Transcript 4-3 - 東吳大學

海軍兵器系統概論
東吳大學軍事教育
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第４章 偵測子系統
4-1 基礎知識：偵蒐類別與目標資訊
4-2 基礎知識：能量與波
4-3 電磁波
4-4 偵蒐裝備：雷達、聲納、光電
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4-3 電磁波
４-３學習目標
♦ 明白電磁波如何產生
 Maxwell’s Theory
 電磁波的圖形概念
♦ 熟悉電磁波頻譜
♦ 明白電磁波的傳遞
 球形波、平面波與傳遞損耗及對人體的影響
 在大氣中的傳遞方式 天波、地波、太空波
 視準線
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4-3 電磁波
電磁波的產生
♦ Maxwell’s Theory：
 一個交流的電場(E)會產生一個隨時間改變的磁場(B)
 而一個磁場會產生它自己的電場
 一個電場會引起一個磁場，而且兩者會一起以電磁波
的方式傳出
 能量不斷地在電場與磁場間互換
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4-3 電磁波
電磁波的產生
E
＋
－
B
e-
－
＋
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電磁波的產生
♦ 電磁波是變化的電場與磁場所產生的電磁場擾動
能量波，而擾動的電場與磁場之間相互垂直
天
線
6
電磁波頻譜 Electromagnetic Spectrum
♦ 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300kHz (3*101~5)
• ELF(30-3000)、VLF、LF
 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
• HF、VHF、UHF、SHF、EHF
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電磁波頻譜 Electromagnetic Spectrum
AM
3×100
FM Radar Infrared
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
音頻
20-20k
E
L
F
108
V
L L
F F
1m
M
F
H
F
V U
H H
F F
微
波
S
H
F
可
見
光
E
H
F
光電
紫
外
光
頻率
23
1024
Gamma
射線
X 射線
波段
10-16
波長
7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15
地球
半徑
6366 km
海
浬
1852 m
髮
絲
75μ
原
子
0.55nm
電
子
2.8 fm
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電磁波的傳遞
♦ 速度：同光速
 光波亦是電磁波
♦ 球形波
 從擾動點均勻向外傳
遞的球形
 近波源
 無阻礙
球形波
平面波
♦ 平面波
 遠離波源
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電磁波在大氣中的傳遞
♦ 傳遞損耗
♦ 電磁波在大氣中的傳遞與其頻率有關
 電離層影響造成的不同傳遞模式
• 地波(Ground wave)
• 天波(Sky wave)
• 太空波(Space wave)
 較頻高率的視準線(LOS)傳遞
• 散射
• 導管
• 彎曲
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傳遞損耗
♦ 電磁波傳遞損耗包含下列三類：
 散布損耗：
• 由波源以球形方式向外傳遞
• 能量強度依傳送距離平方的比例降低 （1/R2）
 吸收損耗：
• 能量為空間中的介質吸收耗損
• 空氣、雲、雨等
 散射損耗：
• 能量被空間中的介質反彈散開所造成的耗損
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電磁波對人體有沒有影響？
♦ 曾有研究指出電磁場會影響人體健康
♦ 微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
♦ 微波爐使用 2450 兆赫電磁波
♦ 現行大哥大是 900 與 1800 兆赫
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電離層 ionosphere
♦ 地球大氣的高層，距地表約 75~400公里
 空氣分子被高能射線離子化後的散布區
♦ 依離子濃度分成三層區域：
 D區：75-95公里，濃度低， 造成MF日間吸收
 E區：95-150公里，濃度中，造成VHF散射
 F區：150-400公里，濃度高，造成HF反射
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地波 Ground Wave 模式
♦ 非常低頻的電磁波傳遞方式
♦ 垂直極化的ELF、VLF電磁波會以「地波」
的型式傳遞
電離層
♦ 沿著地表前進
♦ 波長非常長，
僅適於
通訊使用
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天波 Sky Wave 模式
♦ HF波段的電磁波，碰到電離層時：
 入射角大者，會被反彈回來，即為天波
 較小者，則會逸入
太空波
太空成為太空波
電離層
♦ 波長仍然很長，
可供通訊使用
♦ 那介於VLF與HF間的
LF及MF波段會如何
傳遞呢？
天 波
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太空波 Space Wave 模式
♦ 較高頻之電磁波，會直接穿過電離層，成
為太空波
♦ 30MHz以上的電磁波
太空波
電離層
不會被電離層反彈
♦ 傾向以直線方式前進
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頻譜與地、天、太空波模式
AM
3×100
1
2
3
4
E音頻 V
L
L
20-20k
F
F
5
L
F
10
8 7
6
地球
半徑
5
6
M
F
Ground
FM
7
H
F
Sky
4
3
2
海
浬
1
8
V U
H
H
1m
F F
Radar
9
10
Infrared
11 12 13 1
S 微E
H波 H
F
F
可
光電
見
光
Space
0 -1 -2 -3 -4 -5 -6
髮
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絲
視準線 LOS
♦ 為一直線，一般即為視線
♦ VHF以上的頻率，電磁波行進會傾向以視準線方
式前進，但受下列影響：
 電離層散射、對流層散射、對流層導管效應
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視準線 LOS
♦ 電離層散射
 散射後可傳遞非常遠（遠達1000公里上下）
♦ 對流層
 散射
• 天候因素、空氣比重等因素
• 散射後可能傳遞非常遠（達600公里）
 導管效應
• 因對流層空氣密度等因素，造成導管效應
• 沿導管前進，配合地球曲度。可增加較LOS長約
10%的距離
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太空波
電離層
天波 電離層散射 1000km
對流層散射 600km
LOS
導管效應 ≈ LOS × 110%
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計算 視準線 LOS 最遠距離
Rmax (km)  17HT  17HR
♦ HT = 目標高度 (公尺)
♦ HR = 雷達天線高度 (公尺)
♦ Rmax=雷達可偵最遠距離 (公里)
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