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電磁波的實際應(yīng)用范文1
關(guān)鍵詞：矩形波導(dǎo);傳輸系數(shù);反射系數(shù)
1 引言
波導(dǎo)是一種用來約束或引導(dǎo)電磁波傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。盡管存在很多不同形式的波導(dǎo)，而且新的形式還不斷涌現(xiàn)，但到目前，在實際應(yīng)用中矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)仍是兩種最主要的波導(dǎo)形式。人工電磁材料是本世紀(jì)初物理學(xué)和電磁學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)之一。作為人工電磁材料的一種，相對介電常數(shù)接近零的超材料（Epsilon-near- zero，ENZ超材料）具有低折射率，高相速度，近零相移等特點，這種超材料突破了傳統(tǒng)電磁場理論中的一些重要概念，可以應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)領(lǐng)域，如新型電磁元器件、天線和開環(huán)諧振器等[1，2]，矩形波導(dǎo)在接近截止頻率時的色散特性可以用來模擬ENZ超材料的行為[3]。該結(jié)構(gòu)有大量的應(yīng)用前景，特別對于隱形裝置和微型天線的設(shè)計[4] 具有重要的理論參考價值和實際應(yīng)用意義。
2 理論分析
圖1是寬度為a和高度為b（其中a>b）的矩形波導(dǎo)。根據(jù)Maxwell方程組可以得到矩形波導(dǎo)TEmn模式電磁波的空間傳輸表達(dá)式：
TE波場方程 （1）
表式中w為電磁波角頻率，kc為臨界波數(shù)，m表示x方向變化的半周期數(shù)，n表示y方向變化的半周期數(shù)，γ為傳播常數(shù)。
3 變形矩形波導(dǎo)的傳輸特性
選擇兩個過渡層厚度相等形成Π通道（或ENZ通道）[4]，對ENZ通道的傳輸系數(shù)進(jìn)行模擬。介質(zhì)通道和過渡區(qū)的介電常數(shù)εRCH=1（空氣），波導(dǎo)輸入端的介電常數(shù)εR=2，bs = bch = 0.8毫米時，Π通道傳輸系數(shù)曲線如圖2所示。
可見，第一次傳輸峰出現(xiàn)在1.476 GHz，該點代表零階共振，即在隧道中出現(xiàn)的頻率;第二次傳輸峰值是由于法布里-珀羅共振所引起，其峰值位置很大程度上取決于隧道長度。
第二傳輸峰值的產(chǎn)生主要是由于法布里-珀羅共振引起的，并且高度依賴通道長度的變化而變化。法布里 - 珀羅共振的變化相當(dāng)于狹窄的通道各種長度分別改變了L1 = 95毫米，L2= 127毫米，L3 = 190毫米，如圖3所示。可見，該屬性可以用來操縱第二傳輸高峰期。
5 結(jié)論
通過矩形波導(dǎo)的邊界條件解出Maxwell方程組關(guān)于電磁波的空間傳輸表達(dá)式，得到了矩形波導(dǎo)截止頻率和模式譜圖的一般結(jié)果。討論了ENA通道發(fā)生幾何變形的傳輸電磁波的特征，改變通道長度僅影響法布里-珀羅共振出現(xiàn)的位置，并不會影響零階共振的產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)：
[1]謝處方，饒克謹(jǐn).電磁場與電磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：160-168.
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[3]黃麗，蔣練軍，張學(xué)軍等.基于高阻抗表面材料電磁特性的矩形波導(dǎo)[J].中南大學(xué)學(xué)報，2012，43（10）：3912-3916.
[4]馬軍，王弘剛，杜廣星等.矩形波導(dǎo)TM11-TE10模式轉(zhuǎn)換器的初步設(shè)計[J].強(qiáng)激光與離子束，2014，26（06）：063004-1-5.
電磁波的實際應(yīng)用范文2
一、教學(xué)分析
知識與技能：
1.了解無線電波的波長范圍.
2.了解無線電波的發(fā)射過程和調(diào)制的簡單概念.
3.了解調(diào)諧、檢波及無線電波接收的基本原理.
過程與方法：
通過觀察總結(jié)了解無線電波的基本應(yīng)用，了解現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用方法，學(xué)會基本原理.
情感、態(tài)度與價值觀：
通過對無線電波應(yīng)用原理的基本認(rèn)識感悟科學(xué)技術(shù)的價值和重要性.端正科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)科學(xué)的價值觀.
二、教學(xué)重點
對本節(jié)基本概念的理解.
三、教學(xué)難點
對調(diào)諧的理解，無線電波發(fā)射與接收過程.
四、教學(xué)方法
演示推理法和分析類比法.
五、教學(xué)用具
信號源，示波器，收音機(jī)，錄音機(jī)，調(diào)頻發(fā)射機(jī)，計算機(jī)多媒體，實物投影儀等.
六、教學(xué)過程
（一）引入新課
師：在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，電磁波對我們來說越來越重要，無論是廣播、電視還是無線電通信以及航空、航天中的自動控制和通信聯(lián)系，都離不開電磁波．在無線電技術(shù)中使用的電磁波叫做無線電波，那么無線電波是怎樣發(fā)射和接收的呢？這節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)電磁波的發(fā)射和接收.
（二）進(jìn)行新課
1.無線電波的發(fā)射
師：請同學(xué)們討論，在普通LC振蕩電路中能否有效地發(fā)射電磁波？（學(xué)生討論.）
生：在普通LC振蕩電路中，電場主要集中在電容器的極板之間，磁場主要集中在線圈內(nèi)部.在電磁振蕩過程中，電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化主要是在電路內(nèi)部完成的，輻射出去的能量很少.不能有效地發(fā)射電磁波.
師：有效地發(fā)射電磁波的條件是什么？（學(xué)生閱讀教材有關(guān)內(nèi)容.）
師生總結(jié)：
要有效地向外發(fā)射電磁波，振蕩電路要滿足如下條件：
（1）要有足夠高的振蕩頻率.
（2）振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能有效地把電磁場的能量傳播出去.
師：如何改造普通的LC振蕩電路，才能使它能夠有效地發(fā)射電磁波？（引導(dǎo)學(xué)生討論.）
（師生一起討論后，引出開放電路的概念.將閉合電路變成開放電路就可以有效地把電磁波發(fā)射出去.）
如圖1所示，是由閉合電路變成開放電路的示意圖.
師：無線電波是由開放電路發(fā)射出去的.
講解：在實際應(yīng)用中常把開放電路的下端跟地連接.跟地連接的導(dǎo)線叫做地線.線圈上部接到比較高的導(dǎo)線上，這條導(dǎo)線叫做天線.天線和地線形成了一個敞開的電容器，電磁波就是由這樣的開放電路發(fā)射出去的.電視發(fā)射塔要建得很高，是為了使電磁波發(fā)射得較遠(yuǎn).實際發(fā)射無線電波的裝置中還需在開放電路旁加一個振蕩器電路與之耦合，如圖2所示.
振蕩器電路產(chǎn)生的高頻率振蕩電流通過L2與L1的互感作用，使L1也產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，振蕩電流在開放電路中激發(fā)出無線電波，向四周發(fā)射．
師：發(fā)射電磁波是為了利用它傳遞某種信號.例如無線電報傳遞的是電碼符號，無線電廣播傳遞的是聲音，電視廣播傳遞的不僅有聲音，還有圖像.這就要求發(fā)射的電磁波隨信號而改變.電磁波是怎樣傳遞這些信號的呢？
講解：在電磁波發(fā)射技術(shù)中，如果把這種電信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，那么，載有信號的高頻振蕩電流產(chǎn)生的電磁波就載著要傳送的信號一起發(fā)射出去.把要傳遞的信號“加”到高頻等幅振蕩電流上，使電磁波隨各種信號而改變的技術(shù)叫做調(diào)制.
進(jìn)行調(diào)制的裝置叫做調(diào)制器.要傳遞的電信號叫做調(diào)制信號.
使高頻振蕩電流的振幅隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)幅（AM）.
使高頻振蕩電流的頻率隨調(diào)制信號而改變叫做調(diào)頻（FM）.
圖3是調(diào)幅裝置的示意圖．接在振蕩器和線圈之間的話筒就是一個最簡單的調(diào)制器，由聲源發(fā)出的聲音振動使話筒里的碳粒發(fā)生時松時緊的變化，它的電阻也發(fā)生時大時小的變化.所以，雖然振蕩器產(chǎn)生的是高頻等幅振蕩電流，但是線圈通過的卻是隨聲音而改變的高頻調(diào)幅電流．由于線圈的互感作用，從開放電路中發(fā)射的也是這種高頻調(diào)幅電流.這種電磁波叫調(diào)幅波.（多媒體演示：調(diào)幅波.）
（用示波器觀察調(diào)幅波形.）
2．無線電波的接收
師：處在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體，會產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)作中感應(yīng)電流的頻率與激起它的電磁波頻率相同，因此，利用放在電磁波傳播空間中的導(dǎo)體，就可以接收到電磁波，這樣的導(dǎo)體就是接收天線.
在無線電技術(shù)中，用天線和地線組成的接收電路來接收電磁波.
講解：世界上有許許多多的無線電臺、電視臺以及各種無線電通訊設(shè)備，它們不斷地向空中發(fā)射不同頻率的電磁波，這些電磁波強(qiáng)弱不等地彌漫在我們周圍.如果不加選擇地把它們都接收下來，那必然是信號一片混亂，分辨不清，達(dá)不到我們傳遞信息的目的.所以，接收電磁波時，首先要從諸多的電磁波中把我們需要的選出來，通常叫做選臺.這就要設(shè)法使我們需要的電磁波在接收天線中激起的感應(yīng)電流最強(qiáng).在無線電技術(shù)里，是利用電諧振來達(dá)到這個目的的.當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng).這種現(xiàn)象叫做電諧振，相當(dāng)于機(jī)械振動中的共振.
（用示波器觀察電諧振波形.）
師：接收電路產(chǎn)生電諧振的過程叫做調(diào)諧，能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路.
如圖6是收音機(jī)的調(diào)諧電路.調(diào)節(jié)可變電容器的電容來改變調(diào)諧電路的頻率，使它跟要接收的電臺發(fā)出的電磁波的頻率相同，這個頻率的電磁波在調(diào)諧電路里激起較強(qiáng)的感應(yīng)電流，這樣就選出了這個電臺.（演示調(diào)諧過程.）
講解：收音機(jī)接收的經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩電流（對應(yīng)圖講解），這種電流通過收音機(jī)的耳機(jī)或揚聲器，并不能使它們振動而發(fā)聲，為什么呢，假定某一個半周期電流的作用是使振動片向某個方向運動，下一個半周期電流就以幾乎同樣大的作用使振動片向反方向運動.高頻電流的周期非常短，半周期更短，而振動片的慣性相當(dāng)大，所以在振動片還沒有來得及在電流的作用下向某個方向運動的時候，就立刻有一個幾乎同樣大的作用要使它向反方向運動，結(jié)果振動片實際上不發(fā)生振動．要聽到聲音，必須從高頻振蕩電流中“檢”出聲音信號，使揚聲器(或耳機(jī))中的動片隨聲音信號振動.
從接收到的高頻振蕩電流中“檢”出所攜帶的調(diào)制信號過程，叫做檢波.檢波是調(diào)制的逆過程，因此也叫解調(diào).由于調(diào)制的方法不同，檢波的方法也不同.檢波之后的信號再經(jīng)過放大、重現(xiàn)，我們就可以聽到或看到了.
下面介紹收音機(jī)中對調(diào)幅波的檢波.
圖7是晶體二極管的檢波電路，是利用晶體二極管的單向?qū)щ娦詠磉M(jìn)行檢波的.調(diào)諧電路中產(chǎn)生的是經(jīng)過調(diào)幅的高頻振蕩電流，L1和L2繞在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上產(chǎn)生的是高頻交變電壓．由于二極管的單向?qū)щ娦裕ㄟ^它的是單向脈動電流，這個單向脈動電流既有高頻成分，又有低頻的聲音信號，高頻成分基本從電容器C（復(fù)習(xí)旁路電容器）通過，剩下的音頻電流通過耳機(jī)發(fā)聲.（用示波器觀察檢波過程）實際上就是一個晶體二極管收音機(jī)的電路圖.這種收音機(jī)聲音很小，只能用開機(jī)收聽本地電臺.為了提高收音機(jī)的接收性能，需要用放大器把微弱的信號放大.圖8是加有放大器的收音機(jī)方框圖.由天線和調(diào)諧電路接收到的高頻調(diào)幅電流，先通過放大器進(jìn)行高頻放大，然后進(jìn)行檢波和低頻放大，放大后的音頻電流輸送到喇叭，使它們發(fā)出聲音.
下面我們通過調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式，來看看無線電波發(fā)射和接收的全過程.
（1）調(diào)幅發(fā)射和接收.（實驗演示.）
（2）調(diào)頻發(fā)射和接收.（實驗演示.）
比喻：
高頻電流火車 音頻電流貨物
調(diào)制發(fā)射傳播調(diào)諧解調(diào)
裝貨出站運行進(jìn)站卸貨
師：我們再來看一下無線電波的分段.（投影.）
（三）課堂總結(jié)、點評
本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了以下內(nèi)容：
1.電磁波的產(chǎn)生和發(fā)射條件.
2.開放電路的結(jié)構(gòu)和特點.
3.電磁波的發(fā)射過程和接收過程.
七、課后作業(yè)
完成P92“問題與練習(xí)”中的題目.閱讀P91“科學(xué)足跡”.
預(yù)習(xí)下一節(jié)：電磁波的發(fā)射和接收.
八、教學(xué)體會
思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學(xué)的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學(xué)就成了無源之水、無本之木.學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月.
附：鞏固訓(xùn)練
1.電磁波的調(diào)制有哪兩種方式？
2.什么叫電諧振？
3.調(diào)諧過程中，若接收同一波段內(nèi)的不同信號，通常是改變電路中哪個元件的值？
4.發(fā)射電磁波為什么要用開放電路？
5.接收電磁波信號時，為什么要調(diào)諧？
6.調(diào)諧電路中可變電容器的動片從完全旋入到完全旋出仍接收不到某較高頻率電臺發(fā)出的電信號，要收到該電臺的信號，應(yīng)該怎么辦？
A．增加調(diào)諧電路線圈的匝數(shù) B．加大電源電壓
C．減少調(diào)諧電路線圈的匝數(shù) D．減小電源電壓
參考答案：
1.電磁波的調(diào)制有調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式.
2.當(dāng)接收電路的固有頻率跟接收到的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，這種現(xiàn)象叫電諧振.
3.調(diào)諧過程中，通常是改變調(diào)諧電路中電容器的電容.
4.振蕩電路要有效地向外發(fā)射電磁波必須具備兩個條件：（1）有足夠高的振蕩頻率.（2）振蕩電路的電場和磁場要盡量分散到大的空間，只有開放電路才能滿足這兩個條件，因此，發(fā)射電磁波要使用開放電路.
5.在空間里有大量的不同頻率的電磁波傳播.要接收到其中某一頻率的信號，必須使這一信號在接收電路中引起電諧振，因此必須進(jìn)行調(diào)諧.
6.C
電磁波的實際應(yīng)用范文3
關(guān)鍵詞 電磁場與電磁波 課程教學(xué)探究 現(xiàn)代信息技術(shù) 整合
中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 省內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀分析
“卓越人才培養(yǎng)計劃”要求學(xué)校培養(yǎng)出基礎(chǔ)扎實、知識面寬、創(chuàng)新實踐能力強(qiáng)、具有社會責(zé)任感、團(tuán)隊合作精神和卓越人才培養(yǎng)潛質(zhì)的優(yōu)秀學(xué)生。對于我校電信、電科專業(yè)學(xué)生而言，最好的平臺之一就是利用好每一年一度的電子設(shè)計競賽和物理創(chuàng)新大賽。而要想在各類大型競賽中獲得成績，學(xué)生必需要有扎實的理論知識。其中電磁場與電磁波是高等院校通信工程、電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。如何上好這門基礎(chǔ)課，給同學(xué)們提供扎實的理論指導(dǎo)，是卓越人才培養(yǎng)計劃必然要求。信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的大趨勢，當(dāng)代教育技術(shù)的發(fā)展，給電磁場與電磁波課程的學(xué)習(xí)帶來新的春天。在新的教育理念下，探索信息技術(shù)與學(xué)科課程整合成為當(dāng)前教育研究的一個熱點內(nèi)容。研究信息技術(shù)與電磁場與電磁波課程整合，對于整體優(yōu)化教學(xué)過程，深化高等教育改革，增進(jìn)學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生的信息技術(shù)能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識和創(chuàng)新精神具有重大的現(xiàn)實意義。作為一門探究性課程。我們將如何信息技術(shù)與電磁場與電磁波課程整合方面進(jìn)行了初步的探討。將“知識、能力、人格”的培養(yǎng)理念落實到具體教學(xué)環(huán)節(jié)中。推行啟發(fā)式、探究式、討論式、小制作等授課方式，將創(chuàng)新實踐能力訓(xùn)練貫穿于課程教學(xué)之中。
2 課程教學(xué)改革研究對促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量的作用和意義探究
（1）作為一門探究性課程，電磁場與電磁波課程是通信工程、電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。它以麥克斯韋方程為根本基礎(chǔ)構(gòu)建電磁理論的知識體系，它研究自然界中電磁現(xiàn)象和電磁過程。近年來材料、光子晶體等領(lǐng)域的理論研究和材料研發(fā)的突破給經(jīng)典電磁理論帶來了勃勃生機(jī)。
（2）另一方面，電磁場與電磁波課程對于學(xué)生的動手創(chuàng)造能力的培養(yǎng)遺跡從事相關(guān)科學(xué)研究都具有基礎(chǔ)性的重要意義，對于學(xué)習(xí)其它相關(guān)專業(yè)（如通信技術(shù)、電力系統(tǒng)、電子技術(shù)、激光技術(shù)、光學(xué)工程等）的課程也有重要影響。
（3）以多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的信息技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用是教育信息化的重要標(biāo)志。通過電磁場與電磁波課程的探究教學(xué)與當(dāng)代信息技術(shù)的整合與深化，使學(xué)生掌握電磁場與電磁波課程知識所涉及的相關(guān)科學(xué)方法，有效提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，提高學(xué)生知識拓展能力和自我學(xué)習(xí)能力。
3 課程教學(xué)探究的實施方案
3.1 具體研究對象和內(nèi)容
（1）我們將采用傳統(tǒng)板書、電子課件、網(wǎng)絡(luò)和視頻多種手段結(jié)合。課內(nèi)講授與課外討論和制作相結(jié)合、基礎(chǔ)理論教學(xué)與學(xué)科前沿講座結(jié)合，基本理論訓(xùn)練與科研實踐訓(xùn)練相結(jié)合。（2）針對電磁場與電磁波是理論基礎(chǔ)課的特點，課堂教學(xué)主要采用探究式課堂教學(xué)法：即每節(jié)課突出一個主題，講清論透；每個主題，通過多種形式的師生互動，及時了解學(xué)生的疑難問題和創(chuàng)造欲望。（3）鼓勵和指導(dǎo)有能力的學(xué)生提早進(jìn)入科研實踐訓(xùn)練、參加各類科技競賽。將學(xué)生撰寫課程小論文融入教學(xué)全過程，從中選出有質(zhì)量的項目進(jìn)入科研實踐訓(xùn)練。構(gòu)建多樣化應(yīng)用型人才，培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才，增強(qiáng)畢業(yè)生就業(yè)能力；完成本課的預(yù)期目的。（4）電磁場與電磁波也是一門實踐性很強(qiáng)的課程，其研究對象——場是區(qū)別于實物的物質(zhì)形態(tài)，具有抽象的特征。為避免課程教學(xué)的數(shù)學(xué)化，我們將充分應(yīng)用當(dāng)代信息技術(shù)的優(yōu)勢，比如說應(yīng)用視頻教學(xué)資料增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識和動手能力，同時反過來應(yīng)用于當(dāng)代信息技術(shù)，充分發(fā)展學(xué)生的物理思維和物理探究能力。（5）我們將充分利用好點子競賽等創(chuàng)新平臺，促進(jìn)電磁場與電磁波的教學(xué)。
3.2 課堂教學(xué)改革研究擬達(dá)到的目標(biāo)
在課堂教學(xué)中，突出學(xué)生的參與性，使他們主動獲取而不是被動接受科學(xué)結(jié)論，強(qiáng)調(diào)思維互動，使學(xué)生感覺電磁場與電磁波發(fā)人深思，不難入門。作為電磁理論基礎(chǔ)的麥克斯韋方程是從大量個體電磁實驗總結(jié)而得的“共性”規(guī)律。同時，電磁場與電磁波與其他物理學(xué)分支也具有“共性”和“個性”的關(guān)系。針對這一特點，教學(xué)中注意引導(dǎo)學(xué)生“相似性形象思維”，開展“抽象思維”，促成“頓悟思維”。學(xué)生感覺電磁場與電磁波思路清晰，容易理解。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，經(jīng)常采用課堂討論，由學(xué)生提問，在教師引導(dǎo)下大家討論，總結(jié)得出準(zhǔn)確認(rèn)識。由于分析“電磁場和電磁波”要在多維時空中抽象思維，課堂教學(xué)充分使用多媒體，盡力使用圖像和色彩搭配，使學(xué)生建立正確的物理圖像。
3.3 課堂教學(xué)改革研究擬解決的主要問題
（1）突出科學(xué)性和探究性。電磁場與電磁波探究式教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)。教學(xué)中遵循“物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)—物理現(xiàn)象的描述—物理過程的分析—結(jié)果驗證與實驗測量”，再現(xiàn)科學(xué)研究過程，突出物理學(xué)實驗性的特征。教學(xué)中注意知識拓展，充分聯(lián)系實際應(yīng)用和現(xiàn)代科技發(fā)展，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和畢業(yè)生就業(yè)的適應(yīng)性。（2）重視物理思維和學(xué)生能力培養(yǎng)。課程教學(xué)中鍛煉“相似性形象思維”，提高“抽象思維”，促成“頓悟思維”。采用多媒體手段、有效使用圖示，幫助學(xué)生正確建立物理圖像，認(rèn)識物理過程。提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。培養(yǎng)他們的科學(xué)創(chuàng)新能力。（3）推進(jìn)個性化教育。探究式教學(xué)可以使具有不同基礎(chǔ)的學(xué)生各有所獲。課程網(wǎng)站的建立和電磁場與電磁波論壇的開通，也將有效推動個性化教育的實施。
4 課堂教學(xué)改革研究的特色和應(yīng)用價值及推廣
4.1 特色
（1）通過網(wǎng)絡(luò)解答學(xué)生的問題，及時了解學(xué)生的創(chuàng)造欲望。（2）通過課外閱讀、討論與講座擴(kuò)展學(xué)生視野，引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科前沿發(fā)展動態(tài)，將有些問題安排給學(xué)生進(jìn)行課外閱讀和討論，提高學(xué)生獨立分析問題的能力。
4.2 創(chuàng)新點
（1）網(wǎng)絡(luò)與視頻教學(xué)可以擴(kuò)展學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間，有些問題通過播放視頻，讓學(xué)生可以直觀地理解電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的內(nèi)涵。（2）多種形式的師生互動，可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)與創(chuàng)造欲望。（3）科研實踐訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力，從學(xué)生課程論文中，挑選有質(zhì)量的項目進(jìn)入科研實踐訓(xùn)練。 鼓勵和指導(dǎo)有能力的學(xué)生參加各級科研訓(xùn)練項目與科技競賽。
4.3 應(yīng)用價值及推廣
（1）當(dāng)代教育技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)提供了傳統(tǒng)教學(xué)中所沒有的優(yōu)勢。通過播放演示實驗中的與電磁場與電磁波現(xiàn)象相關(guān)的視頻資料，學(xué)生可以直觀地理解這些現(xiàn)象及其物理內(nèi)涵。（2）任課教師通過課后答疑和討論、電子郵件、學(xué)生QQ群，解答學(xué)生的問題，了解學(xué)生的創(chuàng)造欲望，指導(dǎo)有能力的學(xué)生開展科研實踐訓(xùn)練、參加各類科技競賽。這種教學(xué)方式不僅對提高學(xué)生的理解能力、動手能力、創(chuàng)新能力都有相當(dāng)好的效果，同時也可以促進(jìn)本課程的教學(xué)改進(jìn)也很有益。（3）同時這種教學(xué)模式還可以推廣到其他物理類基礎(chǔ)學(xué)科，對于改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)效果以及學(xué)生的動手能力和知識理解都有很好的借鑒作用。
電磁場與電磁波是物理學(xué)發(fā)展比較成熟的一門學(xué)科，從電磁理論發(fā)展史看，章章節(jié)節(jié)中滲透著科學(xué)家的成功思想和方法，讓學(xué)生了解并學(xué)習(xí)這一點，對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)學(xué)生的物理直覺和科學(xué)素質(zhì)是十分有益的，這也是本課程教學(xué)的一個目的。本課程教學(xué)的基本要求是：使學(xué)生系統(tǒng)而深入地掌握靜電場和靜磁場理論，掌握電磁波的傳播和電磁場輻射規(guī)律，并能夠熟練運用知識分析和解決相關(guān)電磁問題。
參考文獻(xiàn)
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電磁波的實際應(yīng)用范文4
關(guān)鍵詞： 《電磁場與電磁波》 教學(xué)方案 教學(xué)改革
目前我國高校電子信息類專業(yè)的大部分都開設(shè)了《電磁場與電磁波》［1］課程，它是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過該課程的學(xué)習(xí)，可以為學(xué)生以后從事射頻與微波技術(shù)技術(shù)、無線通信、天線理論與設(shè)計、電磁散射與逆散射、光通訊，以及微波通信、生物醫(yī)學(xué)微波成像、微波遙感及電波傳播等方面的相關(guān)工程研究打下基礎(chǔ)。然而該課程復(fù)雜、物理概念抽象、理論性強(qiáng)，學(xué)生往往因缺乏感性認(rèn)識，不易理解，感到難學(xué)，所以只靠課堂講授很難收到預(yù)期的教學(xué)效果。
“深化教育教學(xué)改革，全面加強(qiáng)大學(xué)生素質(zhì)和能力培養(yǎng)”［2］是21世紀(jì)人才培養(yǎng)的要求，也是教育系統(tǒng)適應(yīng)我國現(xiàn)階段的形勢必須采用的方針戰(zhàn)略。筆者根據(jù)目前江蘇大學(xué)通信工程專業(yè)本科生教授介紹了《電磁場與電磁波》的研究對象及基本內(nèi)容，通過實施電磁波理論的多方位、多層次的教學(xué)改革，將課堂激勵式教學(xué)、計算機(jī)多媒體教學(xué)、實驗室教學(xué)等多種手段和方式相結(jié)合，進(jìn)行了《電磁場與電磁波》整體教學(xué)方案的多方位教學(xué)改革的嘗試。
一、《電磁場與電磁波》課程教學(xué)現(xiàn)狀及目前存在的基本問題
《電磁場與電磁波》課程是我校通信工程及其它電子信息類專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，原來課時設(shè)置60學(xué)時，后來根據(jù)教學(xué)實際情況增加到75學(xué)時。但目前的課程內(nèi)容沒有大的改動。課程內(nèi)容為：矢量分析，靜態(tài)場，恒定電流場，恒定磁場，時變電磁場和平面電磁波。電磁場的物理概念抽象，難于理解。前期“電路”方面的課程基本上講的是時間的一維函數(shù)，而電磁場中的場量都是時間、空間上的矢量函數(shù)，需要建立矢量場的概念。此外，微積分、矢量分析、數(shù)理方程等數(shù)學(xué)理論是研究電磁場的語言和工具，扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是學(xué)習(xí)電磁場的必備條件。
筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)目前存在以下方面的基本問題。1.在學(xué)習(xí)《電磁場與電磁波》課程過程中，學(xué)生常常難以將已經(jīng)學(xué)好的數(shù)學(xué)知識和電磁場內(nèi)容很好地結(jié)合。在學(xué)習(xí)《電磁場與電磁波》之前，學(xué)生一般都具備矢量場論的基本知識，但是在學(xué)習(xí)《電磁場與電磁波》的過程中卻難以將所學(xué)知識與電磁場理論融會貫通、學(xué)以致用。還有許多學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)起來倍感吃力。2.在電磁場教學(xué)過程中，學(xué)生常常反映電磁場課程內(nèi)容多、公式多、理論性強(qiáng)，很難理出頭緒，或者課堂上聽不明白，而且課后怕做習(xí)題，對課程學(xué)習(xí)沒有興趣。3.電磁場彌漫于空間，看不見摸不著，在理論教學(xué)過程中，學(xué)生常感到電磁場太抽象，沒有實感，從心理上對這門課產(chǎn)生畏懼。4.在學(xué)習(xí)《電磁場與電磁波》課程中，學(xué)生時常會遇到一些似是而非的東西，產(chǎn)生大量的疑難問題。
二、課程教學(xué)改革嘗試
為了提高教學(xué)效果，我們做了如下幾方面的探索。
1.理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
我們要結(jié)合實際應(yīng)用，講述該課程的重要性。在目前以信息科學(xué)為代表的新技術(shù)革命席卷全球，電磁場與微波作為信息載體，無疑處于這場革命的漩渦中心。例如，微波頻段的移動通信的大力發(fā)展極大地改變了現(xiàn)代人類的生活，使手機(jī)成為人類生活的一部分。還有微波能的普及，極大地方便了人類的物質(zhì)生活。另外，現(xiàn)代技術(shù)戰(zhàn)爭，已經(jīng)是“陸、海、空、天、電磁”5位一體的聯(lián)合作用。“制電磁權(quán)”成為繼“制海權(quán)”、“制空權(quán)”之后戰(zhàn)爭雙方極力爭奪的新的制高點。通過這方面的介紹和學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識到這門課的重要性，并且認(rèn)識到自身的歷史使命感，從而增加了學(xué)習(xí)這門課的動力。
2.教學(xué)與科研結(jié)合，拓寬學(xué)生的知識視野，提高教學(xué)效果。
教學(xué)過程中，讓學(xué)生了解最新前沿研究課題，了解最近科研動態(tài)，使學(xué)生明確當(dāng)前及今后一段時間電子信息的研究熱點與方向。如講解“分層介質(zhì)中的電磁波的反射及透射”時，可以結(jié)合當(dāng)前電磁隱身與反隱身的科學(xué)研究進(jìn)行課程的講授，使學(xué)生領(lǐng)會得更加透徹。另外，我們還可以結(jié)合科研工作的一些積累，講解電磁波的極化特性，使學(xué)生深刻領(lǐng)悟極化的物理概念。改變傳統(tǒng)的教學(xué)思想，具體而言就是要改變“大而全”和“滿堂灌”的教學(xué)思想，在掌握好基本知識的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。我們適時地向?qū)W生提出一些綜合性和靈活性的問題，使課堂生動活潑，吸引學(xué)生的注意力。有意義的啟發(fā)性的問題可使學(xué)生聚攏目光，積極思考，達(dá)到新的層次。
3.采用形式多樣的教學(xué)手段，實現(xiàn)教學(xué)方法的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
我們利用計算機(jī)多媒體輔助教學(xué)，增加直觀的課堂演示。通過直觀演示，很容易引發(fā)學(xué)生的興趣，目的在于使學(xué)生對所學(xué)知識加深理解和鞏固，并能得以運用和發(fā)展，使知識、技能轉(zhuǎn)化為能力，同時也可得到信息反饋，發(fā)現(xiàn)不足及時補(bǔ)救。比如“平面電磁波”等章節(jié)內(nèi)容，是本課程的重點及難點，通過制作一維電磁波的動畫效果進(jìn)行課堂演示，使學(xué)生可以清晰地看到平面電磁波在一維空間中的傳播情況，以及當(dāng)遇到理想導(dǎo)體情形時的電磁波的反射情形，從而深刻理解駐波、半波損失等基本的物理理論；另外，還可以模擬電磁波在遇到多層介質(zhì)時電磁波傳輸問題，讓學(xué)生形象地理解電磁波行為。這些難點內(nèi)容常會在學(xué)生腦海中縈繞，產(chǎn)生了很直觀的認(rèn)識，有助于進(jìn)一步理解。
同時，在課堂教學(xué)外，還要結(jié)合實驗室中的實驗教學(xué)，讓學(xué)生從實驗的角度深刻理解電磁場與電磁波的理論，提高學(xué)生的動手能力。在實驗中學(xué)生要養(yǎng)成認(rèn)真細(xì)致的工作作風(fēng)，訓(xùn)練敏銳入微的觀察能力，結(jié)合理論基礎(chǔ)分析實驗現(xiàn)象能力，以及鍛煉實際操作能力。
4.采取激勵式教學(xué)方法，結(jié)合課外興趣學(xué)習(xí)活動小組，提高教學(xué)效果。
利用教學(xué)評價機(jī)制，在學(xué)生的考核成績中，按一定的比例，比如30%作為平時成績。學(xué)生在課堂上主動積極地回答次數(shù)作為考核的機(jī)制，每次2分至5分。這樣可以鼓勵學(xué)生積極踴躍發(fā)言，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性；還可以吸引學(xué)生的注意力，提高課堂上的學(xué)習(xí)效率。
另外，我們還可以在課外組織學(xué)有余力的學(xué)生成立興趣小組；引導(dǎo)他們利用課余時間去實驗室，和研究生一起參加課題的研究，從中學(xué)習(xí)到課內(nèi)沒有的知識，從而不斷地提高他們運用知識分析問題、解決問題的能力。
三、結(jié)語
《電磁場與電磁波》課程教學(xué)實踐表明，課堂教學(xué)不但需要教師有淵博的理論知識及理論修養(yǎng)，還需要教師精心組織教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教和學(xué)的質(zhì)量，從而收到培養(yǎng)面向新世紀(jì)的合格人才的目的。通過這門課程的教改嘗試，達(dá)到了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識的預(yù)期效果。總之，本課程是一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，如何搞好本課程的教學(xué)，還有待于進(jìn)一步地探索及改革。
參考文獻(xiàn)：
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電磁波的實際應(yīng)用范文5
一、衛(wèi)星通信的工作頻段
衛(wèi)星通信中，工作頻段的選擇是一個十分重要的問題。它直接影響系統(tǒng)的通信容量、質(zhì)量、可靠性、設(shè)備的復(fù)雜程度和成本的高低，并且還影響到與其它通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。一般而言，衛(wèi)星通信工作頻段的選擇必須根據(jù)需要與可能相結(jié)合的原則，重點考慮下列因素。
（1）電波能夠穿過電離層，傳播損耗和外部附加噪聲應(yīng)盡可能小。
（2）應(yīng)具有較寬的可用頻帶，盡可能增大通信容量。
（3）合理使用無線電頻譜，防止各種宇宙通信業(yè)務(wù)之間以及與其它地面通信業(yè)務(wù)之間產(chǎn)生相互干擾。
（4）考慮電子技術(shù)與器件的進(jìn)展情況以及現(xiàn)有通信技術(shù)設(shè)備的利用與相互配合。
綜合上述因素，衛(wèi)星通信的工作頻率選擇微波波段是最合適的。
二、衛(wèi)星通信電波的傳播損耗
衛(wèi)星通信鏈路的傳輸損耗包括自由空間傳播損耗、對流層傳播損耗、電離層傳播損耗等，下面依次來分析。
1、自由空間的傳播損耗
在整個電磁波傳輸過程中，即使不發(fā)生反射、折射、吸收和散射等現(xiàn)象，也會發(fā)生能量向空間擴(kuò)散而損耗的現(xiàn)象，這被稱為自由空間損耗。電波被天線輻射后，便向周圍空間傳播，由電磁波傳播原理可知，每個輻射出去的平面上的點都可以當(dāng)做新的信源，繼續(xù)向四周輻射。
實際表明，電波在自由空間以球面形式傳播，電磁場能量擴(kuò)散，接收機(jī)只能接收到其中的一小部分，大部分能量在傳播過程中損耗了。傳播距離越遠(yuǎn)，到達(dá)接收地點的能量越小。
2、對流層傳播損耗
對流層是指自地面向上大約10km范圍的低空大氣層，對流層集中了整個大氣質(zhì)量的3/4，當(dāng)?shù)孛媸芴栒丈鋾r，地表溫度上升，地面放出的熱量使低溫大氣受熱膨脹，進(jìn)而造成了大氣密度不均勻，于是產(chǎn)生了大氣的對流運動，對電波傳輸產(chǎn)生了一定的損耗。
（1）大氣折射
大氣折射率n是指電磁波在自由空間中的傳播速度c與在大氣中的傳播速度v之比。n隨高度的增加而減小，v隨高度的增加而增加，從而使電波傳播的軌跡向下彎曲，因而，由于大氣的折射作用，實際的電波傳播不是按照直線進(jìn)行，而是按曲線傳播的。大氣折射使電磁波射線路徑發(fā)生彎曲，從而使收信點的接收功率發(fā)生變化。
（2）大氣吸收損耗
任何物質(zhì)的分子都是由帶電粒子組成的，這些粒子都有其固有的電磁諧振頻率。當(dāng)通過這些物質(zhì)的微波頻率接近它們的諧振頻率時，這些物質(zhì)對微波就產(chǎn)生共振吸收。大氣中的氧分子具有磁偶極子，水蒸氣分子具有電偶極子，它們都能從電磁波中吸收能量，從而產(chǎn)生吸收損耗。
（3）雨霧引起的損耗
雨霧等自然現(xiàn)象都是對流層殊的大氣環(huán)境造成的，并且是隨機(jī)產(chǎn)生的，它使發(fā)端到收端之間的電磁波被散射、折射、吸收。其中，降雨損耗尤為明顯。當(dāng)工作頻率大于30GHz時，即使是小雨，造成的損耗也不能忽視。在10GHz以下時，必須考慮中雨以上的影響。為了保證可靠通信，在進(jìn)行鏈路設(shè)計時，通常先以晴天為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，然后留有一定的余量，以保證降雨、下雪等的情況仍然滿足通信質(zhì)量要求。
3、電離層傳播損耗
電離層的影響主要是電離層閃爍衰落，衰落值同地磁緯度有密切關(guān)系，在地磁緯度30°附近是一閃爍增強(qiáng)帶，地磁緯度20°以下，春夏發(fā)生閃爍嚴(yán)重且頻繁。電波穿過電離層的衰減量，隨入射角而變化，垂直入射時，衰減量最小。
另外，電波還受地球磁場的影響，線極化電磁波的極化平面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此，要根據(jù)不同情況，對極化面的變化進(jìn)行補(bǔ)償。
4、多普勒頻移
當(dāng)衛(wèi)星與用戶終端之間、衛(wèi)星與基站之間、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在相對運動時，接收端收到的發(fā)射端載頻發(fā)生頻移，即多普勒效應(yīng)引起的附加頻移，稱之為多普勒頻移。多普勒頻移對采用相關(guān)解調(diào)的數(shù)字通信危害較大，地球站接收機(jī)必須采用鎖相技術(shù)才能穩(wěn)定地接收衛(wèi)星發(fā)來的信息。
對于移動衛(wèi)星通信而言，它可能利用靜止軌道衛(wèi)星，也可以是非靜止軌道衛(wèi)星，對于前者，產(chǎn)生多普勒頻移主要是因為用戶終端的運動，后者主要取決于衛(wèi)星相對于地面目標(biāo)的快速運動。
5、多徑衰落和陰影遮蔽效應(yīng)
電波在移動環(huán)境中傳播時，會遇到各種物體，經(jīng)反射、散射、繞射，到達(dá)接收天線時，己成為通過各種路徑到達(dá)的合成波，即多徑傳播模式。各傳播路徑分量的幅度和相位各不相同，因此合成信號起伏很大，稱為多徑衰落。
電波途經(jīng)建筑物、樹林等時受到阻擋被衰減，這種陰影遮蔽對陸地移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電波傳播影響很大。
以上分析了衛(wèi)星通信電波在傳輸過程中可能產(chǎn)生的各種傳播損耗，實際中，電波還受到傳輸噪聲的影響。
三、衛(wèi)星通信電波的傳輸噪聲
當(dāng)電波經(jīng)過傳輸達(dá)到接收機(jī)時，會引入一部分噪聲，這些噪聲對接收機(jī)影響較大，實際中要充分考慮。接收機(jī)輸入端的噪聲分別由內(nèi)部（接收機(jī)）和外部（天線引入）噪聲源引入，外部噪聲源可以分為兩類：地面噪聲和太空噪聲。地面噪聲影響最大，來源于大氣、降雨、地面、工業(yè)活動等，太空噪聲來源于宇宙、太陽系等。
1、太陽系噪聲
它指的是太陽系中太陽、各行星以及月亮輻射的電磁干擾被天線接收而形成的噪聲，其中太陽是最大的熱輻射源。只要天線不對準(zhǔn)太陽，在靜寂期太陽噪聲對天線噪聲影響不大；其他行星和月亮，沒有高增益天線直接指向時，對天線噪聲影響也不大。實際上，當(dāng)太陽和衛(wèi)星匯合在一起，即太陽接近地球站指向衛(wèi)星的延伸線時，地球站就會受到干擾，甚至造成中斷。
2、宇宙噪聲
外空間星體的熱氣體及分布在星際空間的物質(zhì)所形成的噪聲，在銀河系中心的指向上達(dá)到最大值（通常稱為指向熱空），在天空其它某些部分的指向上是很低的（稱為冷空）。宇宙噪聲是頻率的函數(shù)，在1GHz以下時，它是天線噪聲的主要成分。
3、大氣噪聲與降雨噪聲
電離層、對流層不但吸收電波的能量，也產(chǎn)生電磁輻射而形成噪聲，其中主要是氧氣和水蒸汽構(gòu)成的大氣噪聲，大氣噪聲是頻率和仰角的函數(shù)。大氣噪聲在10GHz以上顯著增加，仰角越低時，由于電波穿越大氣層的路徑長度增加，大氣噪聲作用加大。
降雨以及云、霧在產(chǎn)生電波吸收衰減的同時，也產(chǎn)生噪聲，稱為降雨噪聲。對天線噪聲的作用與雨量、頻率、天線仰角有關(guān)。即使在4GHz的頻率下，仰角低的時候，大雨對天線噪聲影響也很大，因此我們在設(shè)計系統(tǒng)的時候要充分考慮這些因素。
4、內(nèi)部噪聲
內(nèi)部噪聲來源于接收機(jī)，由于接收機(jī)中含有大量的電子元件，而這些電子元件中由于溫度的影響，其中自由電子會做無規(guī)則的運動，這些運動實際上影響了電路的工作，這就是熱噪聲，因為在理論上，如果溫度降低到絕對零度，那么這種內(nèi)部噪聲會為零，但實際上我們達(dá)不到絕對零度，所以內(nèi)部噪聲不可根除，只可抑制。
電磁波的實際應(yīng)用范文6
[關(guān)鍵詞] FMCW； 探地雷達(dá)； 煤層超前探測； MUSIC算法
0 引言
由于不同的煤層地質(zhì)條件，煤層中可能含有瓦斯或水體，在采掘過程中會引發(fā)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅職工的生命安全和設(shè)備安全。因此利用超前探測的方法提前判斷掘進(jìn)煤層前方可能存在的安全隱患，對于煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。
在實際應(yīng)用中，探地雷達(dá)依據(jù)其信號形式大致可以分為三類：調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）探地雷達(dá)、脈沖探地雷達(dá)以及步進(jìn)變頻探地雷達(dá)。其中FMCW探地雷達(dá)屬于頻率域探地雷達(dá)，接收機(jī)的動態(tài)范圍大，具有更高的輻射功率，可獲得比時間域探地雷達(dá)更好的分辨率，并且更適合在損耗較大的媒介中工作。一直以來，由于頻率域探地雷達(dá)硬件結(jié)構(gòu)造價較大，所以其商業(yè)應(yīng)用一直比較落后。但是隨著電子技術(shù)的不斷提高，使得頻率域探地雷達(dá)的造價一直在降低，同時人們對目標(biāo)識別的重視，使得頻率域雷達(dá)的高分辨率優(yōu)點更加突出，所以近年來頻率域雷達(dá)得到了較好的發(fā)展。如果將FMCW探地雷達(dá)應(yīng)用于煤層超前探測，其具有很高的發(fā)射功率，即探測深度很大，而且也能盡可能的增加分辨率，所以將FMCW探地雷達(dá)應(yīng)用于煤層超前探測具有很大的價值。[1-7]
FMCW探地雷達(dá)是根據(jù)接收到的回波信號與本地信號進(jìn)行混頻，然后根據(jù)差頻信號的頻率進(jìn)行信號位置的確定。所以在FMCW探地雷達(dá)中，頻率測量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到對物體定位的精確程度。而且在處理過程中，要同時確定多個信號的頻率。MUSIC算法由于其超高的頻率分辨能力以及可實現(xiàn)多目標(biāo)檢測的能力，使其成為處理FMCW探地雷達(dá)回波信號的主要算法。[7] [9]
1 FMCW探地雷達(dá)原理
調(diào)頻連續(xù)波探地雷達(dá)的系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示， 首先向目標(biāo)發(fā)射頻率按一定規(guī)律變化的電磁波，此電磁波在遇到目標(biāo)介質(zhì)后發(fā)生反射，包含有目標(biāo)介質(zhì)特性的反射電磁波通過雷達(dá)的接收天線被雷達(dá)系統(tǒng)接收。此時，將接收到的反射電磁波與本地的發(fā)射電磁波進(jìn)行混頻，然后就會得到一個差頻信號，我們根據(jù)發(fā)射電磁波的變化規(guī)律以及混頻后的差頻信號就可以得知電磁波在介質(zhì)中的傳播時間。
在實際應(yīng)用中，我們首先根據(jù)一定的算法處理差頻信號，使差頻信號的頻譜在差頻信號的頻率處產(chǎn)生頻譜峰值，我們通過此峰值就可以確定出差頻信號的頻率，然后確定出目標(biāo)的位置。
2 探地雷達(dá)信號處理中的MUSIC算法
MUSIC算法是一種典型的空間譜估計算法，它是將陣列接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分解，求取其特征值及特征值對應(yīng)的特征向量，從而得到兩個子空間――信號子空間以及噪聲子空間，其中信號子空間與接收到的信號以及噪聲都有關(guān)系，而噪聲子空間只與噪聲有關(guān)。MUSIC算法就是利用噪聲子空間與信號的各個分量相正交的特性來對信號的來波方向或者頻率進(jìn)行估計，這種算法具有非常高的頻率分辨率以及角度分辨率。前面我們已經(jīng)介紹FMCW探地雷達(dá)中，頻率測量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到對物體定位的精確程度。而且在處理時，要同時確定多個信號的頻率。MUSIC算法由于其超高的頻率分辨能力以及可實現(xiàn)多目標(biāo)檢測的能力，使得MUSIC算法成為處理FMCW探地雷達(dá)回波信號的主要算法。
MUSIC算法的處理步驟：
第二步 對估計出的自相關(guān)矩陣進(jìn)行分析，得出自相關(guān)矩陣的噪聲子空間。
第三步 利用構(gòu)造出來的譜函數(shù)P（？棕）進(jìn)行計算。
3 MUSIC算法性能仿真
1）來波信號的信噪比對算法分辨率的影響 。
取來波信號的長度為1000， 探地雷達(dá)的接收天線為均勻線陣，均勻線陣的陣元數(shù)為10，來波信號的數(shù)目為三個，其歸一化頻率分別為？仔/2、35*？仔/64、 3*？仔/2，取信號的信噪比分別為0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可知信噪比越高，算法的分辨率就越高。
此外我們還對信號長度（信號的采樣點數(shù)）、接收天線的陣元數(shù)對算法分辨率的影響進(jìn)行了仿真，通過對不同參數(shù)的仿真分析總結(jié)出，當(dāng)信號長度（采樣點數(shù)）越大、信號的信噪比越大、接收信號的天線的陣元數(shù)越多，算法的分辨率就越高。
2）不同來波信號的歸一化頻率間隔對算法分辨率的影響 。
我們還對來波信號的數(shù)目對算法分辨率的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明當(dāng)天線陣元數(shù)大于來波信號的數(shù)目時，來波信號的數(shù)目對算法的影響較少，故該算法適用于多信號的識別。
4 結(jié)論
本文由FMCW探地雷達(dá)信號的特點入手，分析了MUSIC算法用來處理FMCW探地雷達(dá)信號的優(yōu)勢。之后介紹了MUSIC算法的思路，根據(jù)其要利用信號子空間以及噪聲子空間相正交的特性，對MUSIC算法進(jìn)行了推導(dǎo)，最后構(gòu)造出了MUSIC算法用來進(jìn)行信號頻率估計的譜函數(shù)。通過總結(jié)MUSIC算法的推導(dǎo)過程，得到了MUSIC算法的實現(xiàn)步驟。
最后對MUSIC算法進(jìn)行仿真，通過對不同參數(shù)的仿真分析總結(jié)出，當(dāng)信號長度（采樣點數(shù)）越大、信號的信噪比越大、接收信號的天線的陣元數(shù)越多，算法的分辨率就越高；并通過仿真結(jié)果得知此算法的歸一化頻率的分辨率在3*？仔/100～4*？仔/100之間，該算法適用于多信號的識別。
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