電磁波的實際應用模板(10篇)

導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇電磁波的實際應用，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

《電磁場與電磁波》是電子信息類專業的主干基礎課程，涉及大量的場論和矢量分析方面的數學知識，覆蓋內容較廣，且有一定的深度。相對于應用型課程，該課程的理論分析內容較多，課程理解需要學生花費較大的精力和時間，且需要能夠靜下心來思考電磁場問題，因此，對于工科學生來說普遍較難理解。然而，該課程講授的知識、理論和方法，在實際工程中具有一定的普適性，更容易與工程實例結合。以靜態場為例，靜態場是不隨時間變化的場，是時變場的特例，在靜態場部分的教學中主要做電容和互感的測量實驗，多導體的部分電容和互感是靜態場中非常重要的兩個概念。要求學生在掌握部分電容和互感的特性及測量原理的基礎上，應用測試具體參數，對比測試結果與理論計算結果是否相吻合。再如麥克斯韋方程組，看似只是一組毫無新意、索然無味的方程，多數同學接觸到它都有一定的畏難情緒。但如果將“電磁隱形衣”“左手電磁材料”“磁懸浮”“無線電力傳輸”等實際應用有機結合到課程教學中，課堂氛圍異常活躍，學生的學習熱情大大提高，對實際工程實例的思考更加深入徹底，甚至有學生在此基礎上開始研究電磁理論新的應用。

二、課堂教學與課外科技活動結合

篇2

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0010-02

隨著信息時代的到來，作為通信傳輸技術基礎的電磁場理論得到越來越廣泛和深入的研究與應用。“電磁場與電磁波”是電氣、電子信息、通信等工科電子類專業的一門重要的技術基礎課，它是在大學物理電磁學的基礎上，進一步研究宏觀電磁現象的基本規律和分析方法。這不但是為了后續課程的需要，也是深入理解和分析工程實際中的電磁問題所必需掌握的基本知識，而且電磁場理論也是微波通信、衛星通信、電磁兼容和生物電磁學等高新技術的理論基礎及交叉領域新學科的生長點。[1，2]所以電類專業的學生，無論是從當前的學習出發，還是為了拓寬將來的專業面，都應該重視這門課程，學好這門課程，打好專業基礎。此外，學好這門課，對培養學生樹立嚴謹的科學思想、科學分析問題的方法、復雜抽象的思維能力、勇于開拓的創新精神等將起著十分重要的作用。[3，4]另外由于獨立學院學生普遍基礎不是很好，并且對抽象的理論課程的學習興趣不大，更加重了獨立學院重“電磁場與電磁波”課程的教學工作。

一、“電磁場與電磁波”課程特點

1.基礎知識要求多

“電磁場與電磁波”課程是以大學物理、高等數學、電路分析、數學物理方程、復變函數等為基礎，所涉及的內容很廣 。大學物理中，電磁學部分內容是“電磁場與電磁波”的物理基礎，而矢量分析、特殊函數等內容是學好“電磁場與電磁波”課程必需的數學工具，由于涉及復雜偏微分和特殊函數的計算，難度不小。因此要學好這門課程，必須熟練掌握這些基礎課程的相關概念、理論和運算等。同樣對擔任本課程教學的教師提出了較高的要求，即一方面需要有較好的物理、數學及電路知識；另一方面需要有比較全面的專業知識。同時，又需要對通信工程實際情況有較廣泛的了解。因此本課程的教學相對而言比較不易。

2.數學推導計算多

課程涉及大量的物理知識以及各種數學方法，在學習過程中如何處理數學與物理的銜接，數學方法和物理概念的聯系以及理論分析與工程應用的關系至關重要，這也是學生較難處理的問題。

3.抽象的概念多

“電磁場與電磁波”每章內容都會引入一些新的、較難理解的概念、定律。例如散度和旋度是兩個比較抽象的數學概念，學生們甚至在課程結束之后仍感到這兩個概念很抽象，不理解在電磁場與波學習中為什么始終與之打交道；靜電場中的自分布電容、互分布電容、廣義力、虛位移等；恒定磁場中的矢量磁位、標量磁位；邊值問題求解中的鏡像法、分離變量法等。這些新的概念及定律不僅抽象、難理解，而且所涉及的公式通常比較復雜，計算起來難度較大。基于以上特點，對于“電磁場與電磁波”這門課程，學生普遍認為“難學”，教師普遍感到“難教”。

二、“電磁場與電磁波”教學存在的問題

1.學習問題

由“電磁場與電磁波”課程的特點可知課程本身過于抽象，學生普遍反映難學難懂，表現為抽象的純理論和概念多，復雜的偏微分公式多，計算求解難度大，而對老師來說教好這門課也具有相當的難度。另外，在學習“電磁場與電磁波”課程過程中，學生常常難以將已經學好的數學知識和電磁場內容很好地結合。在學習“電磁場與電磁波”之前，學生一般都具備矢量場論的基本知識，但是在學習“電磁場與電磁波”的過程中卻難以將所學知識與電磁場理論融會貫通、學以致用。還有許多學生數學基礎薄弱，學習起來備感吃力。

2.教材問題

目前絕大多數教材都只強調經典的理論知識，缺乏有應用背景和緊密跟蹤最新前沿發展的內容，這樣不但導致理論與實際應用脫節，也很難激發學生的學習熱忱。特別是對基礎知識差的學生來說，一看到大量的證明和數學推導問題就失去了信心。

3.缺少實驗設備

由于資金和實驗設備的匱乏，使得大部分高校在“電磁場與電磁波”教學中缺少實驗設備，導致無法開展實驗課程。這樣原本就十分抽象的課程，完全變成了一門純理論教學的課程，也導致了學生學習中理論與實踐的脫節問題。

4.課時問題

隨著這些年的教學改革，大學生要求的總學分略有下降，而開設課程又增多的趨勢導致“電磁場理論”的教學課時被極大壓縮，由以前的80學時被壓縮到40學時，導致教學自由度受到了較大的限制。

三、提高“電磁場與電磁波”教學質量的方法

1.制訂教學大綱，確定教學內容

現有的“電磁場與電磁波”教學，大部分都是一些純理論講解的內容，而學生在學習的過程中經常問學這門課有什么用，學某一章節有什么用。看是一個簡單的問題，但作為老師一定認真思考，給學生一個滿意的答案。因為從這個問題上一方面反映了老師講課不能只是大談理論講解，另一方面也反映了現有教材在實際應用方面的缺陷。對這個問題回答的好壞直接關系到同學們學習的效果和興趣。基于以上原因和筆者多年的“電磁場與電磁波”的教學經驗，自編內部教材講義，此講義最大的特點是以通俗的語言來講解抽象的概念，以實際的例題來幫助理解重點理論，并且在每個知識點都有對應的應用實例。

由于“電磁場與電磁波”理論是人類在認識自然規律和生產實踐活動中發展起來的，在日常生活、科學研究和軍事等領域中的應用非常廣泛，例如在微波爐、磁懸浮列車、隱形轟炸機、移動電話中的應用等。這些在此講義的每一章的后面都是一個拓展知識的介紹，比如在第二章靜態電磁場的最后一節中，就針對磁懸浮列車和衛星電推進器做了詳細講解，提高了同學們的學習興趣。

2.循序漸進的教學方法

電磁場與電磁波是利用場的觀點來研究空間某一物理量的確定值問題，而矢量分析正是研究此問題的重要教學工具。應用矢量分析的方法，可以使電磁場的基本定律、公式以簡潔的形式表述出來，且與坐標的選擇無關。所以先要學習一下矢量分析的內容，包括矢量運算、三種坐標系、矢量的散度和旋度等內容。以后每個章節的教學，采用從易到難、從靜態場到時變場、從電場到磁場再到電磁場、從三維空間到四維空間的循序漸進的教學順序。

首先，從較為容易掌握的靜電磁場開始進行學習，此章節的教學應詳細地分析各種情況，其中包含對基本方程、邊值問題等理論的推導以及物理含義的分析，以及靜電能量與力的分析等，而靜磁場的講解一定要和靜電場的知識進行類比學習。這樣就為時變電磁場、電磁場波的傳播、波導等教學內容打下一個比較好的基礎。后續各章節的教學，也應注意與靜電磁場的理論進行比較。從靜止電荷產生的靜電場到研究運動的穩定電荷產生的恒定電場，然后研究電流引入的恒定磁場，隨后進行電磁感應以及時變電磁場分析，并且在時變電磁場的分析中，推測電磁波的產生。之后講解均勻平面電磁波在無界空間的傳播、反射和透射，以及導行電磁波、電磁波輻射等知識，最后進行傳輸線理論的講解。按照逐步深入方式，進行知識的擴充，使課程知識具有連貫性，學生也比較容易掌握。

3.巧妙使用類比方法

“電磁場與電磁波”課程體系中，小到一個公式，大到整個理論框架，都存在著對立統一的關系。通過這些知識點的類比，不僅使學生學到了“電磁場與電磁波”課程的精髓，也使他們體會到“電磁場與電磁波”課程體系中的對稱美。類比包含兩個方面的類比，一是課程、領域之間的橫向類比，例如與“大學物理”相關知識點的類比，“電磁場”和“流體力場”、“電磁波”和“機械橫波”的比較。由于電磁波與機械波都是橫波，都具有橫波的特性等方面的類比，水波的傳播與電磁波能的傳播的類比，電磁場與流體力場的類比等等，類比的教學策略進行更加形象直觀的傳授，啟發創造性思維。另一個則是縱向類比，譬如該課程本身的靜電場和靜磁場、靜電場和恒定電流場等的對比。這樣，既拓寬了學生的知識面，也使學生通過類比對電磁場波動函數表達式有了深刻而又直觀的理解。

4.仿真軟件在教學中的應用

對于電子信息、通信專業的學生，基本上都會使用MATLAB軟件，并且場與波的分析往往涉及復雜的繪圖和大量的計算，將MATLAB仿真技術應用到“電磁場與電磁波”實驗教學中，十分有助于將抽象的理論變成容易理解、接受的結論，這必將有助于“電磁場與電磁波”的課堂教學。[5]比如，利用MATLAB編寫的程序可以繪制三維矢量的靜態和動態分布圖，給出了均勻平面波、矩形波導的傳輸模和截止模、電流元的電場和磁場的分布圖，這將大大提高同學們的空間想象力和對這部分知識的理解能力。

5.適當的習題練習

對“電磁場與電磁波”課程的學習，不但要有正確的教和學的方法，還要有適當的習題練習。其實，習題都是針對某一知識點的實際應用而設計的，在同學們做習題的過程中一方面幫助他們理解知識點的應用，另一方面也鞏固了課堂老師所講內容。

在課堂教學中，不可能留出時間讓學生來學習題，只能有針對性地來講解有代表性的例題，做習題只讓同學們在課下做，讓同學把遇到的問題匯總起來，在集體答疑的時間來給同學們做詳細的解答。在講義中不但針對每一知識點精心設計應用實例，而且還設計了一定量的習題要求同學們完成。

此外，習題不僅僅是計算，在每一章結束后給學生出了一些思考題，讓學生自己去查找資料來完成。比如假如存在磁單極子，麥克斯韋方程的形式是什么樣的？

四、總結

本文是筆者多年來在“電磁場與電磁波”教學中的一點體會，本課程涉及的基礎知識比較多，對教師的專業課程知識的要求較高，同時需要教師密切結合本校學生的基礎、實驗設備、課時、教學大綱的制訂等實際情況進行分析。教學過程的每一個環節都需要周密思考、認真備課，注意平時在科研項目中隨時積累，在教學中隨時涉獵其他專業的知識。教師的視野開闊了，學生才能在電磁場領域的思維角度開闊一些，能夠掌握宏觀電磁場與電磁波的基本性質及基本規律，培養他們的抽象思維能力，分析解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]田雨波， 張貞凱.“電磁場理論”教學改革初探[J].電氣電子教學學報，2008，30（1）：11-12.

[2]王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場與電磁波[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.

篇3

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）06-0042-02

“電磁場與電磁波”作為光電信息類本科專業的專業基礎課。通過學習，使學生能夠運用場的觀點分析有關問題，完善知識結構，提高專業水平，為后續課程的學習奠定基礎[1]。然而“電磁場與電磁波”卻是公認的難學、難教的專業基礎課程之一[2]。而且，南京郵電大學許多專業開設了“光波導理論與技術”、“光纖通信原理與系統”以及“光纖傳輸技術”等與電磁場與電磁波密切相關的專業課程，對“電磁場與電磁波”的教學提出了更高的要求。

一、“電磁場與電磁波”教學現狀

1.內容多，課時少，缺乏更新。為了適應專業的發展和拓寬學生的知識面，相應地增加了與專業相關的課程，導致“電磁場與電磁波”課時減少。“電磁場與電磁波”的教材大都是面向電子信息類相關專業，且專業課不斷追蹤學科發展前沿，而作為基礎課的“電磁場與電磁波”教學內容得不到及時調整與擴充。

2.知識面寬，理論性強，概念抽象。課程中重要原理、定理和公式比較多，需要許多數學、物理知識。且課程中許多物理場的數學描述，大多需要嚴密的數學推導。另外，電磁場是一種抽象的物質存在形式，課程中的概念比較抽象。

3.純理論教學，缺乏實踐與應用。大多數開設“電磁場與電磁波”課程的院校由于受到實驗條件的限制，只進行純理論的教學，造成理論與實踐、應用脫節。

4.考核方式陳舊。目前的考核方式基本上還是以考試為主、平時成績為輔的考評機制。平時成績主要包括作業和出勤。但作業存在抄襲現象，出勤由于時間問題也只能抽檢。造成平時成績的考核會出現比較大的偏差。

二、提高教學質量的新方法

1.教學內容。①合理調整適合光電信息類專業的教學內容。光電信息類專業開設了“光波導理論與技術”、“光纖通信原理與系統”以及“光纖傳輸技術”等專業課程，與這些專業課程相關的“電磁場與電磁波”內容有時變電磁場與電磁波傳播、導行電磁波、電磁波傳播模式、色散等，應重點掌握這部分內容，因此在學時的分配上，應增加這部分知識的講授時間。而均勻平面電磁波的傳播是電磁波傳播部分的基礎，因而，也應詳細講解與闡述。為了使學生更好地學習有關專業課程，在講授導行電磁波這部分內容時，可以穿插一些與其緊密相關的光波導方面的內容。②緊密跟蹤學科發展前沿動態。為了保證教學內容與時俱進，“電磁場與電磁波”的教學內容應緊密跟蹤學科前沿的發展動態。只有這樣，教學內容才不至于陳舊，落后于當前學科的發展，才能不斷向前發展。近年來，隨著未來寬帶光網絡與無線網絡的發展和融合，高容量信息技術需求的高速發展，出現了微波光子技術。微波光子技術集中了微波技術和光子技術的優點，使微波與光子在概念、器件、電路和系統等方面有機結合。當前，微波光子技術非常重要，發展也很迅速。因而，有必要在“電磁場與電磁波”的教學過程中，適當補充一些與“電磁場與電磁波”教學內容相關的微波光子技術的研究內容與前沿動態，可提高學生的學習與研究興趣，同時，還能夠培養適應當前社會發展需要的新時代的學生。

2.教學方法。①理論知識與實際應用相互交叉教學。學生往往對知識的應用比較感興趣，因而，在理論教學中應緊密聯系實際應用。一開始就要在緒論中介紹電磁波在電力工業、移動通信、射頻識別、衛星通信、雷達探測、隱身技術等領域的應用，提高學生對這門課的興趣。除此之外，還應在理論教學過程中，緊密地穿插一些具體的應用，特別是一些比較新的科技前沿的應用。這樣可調動學生的學習興趣，也可豐富學生的科技知識，從而提高學習與教學效果。②適當借鑒研究性教學。雖然教學手段在技術上不斷更新，卻仍然無法擺脫單純由教師講授的教學模式。而研究性教學是一種新的教學模式，它要求引導學生主動探究、培養學生實踐能力和創新精神[3]。適當在“電磁場與電磁波”中應用研究性教學方法，設置與教學內容相關的研究型課題，引導學生在課堂上進行思考和討論。也可以讓學生以分組的形式，課后利用網絡資源，尤其是圖書館的電子數據庫資源對研究性課題進行研究。一方面可激發學生的學習熱情，加強對所學知識的理解和進行綜合運用的能力，提高學習效果；另一方面，可讓學生獲得研究的經歷，為學生以后的工作和進一步深造奠定基礎。③適當安排實驗教學。“電磁場與電磁波”課程在大部分院校中主要進行理論教學，使學生感覺枯燥無味。為激發學生學習熱情和興趣，可適當安排實驗教學。在沒有實驗設備的情況下，也可以利用Matlab等軟件進行仿真實驗。Matlab擁有大量的二維、三維圖形函數以及豐富的圖形表現功能。利用Matlab可繪制電偶極子和同軸電纜線電場線、等勢線等。也可以進行均勻平面電磁波、球面電磁波在自由空間傳播過程仿真，矩形波導的場量分布仿真等。通過仿真實驗，能夠幫助學生理解抽象的物理內容，激發學生對本課程的興趣，同時也能夠加深學生對基礎知識的理解，鍛煉學生觀察和分析問題的能力，從而培養他們的初步科研能力。④現代教學方法和傳統教學方法相結合。在“電磁場與電磁波”課程的教學中需要綜合利用多媒體和傳統的板書教學手段。充分利用多媒體的強大圖形、動畫功能，可把抽象的內含的物理過程充分演示出來，有效地幫助學生透徹理解物理本質并有效掌握所學內容。另外，由于“電磁場與電磁波”課程具有較多的公式與定理，不僅要知道公式與定理本身的內容，更應知道公式的來龍去脈。而且，在公式的反復推導過程中，可達到復習的效果，牢固掌握以前所學的知識。公式的推導過程如果還利用多媒體，很容易使學生感覺枯燥無味、產生疲勞，而板書則可使推導過程達到最佳效果。

3.考核方式。適當增加筆試以外的成績。可以課堂設置一些基本問題，讓學生課后思考與復習，然后通過抽查的方式以督促學生學習。也可以針對不同的學生設置不同的問題。對學生不定時進行隨堂小測試，以消除因作業存在抄襲帶來成績評定的偏差。另外還可以適當布置Matlab仿真小實驗，現場考察學生的Matlab仿真。通過增加筆試以外的成績評定，這樣可較真實地考察出學生對基礎知識、基本理論的掌握情況以及解決實際問題的能力，也可提高學生的積極性，杜絕個別學生想通過抄襲蒙混過關的現象。

為提高光電信息類專業的“電磁場與電磁波”課程的教學質量，不僅要求教師在教學中不斷探索新的教學方法以激發和培養學生的學習興趣，而且要求教師本身還要不斷地提高自己的業務水平，特別是科研水平。只有這樣，才能不斷提高教學質量，培養適合社會需要的新型人才。

參考文獻：

[1]關建飛，倪新建，徐寧.光電信息類本科專業《電磁場理論》教學改革研究[J].中國科技信息，2010，（14）：206-207.

篇4

中圖分類號：U675.74 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0139-02

引言

雷達既是艦船日常航行中定位、導航和避碰的主要設備，又是艦艇海上作戰時搜索警戒、火炮控制和導彈制導的重要裝備，因此作戰艦艇根據不同的任務和使命裝備有十幾種甚至幾十種雷達，這些雷達的作用距離對艦船的航行安全有一定的影響，同時對艦艇的作戰效能也有制約作用。雷達的作用距離除了與雷達本身戰術技術性能、天線高度、目標高度、目標反射電磁波的性能等條件有關外，還與傳輸電磁波的大氣狀況密切相關。對于處于海面上的艦載雷達而言，大氣對電磁波的吸收衰減作用使雷達的作用距離減小；大氣對電磁波的折射作用，會出現負折射和超折射等異常折射現象，其中次折射也會使雷達的作用距離減小，而超折射則會使雷達的作用距離增大。特別是當超折射嚴重而出現波導現象時，雷達的作用距離將成倍地增大，實現所謂超視距探測。這種現象在我國沿海的各海區都經常出現，如在黃海北部活動的艦船，有時雷達發現目標距離會比正常情況增大2～3倍。同樣，這種電磁波超視距傳播現象在世界各地海域都存在，尤其是在中東一帶更是頻繁地出現。由此可見，氣象因素對雷達作用距離的影響程度是很大的，如果能夠準確掌握氣象因素對雷達作用距離的影響規律，將有利的條件加以充分地利用，對艦船的軍事行動具有重要的意義。

1 氣象因素對大氣折射的影響

1.1大氣折射的類型及其存在條件

通常，對流層中空氣的折射率不為1，在地面附近其值一般在1.00025～1.00045之間變化。對于頻率在1～100GHz范圍內的電磁波，大氣折射率n或折射指數N可表示為大氣溫度T（單位：K）、大氣壓力P（單位：hPa）和水氣壓e（單位：hPa）之間的函數[1]：

（1）

當電磁波傳播距離很短時，可近似認為地球表面為平面，但若傳播距離較長時，就必須考慮地球曲率的影響，為了將地球處理成平面，通常使用進行了地球曲率訂正的大氣修正折射率m和大氣修正折射指數M，其表達式為

（2）

式中：R= 6.371×106m為平均地球半徑，h為地表以上高度（單位：m）。式（2）可簡化為：

（3）

由于大氣層大氣分布的不均勻性，上下大氣層的折射率不同，因而電磁波通過不同折射率的大氣層時將產生折射，折射的程度和方向將取決于大氣層折射率垂直梯度的大小和正負。大氣折射指數隨高度變化的垂直梯度可通過折射率對高度求導得到，即將式（1）、（2）各物理量對高度求導：

（4）

（5）

式中：分別為大氣壓力、大氣溫度、水氣壓隨高度變化的垂直梯度。

當大氣折射指數垂直梯度dN/dh>0時，電磁波的傳輸軌跡將背著地球向上彎曲，此時的大氣為負折射；當dN/dh=0時，電磁波的傳輸軌跡不發生彎曲而沿直線傳播，此時的大氣為零折射；當dN/dh

1.2異常大氣折射的形成規律

由式（4）可知，大氣折射指數垂直梯度與大氣溫度、壓力、濕度的垂直梯度相關，其中水氣壓梯度前的系數最大，因而對大氣折射指數垂直梯度的影響最大，大氣溫度梯度的影響次之，大氣壓力梯度的影響最小。因此在分析氣象要素對大氣折射的影響程度時，可先考慮水氣壓梯度的變化，其次考慮大氣溫度梯度的變化，至于大氣壓力梯度的影響可忽略不計。

在海洋環境中[2]，一般情況下在大氣較穩定的晴好天氣里，此時大氣往往有一個比較穩定的逆溫層，并且大氣濕度隨高度遞減，容易出現超折射或波導現象。典型的天氣有：

（1）在晴朗無風的天氣背景下，海面夜間輻射降溫，形成一個近地層的輻射逆溫層。

（2）干暖氣團從陸地平移到濕冷的海面上空時，形成近地層大氣溫度下冷上暖，濕度下濕上干的狀況。

（3）雨后造成近地層下層大氣又冷又濕的情況。

（4）夏季海面水汽蒸發，使海面上很小高度范圍內的大氣濕度隨高度銳減。

只有當大氣溫度隨高度迅速下降或大氣濕度隨高度遞增時，才能夠形成負折射現象。負折射一般發生在高緯度寒冷的陸地和冰山附近，當有冷濕氣團移到溫暖的海面上空時候。

2 大氣折射對雷達作用距離的影響

當電磁波在無折射的大氣中傳播時，其路徑為一直線，此時雷達發現目標的距離受地球曲率的影響，其大小為[3]：

（6）

式中：R為地球平均半徑；h、H分別為雷達天線和目標的高度。

由于受大氣折射的影響，電磁波的實際傳播路徑為一彎曲的曲線，采用修正地球半徑的方法對式（6）進行修正，即把在地球上成曲線傳播的射線轉化為在另一假定半徑為Re（ Re稱為等效地球半徑）的地球上成直線傳播，則在一般大氣條件下雷達的目標能見距離公式為：

（7）

等效地球半徑Re與地球平均半徑R的關系[4]，可以通過二者與電磁波傳播路徑曲率半徑ρ、大氣折射率垂直梯度、電磁波發射仰角θ等之間的關系推出：

（8）

設稱為等效地球半徑系數。則，式（7）變為：

（9）

3 雷達作用距離的預測方法

充分利用我國在沿海主要港灣都設有氣象觀測站和雷達站這個有利條件，長期系統地觀測海上來往艦船及當時的氣象條件，并將實測數據進行登記、積累和整理，統計分析各種氣象條件下等效地球半徑系數K和雷達探測距離的變化規律。

3.1 等效地球半徑系數K

測量大氣折射率梯度的方法很多。由于大氣折射率是大氣溫度、氣壓和濕度的函數，采用系留探測儀器和無線電探空技術測量大氣溫度、氣壓和濕度的垂直變化后可間接得到大氣折射率梯度。也可以通過微波折射率儀直接測得。前一種方法主要適用于高度較高的中低空情況；而對于貼近海面的情況，由于高度較低探空儀的滯后性及測量誤差達不到精度要求，因此只能采用體積小、精度高、響應速度快、采樣率和自動化程度高的微波折射率儀直接測量大氣折射率。

微波折射率儀的工作原理是測量通過腔體的空氣折射指數的變化δn引起的諧振頻f 的變化δf[5]，腔體是兩端局部開口的圓柱形諧振腔體，能保證氣流自由通過。微波折射率儀通過測量這一頻率變化量得到空氣折射指數。測量時，微波折射率儀需做勻速升降運動（升降速度約為0.1m/s）以測量不同高度上的大氣折射率。此種方法對于高度在海面上30m范圍內的氣象要素觀測尤為合適，且適用于氣象臺、海洋調查船或艦載直升機上使用。

為全面系統地積累相關資料，氣象臺需每天定時多次進行觀測，根據測出的大氣折射率梯度dn/df計算出相應的K值，將長期觀測的數據進行統計分析，找出其隨地理環境、季節、時間、氣象條件等因素的變化規律。實際應用時，可根據氣象臺當天的實測結果，算出等效地球半徑系數K值，再結合天氣的變化趨勢和K值變化規律，對其進行修正，最后用（9）式計算出雷達能夠發現目標的距離。

3.2經驗公式

由雷達站長期系統地實際觀測海上往來艦船，并按月、日、時和艦船類型、氣象等情況，將獲得的觀測數據加以整理，從而得出雷達在該海區作用距離隨季節、月、日、時變化的規律，并根據實測的雷達數據對雷達能見距理論計算公式加以修正，總結出經驗公式。

在標準大氣條件下，等效地球半徑系數K=4/3，將此值和地球平均半徑值代入，得到雷達能見距公式：

（10）

受氣象因素的影響，實際觀測的雷達作用距離與式（10）計算的結果有出入，可以用加修正量K′的方法對式（10）進行修正。即：

（11）

系數K′隨季節和天氣的變化而變化，它是根據該海區實際觀測統計的中位值計算而得。表1是根據某年我們在某海區連續21個月觀測的3405個雷達發現目標距離的數據進行統計和分析后，得出的該海區各月雷達發現距離修正系數K′。

由于K′值是經驗數據，在實際應用時還應該根據當時的氣象條件進一步分析和修正。如果在各海區都能堅持長期不間斷地測定、積累各種氣象條件下的K′值，將結果存儲于計算機中，實際應用時根據當時的季節、日期、時間以及氣象條件等，由計算機得出相應的K′值通報艦艇，將更加有利于實際應用。

4 結束語

雷達的作用距離是艦艇海上作戰時的重要指標，掌握不同海區雷達探測目標的距離規律，并準確預報出可能的目標能見距離，在軍事上具有重要的意義。例如，在艦艇實施導彈攻擊時，既要求在盡可能遠的距離上發現目標并實施攻擊，又不能使雷達過早開機而暴露自己。此時預測雷達發現目標距離就顯得尤為重要，將直接影響到作戰的成效。因此世界各國對雷達能見距離的預報都非常重視。早在20世紀50年代，前蘇聯就明確規定，海戰中氣象部門要為艦艇部隊提供海上雷達能見距離的預報。我們也應該充分重視并系統研究氣象因素對雷達作用距離的影響，進一步建立和完善氣象和雷達觀測體系，形成數據收集積累、統計、總結和預報制度，使艦艇在雷達使用中做到揚長避短，提高作戰效能。本文對氣象因素對雷達作用距離的影響及其預測方法的分析研究還處于初級階段，有待于今后進一步的深入研究。

參考文獻

[l]姚展予.大氣波導特征分析及其對電磁波傳輸的影響[J].氣象學報，2000，58（5）：605-615.

篇5

“電磁場與電磁波”課程是電子信息類本科各專業學生必修的一門核心基礎課。學好這門課，對培養學生樹立嚴謹的科學思想、科學分析問題的方法、復雜抽象的思維能力、勇于開拓的創新精神等將起著十分重要的作用，并且引導學生思考學習麥克斯韋方程組過程中的科學方法論-對稱性思想，這對他們日后工作實踐具有強大的指導性意義。

一、“電磁場與電磁波”課程教學現狀

由于電磁現象比較復雜和抽象，研究它需要的數學工具多且難，教學過程中感到困難，特別是利用理論解題和實際應用更覺得難。

1.在學習中存在的狀況

一是推導和計算難。課程中所涉及的公式多、表達式復雜、數學要求強。再推導中運用到矢量運算、微積分方程以及復數運算，過程繁雜，往往顧此失彼，學習吃力。二是概念抽象。該課程理論性強，概念抽象，對一些定理及概念，比如說惟一性定律、內自感、外自感等等概念難理解，物理概念不熟悉，學習難度大。三是解題困難。很多學生反應上課認真聽講，下課花大量時間推導公式，可遇到習題又像到另外一個世界，完全無從下手。長此以往，失去學習的興趣。

2.在教學過程中存在的狀況

第一，電磁場與電磁波課程涉及大量的公式推導，部分教師尤其是青年教師往往注重數學計算，而忽略了其物理意義，容易使該課程失去其意義。第二，課程系統性強，注重介紹其理論基礎知識，忽略與實際應用的聯系，容易讓學生產生“學習這門課有何用”的疑惑，不能調動起學生的學習積極性。

基于以上特點，對于電磁場與電磁波這門課，學生普遍認為“難學”，教師普遍感到“難教”。

二、教學方法的探討

1.理論聯系實際，調動學習積極性

電磁場與電磁波以三大實驗定律(庫侖定律、安培定律和法拉第電磁感應定律)和兩個基本假說(有旋電場的假說和位移電流的假說)為基礎，歸納總結出宏觀電磁現象的普遍規律―麥克斯韋方程組，然后再從麥克斯韋方程組（即時變場）出發，回顧靜態場，這時我們可以把靜態場歸結為時變場的一種特殊情況，用麥克斯韋方程組和其輔助方程來解決我們所遇到的具體的電磁問題。這樣就使我們電磁場與電磁波這門課的內容簡化為對麥克斯韋方程組的理解和應用，學起來也就簡單容易，更有利于學生自主學習。在強調對概念的理解上，應該增加與實際相聯系的內容和問題，用課本的理論來解釋日程生活中的事例，以調動學習的積極性。

比如在講解靜態場時，由電磁學的庫侖實驗定律和安培定律分別引出靜電場、恒定磁場的概念，并掌握靜態場的方程及其物理意義，并介紹靜電場的最常見的一個應用就是帶電粒子的偏轉，像控制電子或是質子的軌跡。很多裝置，例如陰極射線示波器、回旋加速器、噴墨打印機以及速度選擇器等都是基于這一原理的。隨著學生對靜態場的逐漸了解，問題也就解決了。在介紹時變場時，重點放在麥克斯韋方程組及其物理意義上，引導學生從該方程組出發，推導出波動方程、邊界條件等方程。又比如，在學習均勻平面波的傳播時，應該幫助學生建立起電磁波的概念，并對現實生活中遇到的電磁波傳播問題進行討論，再向學生提出幾個應用問題：為什么海水中需要用長波通信？防輻射孕婦裝為什么能起到防輻射作用？為什么在微波爐加熱不能用金屬托盤？收音機和電視的天線架設為什么不同？為什么隱形飛機雷達探測不到？等等，引導學生去尋找電磁波的應用，在工程實踐、科學研究、日常生活，乃至現代戰爭中都能找到電磁場應用的實例。通過這部分理論知識的講授，學生對這些問題有了較深的認識，經過發現提出問題、解決問題的過程，學生對本課程的興趣越來越濃厚，學習目的也非常明確了。

2.板書與現代教學手段相結合

多媒體計算機和網絡教學以其豐富的媒體表現形式、強大的教學交互功能和方便自由的自主性學習特性，對于提高學生的知識水平、培養學生的信息素養、培養學生的創造思維有著傳統教學無法比擬的優勢。但運用多媒體進行教學不能完全拋棄傳統板書，尤其是“電磁場與電磁波”課程公式多，推導復雜，兩者應有機結合起來，并把多媒體教學作為一種輔助教學手段。當進行公式的推導與分析時，應采用板書為主要方式，學生容易對復雜公式理解和接受，同時又引導思路，而不是一頁幻燈片過去，學生不知道講解了什么。但在介紹一些抽象的概念時，利用多媒體技術和仿真技術制作的CAI課件相結合，把復雜抽象的內容用生動形象的方式表達出來，圖文并茂，形象直觀，可以幫助學生對學習內容的理解。

下面以介紹波導的場結構教學為例，教師可以在教學過程中插入波導場結構的動畫效果，其截圖如圖1，通過動畫效果演示不僅能夠提高學生學習波導的積極性和主動性，而且能夠鼓勵并引導學生的好奇心、求知欲、想象力、創新欲望和探索精神。

圖1 波導的場結構

3.梳理知識系統，學會舉一反三

電磁場與電磁波解題困難，其主要原因是其求解過程不僅僅是一個數學問題，更主要是一個物理問題。只有把其中內含的物理過程分析明白，運用好數學知識，才能充分理解問題的實質，找到正確的求解方法。對于大三學生來說，有必要增加對前面相關內容的回顧，如矢量的通量、環量及矢量運算等。在學習過程中，要加強前面知識的回顧和應用，比如介紹動態位函數時，先回顧靜態場中位函數的引入、位函數滿足的方程、以及位函數的定義表達式以及應用，進而推導出動態位以及滯后位的相關理論，有利于學習的連貫性。又例如在介紹平面波時，結合波動方程分析平面波的傳播、入射和反射等波動特性等等。鼓勵學生在做具體的題目時，做完后反思這題所涉及的知識及能力要求符合教學大綱的哪一部分內容，跳出題海戰術，學會舉一反三，更有助于加深學生對于電磁場與電磁波的認識。

“電磁場與電磁波”課程難學難教，而掌握本課程的理論基礎知識，對電子信息工程與通信工程專業的學生來說又非常重要。我們將進一步合理運用新的教學手段，提高教學質量，在理論教學中注意結合具體的應用問題講述，鼓勵學生主動學習、積極思考。

參考文獻：

[1]孫玉發，尹成友，郭業才等.電磁場與電磁波[M].合肥：合肥工業大學出版社,2006

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0 引言

“電磁場與電磁波”是通信工程專業、電子工程專業一門專業主干課，因為大多電子信息的傳播都是通過電磁場和電磁波來傳遞的，所以電磁波技術不僅廣泛應用于通信技術、廣播電播、電視技術、雷達測試技術、遙測遙控監測技術等眾多領域中，同時信息安全技術問題、電磁兼容、電子對抗和電磁屏蔽等技術問題的研究也必須依賴于電磁場理論。一些重要的發現和發明都是以電磁場理論的研究為基礎的，如指南針、電話、電報、電動機和發電機等，特別是無線電技術，完全是在電磁場理論研究的基礎上發明、發展起來的。而且，隨著我國信息科學技術的迅速發展，電磁場理論與微波技術在通信工程專業、信息工程專業、信息對抗專業和信息安全專業等人才的培養過程中顯得尤為重要。

1 現狀

“電磁場與電磁波”的主要內容包括：矢量分析、靜態場分析、動態電磁場的概念、原理、分析方法和相關應用，電磁波在無界空間中的傳播，電磁波在有界空間中的傳播，這是是一門難度系數較大的課程，與前期相關課程聯系緊密，如求解場的大小和方向時涉及到高等數學和大學物理學的知識，同時還要求學生具有一定的空間想象能力、抽象思維能力和邏輯推理能力。總的來說來說其難點主要體現在要求學生具有較高的空間想象力和較強的數學計算能力。

1.1 學習中的問題

學生在學習中存在的問題主要體現在兩方面：一是，推導和計算難，課程中所涉及的公式多、表達式復雜、數學要求強。如果再在推導中運用到矢量運算、微積分方程以及復數運算，過程繁雜，往往顧此失彼，學習吃力。二是，概念抽象，該課程理論性強，概念抽象，對一些定理及概念，比如說惟一性定律、內自感、外自感等等概念難理解，物理概念不熟悉，學習難度大。三是，解題困難，很多學生反應上課認真聽講，下課花大量時間推導公式，可遇到習題又像到另外一個世界，完全無從下手。長此以往，失去學習的興趣。

1.2 在教學中中存在的問題

第一電磁場與電磁波課程涉及大量的公式推導，部分教師尤其是青年教師往往注重數學計算，而忽略了其物理意義，容易使該課程失去其意義。第二，課程系統性強，注重介紹其理論基礎知識，忽略與實際應用的聯系，容易讓學生產生“學習這門課有何用”的疑惑，不能調動起學生的學習積極性。第三，由于電磁場與電磁波先修課程高等數學和大學物理，由于一些原因在電磁場與電磁波的教學中有時會出現知識銜接的問題。

2 改革的思路

電磁系列課程教學內容和方法的改革必須從以下幾個方面來進行：教育觀念和理念的更新；專業技術基礎課地位與內涵的再認識；課程體系和教學內容的改革；考試制度及方法的改革；網絡課程和雙語教學的初步嘗試。通過這些方面的研究和實踐，以取得較好的改革效果，電磁系列課程教學改革的實踐應該采用全方位、立體化、多視角的教學模式，發揮教師的主導作用，確定學生的主體地位；想盡一切方法，采取一切手段，努力幫助學生開拓思路，激發潛能；在教給學生專業知識和學習方法的同時，全面培養他們的創新意識、實踐能力和綜合素質。

提高學生興趣，興趣是最好的老師。比如，在剛開始學習均勻平面波的傳播時，讓學生們自由討論現實生活中遇到的電磁波傳播問題，再向學生提出幾個應用問題：為什么海水中潛艇之間的通信困難？如何防止室內電子設備受外界電磁波干擾？為什么在微波爐中牛肉能熟，而盛牛肉的盤子確不會烤焦？中波廣播天線架設為什么與地面垂直？學生帶著這些問題學習，當遇到這些問題，他們無法解決時，就想盡快知道解決問題的辦法。通過這部分理論知識的講授，學生對這些問題有了較深的認識。經過了這樣多次提出問題、解決問題的過程，學生們對本課程的興趣越來越濃厚，學習目的也非常明確了。

3 改革的方法

改變教學重點，對于靜態場問題，不做大量的講解分析。通信工程專業在后續學習中，更多的是應用電磁場的傳播分析問題。大量的靜態分析不僅耗費大量的時間和精力，而且讓學生一開始就陷入茫然畏難之中，后面更實用的內容反而不能取得較好的教學效果。但靜態場是動態場的基礎，所以不能直接從教學中劃出，實際教學中采用的辦法是，僅僅討論點電荷的散度，旋度，其他復雜情況不做討論。而麥克斯韋方程不做過多的推導，直接給出結論，視其為“公理”，后續內容全部從麥克斯韋方程出發進行分析。

對于一些抽象的現象用Flas播放，對于一些復雜公式則在黑板上板書推導。如講解經典的Maxwell方程組時，Maxwell方程組第二方程即法拉第電磁感應定律，借助一個Flas演示發電機的工作原理，生動形象，Maxwell方程組的第一方程提出了位移電流的假設，如果從理論上講解會比較容易混淆，把Maxwell測試位移電流的實驗用Flas或Ansoft Maxwell軟件演示， 學生一看就明白了，且調動了學生的學習興趣。

篇7

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）15-0118-02

電磁場與電磁波是電子信息類本科各專業學生必修的一門重要的學科基礎課程，所涉及的內容是電子信息類本科學生知識結構的必要組成部分，對學生專業素質的培養和提高起很大的作用。所以，2014年成功申報成為長春理工大學優秀課程。本文主要總結《電磁場與電磁波》優秀課程建設的教學經驗和方法及教學手段等，分別從理論教學和實驗教學兩個方面對教學內容、教學方法和教學手段等進行探討。

一、《電磁場與電磁波》教學內容的調整

1.教學大綱的調整和修訂。①根據培養方案提高學生實踐能力的要求，《電磁場與電磁波》在內容體系結構上做了一些調整，為此修訂教學大綱，學時數由原來的理論64學時改為到理論48學時+實驗8學時，使學生既能掌握基本理論又能打下應用基礎，同時既突出基礎性和知識體系的完整性，盡量避開繁雜的推導，注意理論與實際應用的結合，使學生易于接受。②為了加強實踐環節的教學力度，增設8學時實驗課程。根據實驗教學大綱，編寫實用的實驗指導書，保證工科學生工程能力的提高。實驗教學層次分明，學生實驗興趣得到提高，達到最佳實驗效果。

2.課程內容體現學科前沿技術，理論與工程不脫節。《電磁場與電磁波》的前修課程是高等數學、工程數學、大學物理，是學生學習后續課程微波技術、天線、光技術、雷達技術、電氣技術、電子對抗等的基礎，在學科建設與發展中起著承上啟下的作用。因此，本課程在專業培養目標中的定位為：承上啟下，重在基礎，開拓創新，引領未來。電磁場主要讓學生掌握分布參數系統的主要理論、分析方法、長線理論及常用傳輸線，為以后從事微波電子應用技術、通信工程準備必要的理論基礎。該課程理論嚴謹，邏輯性強，對培養學生邏輯思維能力、獨立分析能力和解決問題的能力及理論聯系實際的能力，都有很重要的作用。

從課程內容上，主要從理論和實驗兩個方面體現學科前沿：①《電磁場與電磁波》課程的工程性很強，因此教師在課堂理論教學中，經常從電子與信息科學領域、電磁科學領域取得一系列重大成就出發，將能反映近代科學技術的成就和一些對學生有重要意義的工程內容，引入課堂講解，通過講解例題、建立習題、精選前沿內容作為選修內容方式，將相關內容引入本門教材和教學內容中。同時，建立網絡課程，加強網絡資源建設，不斷充實課程資源，完善網絡教學，不斷收集最新的科技成果補充到網絡教學中。②加強《電磁場與電磁波》課程實踐課和理論課的結合與滲透，培養學生解決實際問題的綜合能力，理論教學與實踐教學密切相關。根據實驗教學的要求，保證理論教學為實踐教學打好堅實的理論基礎，讓理論課教師參加實驗教學，及時與學生溝通，了解學生掌握知識的情況與興趣所向。與上述教學內容改革相適應，自編出版相應的實驗教材《電磁場與電磁波實驗指導書》，并在教學中采用。

二、教學方法改革

針對《電磁場與電磁波》課程理論性強，抽象，公式多，這種情況，我們在教學過程中對《電磁場與電磁波》課程的教學方法進行改革和探索，采用多種有利于培養學生自主學習能力和創新能力的方法，總結一些有成效的舉措和經驗。

1.采取小班授課，讓學生積極參與。針對學院通信系大珩班的高要求，對大珩班采用小班授課，在教學過程中采用提問、討論、測驗等方式，同時給學生有在同學面前講解習題、大量練習的機會，激發學生學習興趣，調動學習主動性，教學效果非常明顯。

2.采用隱性分層，分類指導。根據不同學生認知水平的差異，結合“以學生的發展為本”的前提，采用隱性分層法教學，遵循“因材施教”的原則，面向全體學生，為每個學生提供適合各自發展水平和接受能力的電磁場相關教學，使各層次學生學有所成，感受到學習《電磁場與電磁波》的樂趣。

3.采用實例進入課堂，提高課堂效率。對于大班授課的課堂，在課程建設過程中，加大理論課堂教學投入，把可以在課堂上演示電磁波的相關內容制成動畫，把前沿科學技術制成視頻帶入課堂，使課堂內容直觀、充實。

4.采用理論實驗相結合。加強《電磁場與電磁波》課實踐課和理論課相結合與滲透，培養學生解決實際問題的綜合能力。理論教學與實踐教學密切相關，根據實驗教學的要求，保證理論教學為實踐教學打好堅實的理論基礎，讓理論課教師參加實驗教學，及時與學生溝通，了解學生掌握知識的情況與興趣所向。

三、教學手段改革

1.電磁場與電磁波程采用全方位、立體化、多視角的教學模式，發揮教師的主導作用，確定學生的主體地位。結合“電磁場與電磁波”課程理論性強、信息量大、概念抽象等特點，采用多媒體教學方法，通過形象化的動態過程演示，根據《電磁場與電磁波》課程內容的發展修改課件，加入錄像實例等，達到良好的教學效果。

2.教學過程中需要規范的板書，使課堂的條理性和層次性更加清晰，因此進一步把傳統授課手段和多媒體教學等現代教育技術手段恰當地組合，揚長避短，達到理想的教學效果。

3.不斷豐富網絡教學資源，把相關教學課件、教案、大綱等上傳到網絡課程，在課后鞏固環節中，要求學生自主學習，充分利用網上教學資源，進行課前預習、課后復習，真正提高教學效果。

4.完善試卷和成績分析。根據長春理工大學《長春理工大學關于試卷評閱與歸檔的管理辦法》，課程組要求教師明確試卷評閱教師責任，采取統一評分標準和集體流水閱卷的方式進行評卷。閱卷完成后，必須進行試卷和成績科學、客觀的分析，組織課程組教師對考試結果進行總結經驗，指導教學。堅持對試卷歸檔，統一管理，保證試卷歸檔的完整性與準確性。近3年，《電磁場與電磁波》考試成績分布基本合理，成績單記載清楚、規范。試卷和成績分析科學、客觀，并能反饋指導教學，較好地反映學生的學習情況。

四、實驗教學環節建設

電磁場與電磁波實驗是理論課教學的一個重要組成部分。根據教學的基本要求以及電子學人才培養的需要，課程組整合實驗課程和教學內容，形成從基礎訓練到系統設計的完整的實驗教學體系，使學生能夠在理論課學習的基礎上，由淺入深地學習電磁場與電磁波的相關知識，為射頻電路設計、無線通信技術、光纖通信、衛星通信等相關領域的課程學習和科研打下堅實的基礎。

1.修訂實驗教學大綱，編寫實驗指導書。為了適應開放實驗室的要求，實驗教材既有實驗理論教學內容，又有實驗操作的教學內容，實驗教學層次分明，既包括基本部分實驗內容、設計性部分實驗內容，也包括綜合性部分實驗內容，添加探究創新的部分內容，提高學生實驗興趣，激發創造性的思維，達到最佳的實驗教學效果。

2.加強《電磁場與電磁波》課實驗課和理論課的結合與滲透。根據實驗教學的要求，讓理論課教師參加實驗教學，保證理論教學為實踐教學打好堅實的理論基礎，使理論教學與實踐教學緊密結合，培養學生解決實際問題的綜合能力。

3.利用網絡資源，建立開放實驗室。利用國家級實驗中心的優勢，建立開放實驗室，學生可以利用網上預約系統自主預約，進行實驗。同時，根據實驗教學的特點，把實驗內容、實驗要求、實驗考核方法、儀器設備使用手冊、器件數據手冊等教學資源制成網絡課程上傳至網絡，讓學生自主下載學習、交流，開闊思路。

五、優秀課程教材及相關資料建設和選取

1.教材選用國家“十五”、“十一五”規劃等教材。①謝處方、饒克謹，《電磁場與電磁波》（第四版），北京：高等教育出版社，2006年普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。②蔡立娟、陳宇，《電磁場與電磁波實驗指導書》，長春理工大學校內教材，2010年。

2.參考教材。①鐘順時，《電磁場基礎》，北京：清華大學出版社，2006年，21世紀高等學校電子信息工程型規劃教材；②焦其祥等，《電磁場與電磁波》，北京：科學出版社，2005年，21世紀高等院校教材；③王新穩、李萍，《微波技術與天線》，北京：電子工業出版社，2002年，21世紀高等學校電子信息類教材；④馮慈璋，《電磁場》，北京：高等教育出版社，1999年，高等學校教材。

3.為了提高學生對理論課程的理解，課程梯隊提供大量的輔助教學資料。例如，制作《電磁場與電磁波》教學課件，推薦課外輔導書、指導光盤等，建立習題庫等。為了促進學生自主學習，擴充知識面，學院資料室向學生全面開放。學院資料室現藏書兩萬余冊，期刊一百余種，其中與本課程相關書籍或期刊500余種，許多參考書配有參考課件、光盤，可供學生課堂內外使用，效果良好。另外，學校網絡資源豐富，學生可以充分利用網絡資源和多媒體課件，收集、閱讀相關知識，提高學習興趣。

長春理工大學《電磁場與電磁波》優秀課課程組將繼續在教學中不斷摸索、前進，進一步提高教學質量，服務學生與社會。

參考文獻：

[1]羅三桂.現代教學理念下的教學方法改革[J].中國高等教育，2009，（6）：11-13.

[2]李慧，劉克平，尤文.自動化專業精品課建設的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，（10）：306-308.

篇8

Abstract: the working principle of the analysis of geological radar, familiar with the principle of geological radar data processing and interpretation, by some engineering foundation raft concrete defect master the practical application of geological radar, and compares with conventional detection methods, thus a more in-depth understanding of geological radar in the application of mass concrete defect detection.

Key words: geological radar; Nondestructive testing; Concrete; defects

中圖分類號：P412.25文獻標識碼：A文章編號：2095-2104(2013)

1引言：

地質雷達(ground probing/penetrating radar，簡稱GPR)是一種新型地下探測與混凝土無損檢測設備。其主要原理就是用天線發射高頻電磁波，傳感器接受目標介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場分布與波形隨所穿透介質的電性質和幾何形態而變化。因此根據接收到波的雙程走時、波幅與波形資料的分析處理，可以推斷結構內部的實際狀態。雷達在工業與民用建筑無損檢測中的應用主要包括混凝土結構構件尺寸、鋼筋分布、空洞、裂縫、不密實度及其它隱蔽工程探測等方面，這些項目所要求探測深度一般在幾米內，但要求分辨率較高。

2地質雷達的工作原理：

地質雷達利用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其內部形態和位置，其理論基礎為高頻電磁波理論：高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過發射天線被定向送入被測介質，經存在電性差異的目標體或界面反射后返回并由接收天線接收。反射電磁波經過一系列的處理和分析之后可以得到探測介質的有關信息。其檢測原理如下圖所示。

圖1雷達探傷原理示意圖

地質雷達在混凝土檢測中基本參數如下：「1

2.1電磁波旅行時間：

其中為檢測目標體的埋深；為發射、接收天線間的距離（可忽略）；為電磁波在介質中的傳播速度。

2.2電磁波在介質中的傳播速度：

其中為電磁波在真空中傳播速度（0.29979m/ns）;為介質的相對介電常數，為介質的相對磁導率（一般為1）。

2.3電磁波反射系數：

電磁波在介質傳播過程中，當遇到介電常數存在明顯差異的現象時，電測波產生的反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關：

其中為第一層介質的相對介電常數；為第二層介質的相對介電常數。

由此可知,界面兩側介質電磁特性差異越大，反射波幅越強；波從介電常數大的介質進入介電常數小的介質時，反射系數為正，反射波振幅與入射波同向；反之，反射系數為負，反射波振幅為反向。從反射波振幅和相位上可以判定反射界面兩側介質的性質。

本次檢測涉及的介質為空氣、混凝土、鋼筋，幾種介質物性存在明顯差異，其形成的反射是地質雷達檢測的基本前提。

2.4地質雷達記錄時間和勘察深度的關系：

其中為檢測目標體的埋深；為雷達記錄時間。

3資料處理：

地質雷達(GPR)數據處理是地質雷達應用過程中最重要的一個環節，由于混凝土各組成成分對電磁波不同程度的吸收和反射，以及本身的不均勻性等，使得雷達脈沖回到接收天線時波幅減小，波形也與原始發射波形有較大的變化。另外，不同程度的各種干擾和隨機噪聲，也歪曲了實測數據。因此，必須對原始數據進行處理工作，以改善數據資料，為最終地質解釋提供清晰可辨的雷達探測圖像。數據處理的一般流程如下：

圖2 資料處理流程示意圖

4資料解釋原則：

對雷達剖面圖像進行解釋的基礎是提取反射目標，只要被測介質中存在電性差異，就可以在雷達剖面中找到相應的反射波，根據相鄰道上反射波的對比，把不同道上同一個反射波的同相相位“連接”起來形成“同相軸”。地質雷達資料解釋依據主要是雷達波同相軸的連續性和波形的變化、相位的變化。

5混凝土缺陷檢測：

因甲方對某工程筏板基礎混凝土澆筑質量存在懷疑，特委托我公司檢測該筏板基礎混凝土是否存在空洞、氣泡、不密實、鋼筋位移等缺陷，并指出缺陷的具置以及大小，我公司采用地質雷達對該筏板進行無損探測。

現場檢測前應了解探測目標體與其所在環境條件，例如目標體深度、尺度、要求分辨率、目標體電性與周圍介質電性以及現場環境是否存在大體積金屬構件或電磁波反射界面等，這些是確定雷達測試能否進行以及選擇雷達配置與參數的重要因素。

5.1測量儀器：本次檢測采用的是SIR-20型地質雷達（美國GSSI公司），數據存儲為為外接筆記本。

5.2天線選擇：天線中心頻率的選擇需要兼顧目標深度、目標最小尺度、分辨率要求及場地條件等因素，「2選用1.5GHz屏蔽天線（美國GSSI公司）。

5.3測線布置：本次被測目標為筏板，測試應按網格狀布置，為避免漏測，測線間距應小于被測缺陷水平尺度，依據預計缺陷大小，采用0.5m×0.5m網格。

5.4測試方式：本次檢測采用剖面法，即發射天線和接收天線以固定間隔沿測線同步移動，移動過程中，得到由一個個記錄組成的剖面圖，橫坐標為天線走程，縱坐標為由雷達脈沖“雙程走時”換算來的目標深度。為更好地對目標體界面進行連續追蹤，采用連續采樣。

5.5資料解釋：當混凝土密實時，反射波衰減速度基本一致，波振幅比較均一、同相軸比較連續。混凝土密實或沒有空腔時，地質雷達不會有特別強的反射信號，雷達圖像中表現為無多次波（圖3a）；

圖3a正常筏板混凝土 圖3b 存在帶狀氣泡筏板混凝土

當混凝土內部出現裂縫時，裂縫處由于空氣的存在反射波衰減速度較慢，在圖像上會顯示同相軸錯斷的特征。同理，混凝土內部出現空腔或氣泡時，圖像上會顯示出同相軸局部錯斷的形態，地質雷達會有明顯的強反射信號（圖3b、圖3c）；

圖3c 有空洞筏板混凝土圖3e 不密實筏板混凝土

當混凝土不密實時，反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續，較分散（圖3e）；

當混凝土內部有鋼筋且鋼筋走向和雷達天線移動方向垂直時，則在圖像上會顯示出大的圓弧特征（圖3f）。若鋼筋走向與天線移動方向平行，則會顯示出波形粗黑的特征（圖3g）。

圖3f鋼筋垂直天線方向 圖3g鋼筋平行天線方向

5.6檢測結果：該工程多處筏板距表皮10～20mm范圍內存在帶狀氣泡，局部位置存在空洞及疏松，但未發現裂縫。鋼筋間距及保護層厚度比較均勻，與設計值無較大偏差。

6比對試驗：

采用微破損試驗與地質雷達探測缺陷結果進行比對，依據雷達檢測結果現場鉆取芯樣，經觀測，空洞、不密實位置及幾何形態與雷達檢測結果基本相符，氣泡位置及分布與雷達探測結果相同。采用鋼筋測定儀對鋼筋位置進行檢測并配合現場剔鑿驗證，結果與地質雷達檢測結果基本相符。這就充分驗證了地質雷達檢測大體積混凝土準確性。

7結語：

相對于鉆芯法、電磁感應法，雷達法是一種新興的無損檢測技術。其具有對混凝土穿透力強、探測深度大等優勢，并且可通過改變頻率來實現探測深度和分辨率的調換。所發射雷達波具有極化特性，可以確定缺陷的形狀、位置及走勢，且成像迅速連續、結果易于保存，更擅于直觀、快速和實時的完成大體積混凝土的檢測。因此，雷達技術在工程中的應用對結構檢測的發展與創新是有意義的。

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[中圖分類號] U459.2 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-4-104-1

1工程概況

某高速公路起點樁號為K125+500，終點樁號為K132+550，線路全長共計7.05km，在整個高速公路施工中，設置兩座大橋，四座分離式立交橋。高速公路路徑填筑長度約為6.1km。為保障高速公路運行安全，在高速公路施工過程中，委托專業公司對該高速公路東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護結構及其他段擋土墻進行檢測，對高速公路擋土墻及滑坡體進行施工質量評估。在該工程擋土墻檢測中，應用地質雷達無損檢測技術進行檢測工作。

2地質雷達無損檢測技術工作原理

地質雷達屬于一種新興的高效淺層地理探測新技術，與傳統探測技術相比，地質雷達具備探測速度快，重量輕，便于攜帶，探測精度高，圖像直觀等優勢，在混凝土結構、巖土工程及其他領域應用較為廣泛。

在應用地質雷達進行擋土墻檢測時，通過雷達主機控制，雷達脈沖源裝置產生周期性毫微秒電磁波信號，并直接將電磁波信號反饋給發射天線，通過發射天線耦合到擋土墻信號在傳播路徑中遇到的介質非均勻體時，如電磁波信號在傳輸中遇到孔洞、不密實等狀況，會產生電磁波反射波信號，接收天線在接收到電磁波反射信號后傳輸給接收機，應用接收機對接收到的電磁波信號進行整形與放大等處理，經由電纜傳輸到雷達主機，雷達主機將處理后電磁波信號傳輸給計算機，通過計算機度信號幅度大小進行編碼，并以波形堆積圖、灰色電平圖、彩色電平圖等進行顯示，判斷擋土墻施工質量。由此可以看出，地質雷達無損檢測技術，是通過對檢測體發射電磁波，電磁波在進入墻體時，電磁波會產生發射、折射及繞射等現象，通過對電磁波形、幅度、發射波走時等進行擋土墻結構及擋土墻幾何形態判斷。其工作原理可以用圖1來描述。

3地質雷達無損檢測技術在高速公路擋土墻質量檢測中的應用

根據該高速公路工程概況，采取地質雷達無損檢測技術對該高速公路擋土墻質量進行評估與研究。

3.1前期準備工作

準備工作質量直接影響著地質雷達無損檢測數據的準確性，準備工作的主要內容包括兩個方面：其一，了解地質雷達探測區域情況。通過安排專業人員進行現場勘探，獲取該高速公路地質雷達探測周邊狀況。在該高速公路擋土墻區域內，地下水位較高，地下水較為豐富，多在擋墻與填土連接位置存在著滲排水現象，部分區域形成了排水通道，嚴重損壞了擋墻背填土，影響擋土墻安全性；擋土墻在墻底設置有的一排擋土墻泄水孔，擋土墻中部沒有設置泄水孔，泄水孔排水存在著不通暢問題；擋土墻砂漿受到較為嚴重的剝落，砂漿連接力不足；道路排水溝運行狀態良好；在檢測中沒有發現擋土墻墻背地面下沉現象。其二，天線選型，在進行隧道襯砌檢測中，需要應用屏蔽天線。頻率低天線發射雷達波主頻較低，分辨率偏低，精度一般，能量衰減速度慢，探測深度值較大，頻率高天線發射雷達波主頻較高，分辨率及探測精度較好，能量衰減速度較快，在深度較淺探測中效果突出。如表1為部分頻率天線應用效果表。

為此，天線選型時，需要根據實際擋土墻厚度進行天線選型，在該高速公路擋土墻檢測中選擇900MHz天線進行探測。

3.2擋土墻檢測數據采集

在該高速公路工程中，共設置兩條測量線，分別設置于東橋段擋土墻、西南段滑坡位置段防護結構位置。在地質雷達檢測之前，需要設置檢測參數：將地質雷達檢測行走速度控制在5km/h左右，設置900MHz天線記錄長度為15ns，設置512個時間采樣點，綜合實際情況，采取由淺入深性增益，應用連續檢測方式。

為保證地質雷達檢測中，其檢測圖像測點與實際檢測里程對應性，需要進行里程標記設置，在隧道邊墻中以間隔5m的標準進行標記設置，從而方便里程核對。在地質雷達檢測中，操作人員需設置雷達參數，在雷達記錄中間隔5m作一次標記，在探測過程中，保持天線移動速度均勻。在該高速公路擋土墻探測中，以汽車搭載測試平臺，保證測試數據穩定性與可靠性。

3.3數據處理及反饋

在采集探測數據后，應用專業處理軟件進行處理，通過頻譜分析、濾波去噪、增強振幅等措施，提高數據可分析性，通過研究異常特征及面層相位特征，對各個檢測段探測結果進行分析，找出擋土墻中存在的病害，判斷病害類型、深度、范圍及所在里程等。通過雷達圖像研究法發現擋土墻填土較為疏松，存在著孔洞等質量問題，為施工提出意見。

3.4檢測結果

在該高速公路擋土墻檢測中應用地質雷達無損檢測技術，發現擋土墻厚度滿足設計要求，然而在擋土墻施工中，部分位置存在著松散不密實問題，部分擋土墻存在著連續孔洞質量問題，研究其成因并提出處理建議，提高工程擋土墻質量。

4結語

高速公路擋土墻施工質量直接影響著高速公路運行的安全性及整體效益，在進行高速公路擋土墻質量檢測時，可以應用地質雷達無損檢測技術。地質雷達無損檢測技術在應用中探測精度較高，圖像直觀，操作方便，綜合效益較好。結合實際工程案例，對地質雷達擋土墻質量檢測及具體應用進行研究。實踐證明，應用地質雷達無損檢測技術，可以有效發現擋土墻中存在質量問題，從而提出科學建議，保障高速公路安全運行。

參考文獻

[1]康旺東.基于地質雷達無損檢測技術的擋土墻質量評定及研究[D].中南大學，2012.

[2]汪貴春.擋墻質量無損檢測技術應用研究[D].重慶交通大學，2009.

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1 概述

物位是工業過程監控的重要目標參數，在熱電廠內各種罐體、料倉、水池的連續物位測量中，雷達和超聲波兩種原理的物位計應用廣泛。在工程項目設計階段，設計師們對雷達和超聲波物位計的選型依據業主的要求以及自身的經驗，故兩者在應用場合沒有較明確的界限劃分。針對這兩種物位計的選擇應用，作者談談自己的看法。

2 原理簡述

2.1 雷達物位計

雷達物位計按其工作方式，主要分為脈沖式和連續調頻式。

脈沖式雷達物位計，采用微波“發射反射接收”的原理：從天線發射出的電磁波信號，在被測物料表面產生反射，反射的回波信號被雷達系統接收，通過電子單元計算出發射至接收的行程時間（t）。因電磁波的物理特性與可見光相似，取光速（c）作為傳播速度，進而可換算得出物位值（如圖1所示）：L=E-D=E-c.t/2。

連續調頻式（FMCW）雷達物位計的測量原理有別于脈沖式，電磁波信號被液面反射后，回波被天線接收，接收到的回波頻率與此時發射信號波的頻率相比，兩者存在差異，此頻率差的大小與到液面的距離成正比。如圖2所示：

2.2 超聲波物位計

與脈沖式雷達物位計相似，超聲波物位計也是利用波的反射原理，通過時差法進行物位測量。兩者之間的差別僅為雷達采用的為電磁波，其傳播無需介質，而超聲波物位計采用的為機械波。由于機械波的物理特性決定其傳播必須借助一定介質，所以當介質的壓力、溫度、密度、濕度等條件恒定時，超聲波在該介質中的傳播速度是一個常數。因此，當超聲波發射遇到物面后，傳播路徑上的介質密度發生變化，超聲波被反射，測量超聲波從發射到接收所需要的時間，即可換算出超聲波通過的路程，從而得到了物位的數據。

3 特性及選型注意事項

3.1 雷達物位計

雷達物位計選型，需綜合考慮介質的介電常數、料倉高度、物料形態及穩定性等方面的因素，從而選擇確定物位計工作方式、微波頻率、波束角以及天線型式。

3.1.1 介電常數

由于電磁波的衰減系數與介質的介電常數的平方根成反比，因此，被測介質的介電常數越大，電磁波的衰減越少，物位計接受到的反射信號也就越強，即測量可以得到更好的保證。以E+H MicropilotM FMR50系列雷達物位計為例，表1和圖3顯示，同型號雷達，對于低介電常數介質，其測量的量程范圍明顯縮小。特別針對A類介質，普通的安裝方式甚至不能滿足測量要求。

3.1.2 物料形態及穩定性

當物料為固體或粉末狀態時，由于折射、漫散射等影響，使有效的回波減少，雜波增加。同樣，當測量波動表面時，也存在有效回波檢測困難的情況。

3.1.3 措施

不論是介電常數還是物料形態穩定性的問題，通過雷達的檢測原理即可確定，要保證測量的可靠性，必需減少信號衰減，增加有效回波數量。

根據電磁波的特性，當波束角確定時，電磁波的頻率越高，在單位面積上積聚的能量越大，電磁波的衰減越小，從而雷達物位計的測量精度也就越高。在實際運用中，脈沖式雷達物位計采用的電磁波段主要為C段（低頻）和K段（高頻）兩種，兩者主要性能對比如表2。

通常，波束角的大小與天線的尺寸成反比，天線越大，波束角越小，相同頻率的波在單位面積上聚集的能量也就越大。針對固體、粉末類介質，且儲罐條件比較復雜的場合，在選擇高頻雷達的同時，應采用大尺寸天線（例如拋物面天線）以提高測量精度。

由于外界雜波的干擾對普通非接觸式雷達的信號判斷及處理能力提出很高的要求，采用導波雷達或者增加導波管（液體測量）的方式較好地解決了微波傳輸穩定性的問題。除此之外，因電磁波的回波時間不因介電常數的變化而變化，僅為信號強度有差，所以導波式測量是低介電常數介質物位測量的優選方式。

連續調頻式雷達物位計，因其獨特的信號分析處理技術，具有高靈敏度、良好的穩定性和信號自動校準等優點，被視為是復雜條件物位測量的優選方案，特別適用于極度粉塵并伴有高溫場合以及超低介電常數介質的物位測量。精度可達±0.5mm，測量范圍可達100m。由于采用調頻連續波技術，物位計功耗較大（5～10W），為常規脈沖式雷達物位計的10倍左右，常規采用220VAC四線制接線方式。但隨著技術的發展，現已有應用良好的24VDC兩線制產品，例如西門子SITRANS LR560等。

3.2 超聲波物位計

超聲波液位計，因聲波的傳播速度與傳播介質的溫度、壓力以及被測介質的特性等均有關系，受外界因素的制約較大，常被用于簡單工況穩定物位的測量。

3.2.1 常見影響因素

所有外界因素，對超聲波信號而言，其最終的體現均為信號的衰減。常見的影響因素及其程度如表3。

3.2.2 測量范圍計算

超聲波物位計，與雷達物位計相比，因其聲波自身的物理特性決定，其測量范圍（一般不超15m）要小于雷達。在工程實際應用中，通過分析外界因素對信號的衰減影響，比較物位計理論測量值，得出可實際應用的測量范圍。以E+H Prosonic M FMU4x系列為例：

測量熱電廠渣倉料位，固體物料表面因素衰減約40dB，粉塵影響約10dB，假設無其余因素影響，查圖4，FMU43的可用測量約4.8m。若此量程能滿足工藝檢測要求，則可采用超聲波，否則需另選物位計。

3.3 特性比較

超聲波測量鑒于被測介質的密度，其受溫度和壓力的影響較大，不同密度下超聲波傳播速度不同，信號修正困難。另外，超聲波的發生是通過壓電晶體的機械振動，當外界壓力太大時會影響超聲波的產生，所以不可用于壓力較高或負壓的場合，通常只用在常壓容器。一般情況下，超聲波液位計使用溫度不可超過80℃，壓力需在0.3MPa以內。而雷達受此影響不大，可以用在高溫、高壓工況下。

由于機械波易受傳播介質的影響，能量衰減也相對較大，在氣態或者不均勻介質中表現更明顯。在相同能量下，電磁波的傳播性比超聲波要好很多，因此雷達物位計的可使用量程范圍也比超聲波要大，特別現在采用高頻和連續調頻技術，使得其量程范圍進一步增大。

因雷達物位計對環境和介質本身產生的擾動分辨能力更強，也就可以更好地消除干擾，使得其能更好地保證測量精度。相比而言，超聲波物位計因易受外界干擾影響，實際的測量精度較差。

3.4 選型應用

在熱電廠中，物位的測量主要為煤、石灰石、渣、灰等固體或粉末類介質，以及部分水、油、酸堿液態介質，對于上述介質的物位測量，分析雷達和超聲波物位計的原理和特點，選型如下：

（1）因雷達采用電磁波，不需要傳播媒介，可以應用于真空工況。例如導波雷達，現被用于凝汽器熱井水位的測量，而超聲波則不適用。

（2）煤粉倉、灰渣庫等低介電常數并伴有粉塵的固態或粉末狀態物料，因聲波會有很大的衰減，所以一般不應選用超聲波物位計。選用雷達時，應選擇高頻雷達，并選用例如拋物面天線等此類的大尺寸小波束角天線。當安裝條件允許時，也可采用纜式（小量程采用桿式）天線來降低介質特性本身以及外界干擾對測量帶來的影響，但應做好天線端部固定工作。

（3）對于液氨、濃鹽酸等易揮發或擴散形成霧氣的儲罐液位測量，或者是液面可能產生泡沫（例如循環水池）時，導波雷達將是很好的選擇，但需要注意儲罐的尺寸，若為小型儲罐，則建議采用高頻非接觸雷達+導波管的測量型式。

（4）針對高壓加熱器水位、汽包水位等高溫高壓且存在汽水共騰工況的液位測量，可選用高溫高壓型同軸導波雷達。同軸探頭，加上氣相補償、等時采樣等技術的應用，使得在沸騰的腔體內，雷達也能有穩定可靠的讀數。西門子LG200、E+H FMP54等產品均已在電廠此類場合的液位測量中得到很好的應用。

（5）由于雷達物位計產生高頻電磁波的電子電路相對復雜，使得產品價格較高。因此，在精度要求不是特別高或測量理想液面（例如平靜光滑的脫鹽水儲罐、點火油罐等液位）時，超聲波物位計就體現了很好的性價比。另外，若為統一選型，減少物位計的種類考慮，經濟型低頻雷達也是較好的選擇方案。

4 結束語

雷達和超聲波兩種類型的物位計均是工業物位測量的良好解決方案，其選型應用需根據過程工況、介質特性決定，并結合安裝條件、使用環境等外界因素。經濟適用、更好的性價比是設計人員選型的重要依據，也是現代工廠精細化管理追求良好效益的基礎條件。

參考文獻

[1]朱輝，郭志強.物位儀表發展趨勢――雷達超聲[J].中國儀器儀表，2009（S1）：202-204.

[2]王小林.西門子煤倉料位計探討[J].科技創業月刊，2010（10）：191-192.