳圆盘。光球是一层不透明的气体薄层,厚度约500千米。
它确定了太阳非常清晰的边界,几乎所有的可见光都是从
这一层发射出来的。
光球层上有太阳黑子、光斑、临边昏暗、米粒组织等现象。
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太阳黑子:太阳光球层上的温度相对较低的区域,其温度约
为4500K,而光球其余部分的温度约为5800K。这些温度较
低的区域在明亮的光球反衬下,就显得很黑。
光斑:在日面边缘背景亮度较小的部分可以看到一些比周围
亮的斑点。
临边昏暗:日面亮度向边缘逐渐减小的现象。
米粒组织:在比较好的大气宁静条件下,通过高分辨率的太
阳望远镜仔细观测,可以看到光球表面的亮度并不均匀,存
在着均匀分布的米粒状的结构,称为米粒组织。这其实是对
流层里对流现象在光球表面的一种表现形式,它和太阳活动
区关系密切。
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色球层:位于光球之上,厚度约2000千米。太阳的温度分
布从核心向外直到光球层,都是逐渐下降的,但到了色球
层,却又反常上升,到色球顶部时已达几万度。由于色球
层发出的可见光总量不及光球的1%,因此人们平常看不到
它。只有在发生日全食时,即食既之前几秒种或者生光以
后几秒钟,当光球所发射的明亮光线被月影完全遮掩的短
暂时间内,在日面边缘呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层,
这就是色球层。平时,科学家们要通过单色光(波长为
6563埃)色球望远镜才能观测 到太阳色球层。
色球上经常出现一些暗的“飘带”,称为暗条,当它转到
日面边缘时,很像一只耳朵,人们俗称它为日珥;在太阳
黑子的正上方,有时出现一些局部亮区域,称为谱斑;当
谱斑亮度突然增强时,就是通常人们所说的太阳耀斑。太
阳耀斑释放的能量极其巨大,其巨大的能量来自磁场。
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日冕:是太阳大气的最外层,它由高温、低密度的等离子
体所组成。
亮度微弱,在白光中的总亮度比太阳圆面亮度的百分之一
还低,约相当于满月的亮度,因此只有在日全 食时才能展
现其光彩,平时观测则要使用专门的日冕仪。
日冕的温度高达百万度,其大小和形状与太阳活动有关,
在太阳活动极大年时,日冕接近圆形;在太阳宁静年则呈
椭圆形。
自古以来,观测日冕的传统方法都是等待一次罕见的日全
食——在黑暗的天空背景上,月面把明亮的太阳光球面遮
掩住,而在日面周围呈现出青白色 的光区,就是人们期待
观测的太阳最外层大气——日冕。
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看用
到日
的冕
日仪
冕将
太
阳
光
挡
掉
后
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太阳的基本活动
太阳黑子
在各种太阳活动现象中,最为醒目也最容易观测到的现象
就是太阳黑子。
太阳黑子的主要性质:
(1)中心温度比周围太阳表面低。
(2)黑子常成群出現。
(3)黑子是太阳表面的强磁场区域。
(4)太阳黑子周期约为11年。
( 5 ) 太 阳 黑 子 的 分 布 –Maunder 蝴 蝶 图 (Maunder
butterfly diagram)

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不同年份观察结果
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长期观察结果
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太阳黑子的分布
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太阳黑子过去和将来
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现在的太阳黑子(2011年4月)
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光斑
用白光观测太阳光球时,一旦出现小黑子,就能在其周围
看到一些比宁静光球明亮的小片区,称为光斑。光斑是光
球上明亮的斑点,常出现在日轮的边缘,说明它存在于光
球的上层,可能是光球上更炽热的气团。光斑一般环绕着
黑子,与黑子有密切的关系。

谱斑
谱斑是在色球层中可以经常观察到的比周围明亮的大片明
亮区域,处在光斑面上方。温度比周围高,常出现在黑子
群和大黑子附近。其面积大小是太阳活动强强的一个标志。

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日珥
在日全食时,太阳的周围镶着一个红色的环圈,上面跳动着
鲜红的火舌,这种火舌状物体就叫做日珥,它像是太阳面的
"耳环"一样。
按运动情况来看,日珥可分为爆发型、宁静型和活动型这样
三大类。宁静日珥,在观测时间内似乎是不动的,而活动日
珥,则老在不停地变化着。它们从太阳表面喷出来,沿着弧
形路线,又慢慢地落回到太阳表面上。但有的日珥喷得很快、
很高,它的物质没有落回日面,而是抛射入宇宙空间了,爆
发日珥的高度可以达到几十万千米。1938年爆发的一个最大
日珥,顷刻间上升到157万千米的高空。地球的直径不过1.3
万千米。日饵是巨大的扭曲磁场拖曳着游离的气体所造成的
变化情形可持续数小時到几周或几个月。

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日
珥
及
其
相
对
地
球
尺
寸
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日珥
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耀斑
太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层
中,所以也叫"色球爆发"。
其主要观测特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅
速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,亮
度上升迅速,下降较慢。虽然它只是一个亮点,但一旦出现,
简直就是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当
于相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸;而一次较大的耀斑爆
发,在一二十分钟内可释放1025焦耳的巨大能量。除了日面
局部突然增亮的现象外,耀斑更主要表现在从射电波段直到
X射线的辐射通量的突然增强;耀斑所发射的辐射种类繁多,
除可见光外,有紫外线、X射线和伽玛射线,有红外线和射
电辐射,还有冲击波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙
射线。

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耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆
炸,地球大气层即刻出现缭绕余音。
耀斑爆发时,发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时,
将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。
当耀斑辐射来到地球附近时,与大气分子发生剧烈碰撞,
破坏电离层,使它失去反射无线电电波的功能。
无线电通信尤其是短波通信,以及电视台、电台广播,会
受到干扰甚至中断。
耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用,产生极
光,并干扰地球磁场而引起磁暴。
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太
阳
耀
斑
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太
阳
耀
斑
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NASA人员驳倒2012世界末日
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日冕物质抛射
日冕物质抛射(coronal mass ejection)是巨大的、携带磁力
线的泡沫状气体,在几个小时中被从太阳抛射出来的过程。
表现为在几分钟至几小时内从太阳向外抛射一团日冕物质
(速度一般从每秒几十公里到超过每秒1000公里),使很大
范围的日冕受到扰动,从而剧烈地改变了白光日冕的宏观形
态和磁场位形。
日冕物质抛射是日冕大尺度磁场平衡遭到破坏的产物,日冕
物质抛射破坏了太阳风的流动,产生的干扰会影响到地球,
甚至引发悲剧结果。

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大量抛射物质撞击地球
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太阳活动对地球的影响
太阳活动对地球的影响主要表现在以下四个方面:
(1)对地球气候的影响:
地球上气候变化与黑子数目变化周期密切相关,可是其具体
的作用机制还远远没有搞清楚。世界许多地区降水量的年际
变化,与黑子活动的11年周期有一定的相关性。另外,我们
只是发现,亚寒带的许多树龄很高的树木,它们的年轮恰恰
有着与黑子活动11年周期相对应的、有规律的疏密变化。同
时从统计资料中,我们发现凡是黑子活动的高峰年,地球上
特异性的反常气候出现的机率就明显地增多;相反。在黑子
活动的低峰年,地球上的气候相对就比较平稳。

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(2)对地球电离层的影响:
地球大气层在太阳辐射的紫外线、X射线等作用下形成电离
层,无线电通讯的无线电波就是靠电离层的反射向远距离传
播的。当太阳活动剧烈,特别是耀斑爆发时,在向阳的半球,
太阳射来的强X射线、紫外线等,使电离层D层变厚,造成靠
D层反射的长波增强,而靠E层、F层反射的短波却在穿过时
被D层强烈吸收受到衰减甚至中断,如l970年11月5日长途台
曾因此中断2小时;这被称为“电离层突然骚扰”。这些反
应几乎与大耀斑的爆发同时出现,因为电磁波的传播速度就
是光速,大约8分多钟即可由太阳到达地球表面,所以反应
非常快。经过一段肘间以后耀斑产生的带电的高能粒子逐渐
到达地球,它们受地球磁场的作用向地磁极两极运动,因而
影响极区的电离层,造成高纬度地区的雷达和无线电通讯的
骚扰,甚至中断。这被称为“极盖吸收”和“极光带吸收”,
它的影响时间较长。
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(3)对地球磁场的影响:扰动地球磁场,产生磁暴现象。
整个地球是一个大磁场。地球的北极是地磁场的磁南极,地
球的南极是地磁场的磁北极。地极和磁极之间有大约11度的
夹角,因此地球的周围充满了磁力线,不同的位置有不同的
地磁强度。平时地磁受多方面的影响,会有不同程度的扰动,
而影响最大的就是磁暴现象。磁暴一般发生在太阳耀斑爆发
后20-40小时,它是地磁场的强烈扰动,磁场强度可以变化
很大。这时太阳风速往往增加,并且向太阳一面的磁层顶面
可由距地心8-11个地球半径被压缩到5-7个地球半径,磁暴
的发生对人类活动,特别对与地磁有关的工作都会受到影响。
它会使罗盘磁针摇摆,不能正确指示方向,影响到海上航行
之船、空中飞行之机、甚至信鸽的飞翔。
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在磁暴发生时,高纬度地区常常伴有极光出现。
极光常常出现于纬度靠近地磁极地区25度-30度的上空,离
地面100-300千米,它是大气中的彩色发光现象,形状不一。
常出现极光的区域称为极光区。
由于来自太阳活动区的带电高能粒子流到达地球,并在磁场
作用下奔向极区,使极区高层大气分子或原子激发或电离而
产生光。当太阳活动剧烈时,极光出现的次数也增大。
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美国阿拉斯加州埃尔森空军基地拍摄到的北极光
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(4)对航天活动的影响:
大耀斑出现时射出的高能量质子,对航天活动有极大破坏性。
高能质子达到地球附近肘,特别是容易到达无辐射带保护的
极区,会影响极区飞行;
如遇卫星则对卫星上的仪器设备有破坏作用;
太阳能电地在高能质子的轰击下,性能会严重衰退以至不能
工作;
如遇在飞船外工作的宇航员将危及生命。
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三、地面波传播环境
地面对电波传播的影响主要表现为两个方面:
地面的不平坦性,当地面起伏不平的程度相对于电波波
长来说很小时,地面可近似看成是光滑地面。对于长波和
中波传播,除高山外均可视地面为平坦的。

地质的情况,主要研究它的电磁特性。地面可以被作为
非磁性介质来看待,其导磁率与真空中的相同,即相对磁
导率μr=1。描述大地电磁特性的主要参数是介电常数ε(或
相对介电常数εr)和电导率σ。

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50
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地面可以被作为非磁
性介质来看待, 其导磁
率与真空中的相同。
地面对无线电波传播
的影响主要是地面的
介电常数、 导电率和
地面的形状、 粗糙度
与覆盖物等。
右图为不同地面的介
电常数和导电率
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地面的电参数
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判断某种媒质是呈现导电性还是介电性
衡量标准
传导电流密度Jf与位移电流密度JD之比。

60


J D  0 r
r
Jf

60 /  r  1 时,大地具有良导体性质;

60 /  r  1时,可将大地视为电介质;

而二者相差不大时,为半电介质。
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电波传播概论
各种地质的 60 /  r 值
海水在中、长波波段是良导体,微波波段呈现介质性质;
湿土和干土在长波波段呈良导体性质,在短波以上就呈现介
质性质;
岩石几乎在整个无线电波段都呈现介质性质。

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电波传播概论
与无线电波传播相联系的地面电特性, 取决于传播主区内
介质的固有电特性及其不均匀结构, 一般采用等效电特性
来描述。
影响地面等效电特性的因素有:
(1) 沿路径的电特性不均匀分布, 如陆、 海、 沙漠与水网
等地区, 影响的主要范围为第一个费涅尔椭圆带域。
(2) 地表地形地物, 如山脉、 建筑及森林覆盖对波的吸收、
反射和散射等引起的能量衰减, 以综合效应反映于等效电
特性参数的改变, 同样涉及传播主区内的分布状况。
(3) 地下分层与电波渗透深度。 其中, 电波渗透深度δ为
1


2 30
(4) 随季节变化, 受地温和地湿的影响。
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电波传播概论
四、对流层电波传播大气环境
1. 低层大气中的无线电气象参数
在对流层中, 一般温度随高度以6.5℃/km的速率下降。
在对流层顶(在中国境内, 一般高度为11~13 km)时, 温度
不再降低, 一般达到大约-56℃的恒定值。
当然, 有时会出现特殊情况, 如在对流层的局部高度范围内
有时会出现温度随高度上升的反常情况, 这种现象称为温
度逆增。
另外, 风、 雨、 雷、 电等现象都发生在对流层内, 因此对
流层的另一个重要特点就是含有大量的水份, 如水汽和降
水(形式如雨、 雾、 雪、 雹等)。
水份主要出现在近地面数千米的高度范围内, 它们对电波
传播有很大的影响。
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56
电波传播概论
对流层气体主要由相对稳定的永久性气体(如氮、 氧、
氩和二氧化碳)与随时间和地点而变化的可变性气体(如
水汽和臭氧)等组成。
从地面直到 90 km的高度范围, 相对稳定的永久性气体
能够保持稳定的比例关系。
水汽主要存在于贴近地面的低层大气。
水汽所占的比例随地区和季节的不同有所差别, 但一般
不会超过4%。 在海洋和低纬度地区的夏天, 空气中的
水汽含量高。 在高纬度地区(如干旱沙漠)的冬天, 水汽
含量就很少。
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电波传播概论
气压及其沿高度的分布
大气的压强(简称气压):是横截面为1 cm2的面积所承受
的空气体积的重量。 在海平面上, 大气压等于底面积为1
cm2、 高为76 cm的水银柱的重量。 其单位为百帕(hPa),
1大气压=1013.25 hPa。
地面上的气压主要与当地的海拔高度有关。 同一地点, 气
压也随季节和日期而有较小的变化。 由于重力的作用, 气
压沿高度基本上成指数递降。 设地面气压为P0, 高度为h
处的气压为P, 则有
 h M0g 
P  P0 exp 
dh 
 0 RT

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电波传播概论
 h M0g 
P  P0 exp 
dh 
 0 RT

M0——气体的分子量, 干燥大气按重量比例加权平均的分
子量为M0=29.0
g ——重力加速度
R——干空气的气体普适常数,R=8.314×107 尔格/度/克
分子
T ——气体的绝对温度
在实际工作应用上,还必须考虑大气是潮湿的,所以必须
对上式加以湿度修正
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电波传播概论
由于气压与高度密切相关, 可以用不同高度的气压来计算
高度值。 工程上, 常用的具有较高精度的压高公式为
h  hS   hi
t   0.378e

hi  18422.7 1 
  1 
p
 273  
i  1, 2,3,
 pi 


[1

0.00264
cos(2

)]

lg



p

 i 1 
hS——当地地面的海拔高度, 单位为m
φ——当地的地理纬度,单位为rad
t 、p、e
——两大气层间的温、压、湿的平均值。
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电波传播概论
气温与温度逆增
表示温度的方法有三种: 摄氏温度t(℃)、 绝对温度T(K)和华
氏温度F(°F)。
它们之间换算关系如下:
T =273.16+t
5
t  ( F  32) 
9
9t
F   32
5
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K
o
C
o
F
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电波传播概论
大气的温度与地理纬度、 大气层高度和季节有关。
平均说来, 由地球的赤道向两极方向, 纬度每增加1度(相当
于111 km的地面距离), 地面气温降低1℃。
高度每增加1 km, 气温下降6.5℃。
地面气温在一年内的变化可高达70~80℃, 随地点不同而不
同。 在赤道附近, 海洋性地区温差小。 在高纬度地区, 沙
漠地区温差大。
气温还有周日变化, 特别是在近地面大气层。
与气压相比, 低层大气中的温度是变化比较大的参量。 引
起气温变化的因素有太阳热辐射引起的热交换、 热传导、
对流、 平流和绝热变化过程。
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电波传播概论
太阳热辐射携带的巨大热量通过大气照射在地面上使地面的
温度增高,地面温度的上升使贴近地面的空气与地面之间以
热传导的方式产生热交换而达到热平衡,这使近地面的大气
温度随之升高, 空气密度随之变小, 致使该热空气团有可能上
升产生空气对流, 把热量带到很高的高度。 另一方面, 热气
团上升后留下的空间则为周围较冷的空气所取代, 这样就产
生温度递增现象。
一般在晚上会发生相反的过程。 已在白天被加热的地面向
外辐射出热量以致降低温度, 地面温度的大大降低致使近地
面的空气层的温度随之下降, 而较高高度上的温度却相对稳
定, 这样就容易产生温度的递增现象, 下面气温低, 上面气温
高, 这种温度递增叫地面辐射逆增。
在沙漠地区出现幅射逆增的概率较高,尤其是在晴天、日
出前最甚。
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湿度
湿度的表示方法有许多种。 其中, 在无线电波大气环境中,
常用的方法主要有三种: 水汽压、 相对湿度和露点温度。

水汽压——水汽在大气中的分压强称为水汽压, 用e表示。
相对湿度u或RH——水汽压e与同一温度下饱和水汽压E
的比值, 表示空气中的水汽接近饱和的程度。

e
u  RH  100%
E
7.45/  235t 
E

6.11

10
饱和水汽压E是气温的函数,
露点温度tD——指在气压不变的情况下为使空间所含水
汽压达到饱和状态所必需冷却到的温度。

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电波传播概论
其他的表示方法
绝对湿度ρ——也称水汽密度, 指单位体积内所含水汽
的质量, 单位以g/m3表示, 它与水汽压的关系为

0.8e

1  t / 273
比湿q——同一容积中水汽质量与湿空气质量之比, 单位为
g/g, 它与水汽压e的关系为

0.622e
s
Pe
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空 气 中 的 水 汽 主 要 存 在 于 2~3km 以 下 的 高 度 。 在 4~
5km以上高度, 气温已达到0℃以下, 水已经被冷凝成冰粒。
各地区的水汽压的大小取决于当地的气候和自然地理状况。
从平均情况看, 水汽压沿高度的变化遵守如下规律:
e  e0 10
h /6.3
e0——地面水汽压
h ——离地高度, 单位为km
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2. 大气折射率
对流层无线电波传播主要受大气温度、 气压和湿度的影
响, 而大气折射率N或大气折射指数n在对流层中是温度、
气压和湿度的函数, 在电离层中是电子密度和无线电波工
作频率的函数。
因此, 无线电波传播的环境因数主要是大气折射率N(或大
气折射指数)。
大气折射率N是大气温度、 压力和湿度的函数, 即
p
5 e
N  77.6  3.73  10 2
T
T
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电波传播概论
p
5 e
N  77.6  3.73  10 2
T
T
N——大气折射率, 单位为N; p——大气压强, 单位为hPa;
T——空气热力学温度, 单位为K(T=273+t, 其中t为空气摄
氏温度, 单位为℃); e——大气中水汽分压强,单位为hPa。
 b  t  RH
e  a exp 

 c  t  100
RH为空气相对湿度(%),a、 b、 c为与空气温度有关的系数
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 b  t  RH
e  a exp 

 c  t  100
当空气温度为露点温度td时, 有
 b  td 
e  a exp 

c

t
d 

在无线电波传播计算中, 为了简化计算, 有时采用折射指数
n, 因此可根据下式把大气折射率N转化为大气折射指数,
n  1  N 106 物理与光电工程学院电波传播研究所
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3. 大气折射率变化特点
研究大气环境对电波传播的影响, 主要是研究大气折射率
N随时间和地点的变化及其特点。
大量数据统计表明, 大气折射率N的年变化很小, 可忽略不
计, 主要需要研究它的季节变化、 日变化以及随高度与水
平距离的变化。
大气折射率N随水平距离的变化
在小范围内, 可以认为折射率是水平均匀的, 但在较大范
围内则有明显差异。
研究对流层折射率N的水平变化, 主要是研究地球表面折
射率N0的变化。

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电波传播概论
不同地点的海拔高度不同, 经归算可得海平面折射率Nsea
与N0有如下关系:
Nsea  N0exp( Bh0 ) h0为地面海拔高度,单位为km
B为统计常数, 全国B的统计值见表
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电波传播概论
通过对根据多年的平均结果做出的全国范围内的地面折射率
N0和海平面折射率Nsea的月平均、 年平均等值线可以看出, 我
国地面折射率N0的变化有以下几个特点:
(1) 从东到西总的趋势是递减, 东南沿海地面折射率N0 最高,
年平均值在360N单位左右。 这是由于该地区受东南暖湿气
流的影响, 致使全年湿度较大的结果。
(2) 西藏高原地势高, 气压低, 空气干燥, 全年降雨少, 因此地面
折射率N0最低, 年平均值在200 N单位左右。
(3) 在东部沿海地区(包括整个华东、 华南、 华中和华北的东
部地区), 地面折射率是随纬度增加而递减的。 平均来说, 每
往北走一个纬度(约111 km), 地面折射率减少2 N单位。 在广
东近海为370 N单位, 到渤海湾附近的陆地上时, 地面折射率
减少到330 N单位。
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电波传播概论
(4) 云南、 贵州、 四川交界地区, 地面折射率N0的变化最激
烈。 这是由于该地区海拔迅速升高, 又受横断山脉及长江
上游几条支流的影响, 造成N0的变化大, 等值线稠密。
(5) 广大西北地区, 大部分为沙漠, 地势平坦, 气候干燥。 因
此, 地面折射率N0较小, 在270 N单位左右, 其变化也较小, 从
南到北很有规律地从240 N变化到290 N单位。 N0的最小值
出现在南疆的塔里木盆地。
(6) 海平面折射率Nsea的变化也较有规律, 从东向西和从南到
北都呈递减趋势。 从西沙到漠河的变化约为60 N单位。
由月平均、 年平均等值线看出: 海平面折射率Nsea和地面折
射率N0有较大差异, 这是地形复杂造成的。
大气折射研究一般使用地面折射率N0。
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电波传播概论

大气折射率N随高度的变化
通常折射率N随高度的增加而减小。 从多年的统计资料
可知, 平均折射率N 随高度的变化大致为负指数函数, 即
N (h)  N0exp
[- ca (h- h0 )]
N(h)——高度h处的折射率, 单位为N
N0——地面折射率, 单位为N
h——海拔高度, 单位为km
h0——地面海拔高度, 单位为km
ca——指数衰减系数,单位为km-1
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电波传播概论
不同地区低层折射率N差异较大, 但随着高度的增加差异
逐渐减小, 在海拔9km处, 世界上大多数地区均可取为
105 N单位左右
对无线电波产生折射影响的主要是低层大气。
因此, 研究折射率随高度的变化主要应研究离地面1 km
范围内N值的变化, 即
N1  N0  N (1km)
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北京等地区上午07∶00时的ΔN1年平均值(单位为N)
夏季的ΔN1值明显大于冬季。 夏季温度较高的地区(上海、
武汉等地)ΔN1值偏大, 冬季拉萨的ΔN1值最小。
我国ΔN1的全年平均值为39.4 N单位/km。
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电波传播概论

大气折射率N的季节变化
虽然平均折射率N的年变化不大(地面平均折射率N0的年
变化一般在2~3 N单位), 但在一年之中N随季节的变化却
较为明显。
由大量数据统计可知, 大多数地区在4月份折射率达最小值。
由于春季温度回升、 雨季未到和空气干燥, 因此折射率较
小。
但在沿海或梅雨降临的地区,由于湿度大, 折射率有所升高。
全国的N值在冬季达到全年的最小值。 夏季空气湿润, 水
汽压升高, 它们对N的影响远超过温度升高的影响, 致使N
值在夏季达到最大值。
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电波传播概论
北京等地区在不同季节的平均地面折射率N0值(单位为N)
东南沿海和长江中游的折射率变化较大,因为这些地区全
年的湿度变化较大。乌鲁木齐地区,虽然温度有较大的变
化,但全年降雨较少,气候干燥,湿度变化小,故该地区
折射率的全年变化仍然很小。
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电波传播概论

大气折射率N的日变化
实验数据统计表明, 地面大气折射率N0 的日变化非常明显,
且有明显的周期性。
通常在日出前的凌晨前后达到最大值, 因为此时近地面的气
温最低, 湿度较大。
最小值出现在14∶00时前后, 因为此时地面空气的温度最高,
湿度最小。 最小值不出现在12∶00时而推迟了2小时左右,这
是因为日出后, 太阳对地面加热, 它将热量传递给低层大气
要经历一定的时间。
N0日变化的幅度约为10 N单位左右, 对于不同的月份有所差
别, 当天气异常时, 可远远大于此值。
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电波传播概论
北京地区N0的日变化(单位为N)
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五、电离层电波传播环境
1. 电离层的形成
从平流层以上直到1000km的区域称为电离层,是由自由
电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离
子体。
使高空大气电离的主要电离源有:太阳辐射的紫外线、
X射线、高能带电微粒流、为数众多的微流星、其它星
球辐射的电磁波以及宇宙射线等,其中最主要的电离源
是太阳光中的紫外线。该层虽然只占全部大气质量的2%
左右,但因存在大量带电粒子,所以对电波传播有极大
影响。
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81
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2. 电离层的结构
按照电离层中电子浓度极值区的高度, 可把电离层分为几
个层次, 常规状态下各层次的主要状态参数如表。其中,
Nem为最大电子浓度,hem为最大电子浓度所在的高度。
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电离层的分层结构
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F²ã
E²ã
D²ã
³¤²¨
D层是最低层,因为空气密度较大,电离产
1 70 km¡« 3 00 km
生的电子平均仅几分钟就与其它粒子复合而
消失,因此到夜间没有日照,D层就消失了。
D层在日出后出现,并在中午时达到最大电
子密度,之后又逐渐减小。
1 00 km
由于该层中的气体分子密度大,被电波加速
的自由电子和大气分子之间的碰撞使电波在
6 0 k m¡«7 0 k m
这个区域损耗较多的能量。
Öв¨
D层变化的特点是在固定高度上电子密度随
¶Ì²¨
季节有较大的变化。
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电波传播概论
1 70 km¡« 3 00 km
E层的高度约在90~140 km之间。
电子浓度大于D层, 中性分子仍占相当比例。
由于电子浓度随太阳天顶角而变, 因而存在
昼夜和季节性周期变化,
1 00 km 其变化规律大体服
从余弦定律。
F²ã
E²ã
6 0 k m¡«7 0 k m
D²ã
Öв¨
³¤²¨
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¶Ì²¨
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电波传播概论
F²ã
E²ã
D²ã
³¤²¨
F层是电离层中持久存在、
电子浓度最大的
1 70 km¡« 3 00 km
层次, 其高度约在140 km以上。
夏季的白天F层可分为两层: 下面是F1层, 上
面是F2层。 F1层高度约在140~200 km之间。
F2层是电离层中持久存在的层次, 也是反射
1 00 km
高频电波的主要区域。
F2层最大电子浓度所在高度以上至数千千米
6 0 k m¡«7该高度以下称为下
0 km
的区域统称为上电离层,
电离层。
Öв¨ 从F2层峰值高度以上, 电子浓度缓
¶Ì²¨ km高度上, 约为105个电
慢递减。 在1000
子/cm3; 在2000~3000 km处, 则为102~103个
电子/cm3。 该区电子浓度随季节和昼夜的变
化尤为明显。
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电波传播概论
与电波传播紧密相关的电离层参数主要是电子浓度(或称
为电子密度), 即单位体积内所含的自由电子个数。
电离层的电子浓度一般随空间和时间而变, 而随高度的分
布常称为“电子浓度剖面”。
电离层电子浓度剖面的三种基本形态为单层剖面、 双层
剖面和三层剖面。
在短波通信及超短波测速定位系统中, 主要考虑E层以上
电离层的影响。
在工程中, 夜间的电子浓度一般取为单层剖面, 中纬度地
区夏季白天的正午前后取三层剖面, 其他时间一般取双层
剖面。
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描述电离层剖面的主要特征参数有: 电离层下边界的高
度he0; 各层最大电子浓度所在高度 hemE , hemF1 , hemF2 ;
各层最大电子浓度 NemE , NemF1 , NemF2 以及电子含量NT;
平板层厚度和半厚度。
电子含量:电离层中单位面积柱体内所含电子数, 又称
“积分电子含量”或“柱电子含量”
hT
NT   Ne dh
he0
Ne——为电子浓度
h0——电离层的下边界高度
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h——高度
hT——柱体的上顶高度
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电波传播概论
若hT为2000 km或等离子体的层顶高度, 则NT为“电离层总
电子含量”,常用TEC(Total Electron Content)表示, 其值一
般约为1016~1017个电子/cm2。
为了计算方便, 常将TEC分为三部分: 电离层峰值以下的电
子含量称为底部电子含量(或下电离层含量), 表示为BEC;
从F2层峰值高度到2000 km处的称为上电离层电子含量, 表
示为UEC; 2000 km以上到等离子体层顶的称为等离子体电
子含量, 表示为PEC。
如将电离层的各层等效为按电子峰值浓度均匀分布的平板
层, 层的厚度称为“平板层厚度”,其值等于该层的电子含量
与电子峰值浓度之比。
如把电离层最大电子浓度所在高度以下的电子浓度分布视
为抛物线分布, 则所得的等效厚度称为半厚度(Y)。
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3. 电离层电子浓度变化特点

宁静电离层电子浓度的变化
电离层随时间(昼夜、 季节、 年周期)和空间(纬度、 经度、
高度)的变化主要受太阳活动的控制, 这种变化的统计特征称
为宁静电离层特性。
引起电离层特征参数变化的太阳物理参数主要是太阳黑子
数。
太阳黑子的磁场非常强。 常用天文观测得到的太阳黑子数
RS表征太阳的活动性。 太阳黑子数有明显的周期性变化, 平
均周期为11年。 电离层电子浓度的年变化与太阳黑子数的
周期性变化密切相关, 一般用12个月的太阳黑子数流动平均
值RS,12(或R12)来统计它们的相关特性。
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电波传播概论
Ì«ÑôºÚ×ÓÊý
3 00
2 00
太阳黑子数随
年份的变化
1 00
0
1 90 0
1 91 0
1 92 0
1 93 0
1 94 0
1 95 0
1 96 0
1 97 0
1 98 0
1 99 0
2 00 0
Äê·Ý
__
如果逐年的月平均 RS 的时间序列为 RS ,1 , RS ,2 , , RS ,n ,
则第n个月的RS, n(或Rn)为
RS,n
RS ,12
1  n5 _____ 1  ________ _______ 
  RS,i   RS,n6  RS,n6 
12  n5
2

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
电子浓度剖面的一般变化特征
电子浓度剖面与太阳活动的周期性变化呈正相关性。
正午电子
浓度剖面
随太阳黑
子的变化
冬季的峰值浓度比夏季大得多, 称它为季节异常。 在高
纬度地区这种季节异常比低纬度地区更为明显。
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电子浓度都是白天比夜
间大, 但在某些地区有
时会出现日落后电子浓
度反而上升的现象
武汉地区1968年四个月
的电离层剖面的日变化
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电离层的地理变化也相当复杂, 迄今为止还未获得很理想的
全球分布模型。
F2层的最大值有以下两方面特征:
(1) 地磁赤道附近的F2 层厚度比其他地方的厚得多。
(2) 中午和近傍晚时, 在约±20°的地磁纬度上分别出现高
电子浓度区。F2层有明显的地磁效应, 在地磁赤道两边出现
双峰值。
电离层特征参数中的最大峰值电子浓度 N emF2 、 板厚b、
抛物半厚度Y和总电子含量TEC均反映了电离层中大气的
电离程度。 此外, 还有两个很重要的特征参数: 临界频率
和等效高度(或称为虚高)。
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等离子体频率fN:等离子体的固有振荡频率。
部分和全部电离后的气态物质中, 正和负的电荷大致相等
时称为等离子体。
电 离 层 是 一 种 等 离 子 体 , 电 子 浓 度 Ne 与 等 离
子体频率fN有如下关系:
2
N

e
2
f N  e2
4 m 0
31
m——电子质量 m  9.10610 kg
19
e

1
.
602

10
C
e ——电子电荷
1
9



10
F /m
0
 0 ——自由空间介电常数
36
Ne——电子浓度,单位为个/m3
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电波传播概论
将常数代入上式,得
Ne  1.24 104 f N2
与电离层各层最大电子浓度( NemE, NemF1 , NemF2 )相对应的等
离子体频率称为该层的临界频率, 分别记为 f cE , f cF1 , f cF2
fc  80.0 Nem
各层临界频率的变化直接反映了各层最大电子浓度的变化。
等效高度(或虚高) hF 是在用垂直测高仪进行电离层探测
时获得的一个参数,它反映的不是电离层的真实高度
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电波传播概论
3月份 f 0F2 月中值和 hF 月中值(虚线)的日变化曲线
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电波传播概论

电离层总电子含量的变化
电离层总电子含量TEC主要是上电离层电子含量UEC和
下电离层电子含量BEC之和。
下电离层电子含量的日变化与NemF2的变化类似, 并且有明
显的季节变化和周期变化。
由于下电离层电子含量中F层的电子占主导地位, 因此其
纬度变化和F2层的一样。
上电离层的地磁效应更为明显, 但其电子含量随纬度的变
化只有一个最大值(位于南半球), 且相对于磁赤道不对称。
但是上电离层电子含量UEC与下电离层电子含量BEC之
比的昼夜变化却是对称的, 并且在地方时间的中午时刻达
到最小。
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4.电离层折射率的计算
当知道了电离层电子密度随高度的剖面分布以后, 则可
由得到电离层折射率随高度的变化剖面。
对于连续波与调制信号, 电离层折射率n的计算公式为
40.3 1012 Ne
n  1
f2
对于用差频延时法测距的差频信号n的计算公式则为
40.3 1012 Ne
n  1
f1 f 2
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