电磁波的实际应用模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇电磁波的实际应用，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

《电磁场与电磁波》是电子信息类专业的主干基础课程，涉及大量的场论和矢量分析方面的数学知识，覆盖内容较广，且有一定的深度。相对于应用型课程，该课程的理论分析内容较多，课程理解需要学生花费较大的精力和时间，且需要能够静下心来思考电磁场问题，因此，对于工科学生来说普遍较难理解。然而，该课程讲授的知识、理论和方法，在实际工程中具有一定的普适性，更容易与工程实例结合。以静态场为例，静态场是不随时间变化的场，是时变场的特例，在静态场部分的教学中主要做电容和互感的测量实验，多导体的部分电容和互感是静态场中非常重要的两个概念。要求学生在掌握部分电容和互感的特性及测量原理的基础上，应用测试具体参数，对比测试结果与理论计算结果是否相吻合。再如麦克斯韦方程组，看似只是一组毫无新意、索然无味的方程，多数同学接触到它都有一定的畏难情绪。但如果将“电磁隐形衣”“左手电磁材料”“磁悬浮”“无线电力传输”等实际应用有机结合到课程教学中，课堂氛围异常活跃，学生的学习热情大大提高，对实际工程实例的思考更加深入彻底，甚至有学生在此基础上开始研究电磁理论新的应用。

二、课堂教学与课外科技活动结合

篇2

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0010-02

随着信息时代的到来，作为通信传输技术基础的电磁场理论得到越来越广泛和深入的研究与应用。“电磁场与电磁波”是电气、电子信息、通信等工科电子类专业的一门重要的技术基础课，它是在大学物理电磁学的基础上，进一步研究宏观电磁现象的基本规律和分析方法。这不但是为了后续课程的需要，也是深入理解和分析工程实际中的电磁问题所必需掌握的基本知识，而且电磁场理论也是微波通信、卫星通信、电磁兼容和生物电磁学等高新技术的理论基础及交叉领域新学科的生长点。[1，2]所以电类专业的学生，无论是从当前的学习出发，还是为了拓宽将来的专业面，都应该重视这门课程，学好这门课程，打好专业基础。此外，学好这门课，对培养学生树立严谨的科学思想、科学分析问题的方法、复杂抽象的思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。[3，4]另外由于独立学院学生普遍基础不是很好，并且对抽象的理论课程的学习兴趣不大，更加重了独立学院重“电磁场与电磁波”课程的教学工作。

一、“电磁场与电磁波”课程特点

1.基础知识要求多

“电磁场与电磁波”课程是以大学物理、高等数学、电路分析、数学物理方程、复变函数等为基础，所涉及的内容很广 。大学物理中，电磁学部分内容是“电磁场与电磁波”的物理基础，而矢量分析、特殊函数等内容是学好“电磁场与电磁波”课程必需的数学工具，由于涉及复杂偏微分和特殊函数的计算，难度不小。因此要学好这门课程，必须熟练掌握这些基础课程的相关概念、理论和运算等。同样对担任本课程教学的教师提出了较高的要求，即一方面需要有较好的物理、数学及电路知识；另一方面需要有比较全面的专业知识。同时，又需要对通信工程实际情况有较广泛的了解。因此本课程的教学相对而言比较不易。

2.数学推导计算多

课程涉及大量的物理知识以及各种数学方法，在学习过程中如何处理数学与物理的衔接，数学方法和物理概念的联系以及理论分析与工程应用的关系至关重要，这也是学生较难处理的问题。

3.抽象的概念多

“电磁场与电磁波”每章内容都会引入一些新的、较难理解的概念、定律。例如散度和旋度是两个比较抽象的数学概念，学生们甚至在课程结束之后仍感到这两个概念很抽象，不理解在电磁场与波学习中为什么始终与之打交道；静电场中的自分布电容、互分布电容、广义力、虚位移等；恒定磁场中的矢量磁位、标量磁位；边值问题求解中的镜像法、分离变量法等。这些新的概念及定律不仅抽象、难理解，而且所涉及的公式通常比较复杂，计算起来难度较大。基于以上特点，对于“电磁场与电磁波”这门课程，学生普遍认为“难学”，教师普遍感到“难教”。

二、“电磁场与电磁波”教学存在的问题

1.学习问题

由“电磁场与电磁波”课程的特点可知课程本身过于抽象，学生普遍反映难学难懂，表现为抽象的纯理论和概念多，复杂的偏微分公式多，计算求解难度大，而对老师来说教好这门课也具有相当的难度。另外，在学习“电磁场与电磁波”课程过程中，学生常常难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好地结合。在学习“电磁场与电磁波”之前，学生一般都具备矢量场论的基本知识，但是在学习“电磁场与电磁波”的过程中却难以将所学知识与电磁场理论融会贯通、学以致用。还有许多学生数学基础薄弱，学习起来备感吃力。

2.教材问题

目前绝大多数教材都只强调经典的理论知识，缺乏有应用背景和紧密跟踪最新前沿发展的内容，这样不但导致理论与实际应用脱节，也很难激发学生的学习热忱。特别是对基础知识差的学生来说，一看到大量的证明和数学推导问题就失去了信心。

3.缺少实验设备

由于资金和实验设备的匮乏，使得大部分高校在“电磁场与电磁波”教学中缺少实验设备，导致无法开展实验课程。这样原本就十分抽象的课程，完全变成了一门纯理论教学的课程，也导致了学生学习中理论与实践的脱节问题。

4.课时问题

随着这些年的教学改革，大学生要求的总学分略有下降，而开设课程又增多的趋势导致“电磁场理论”的教学课时被极大压缩，由以前的80学时被压缩到40学时，导致教学自由度受到了较大的限制。

三、提高“电磁场与电磁波”教学质量的方法

1.制订教学大纲，确定教学内容

现有的“电磁场与电磁波”教学，大部分都是一些纯理论讲解的内容，而学生在学习的过程中经常问学这门课有什么用，学某一章节有什么用。看是一个简单的问题，但作为老师一定认真思考，给学生一个满意的答案。因为从这个问题上一方面反映了老师讲课不能只是大谈理论讲解，另一方面也反映了现有教材在实际应用方面的缺陷。对这个问题回答的好坏直接关系到同学们学习的效果和兴趣。基于以上原因和笔者多年的“电磁场与电磁波”的教学经验，自编内部教材讲义，此讲义最大的特点是以通俗的语言来讲解抽象的概念，以实际的例题来帮助理解重点理论，并且在每个知识点都有对应的应用实例。

由于“电磁场与电磁波”理论是人类在认识自然规律和生产实践活动中发展起来的，在日常生活、科学研究和军事等领域中的应用非常广泛，例如在微波炉、磁悬浮列车、隐形轰炸机、移动电话中的应用等。这些在此讲义的每一章的后面都是一个拓展知识的介绍，比如在第二章静态电磁场的最后一节中，就针对磁悬浮列车和卫星电推进器做了详细讲解，提高了同学们的学习兴趣。

2.循序渐进的教学方法

电磁场与电磁波是利用场的观点来研究空间某一物理量的确定值问题，而矢量分析正是研究此问题的重要教学工具。应用矢量分析的方法，可以使电磁场的基本定律、公式以简洁的形式表述出来，且与坐标的选择无关。所以先要学习一下矢量分析的内容，包括矢量运算、三种坐标系、矢量的散度和旋度等内容。以后每个章节的教学，采用从易到难、从静态场到时变场、从电场到磁场再到电磁场、从三维空间到四维空间的循序渐进的教学顺序。

首先，从较为容易掌握的静电磁场开始进行学习，此章节的教学应详细地分析各种情况，其中包含对基本方程、边值问题等理论的推导以及物理含义的分析，以及静电能量与力的分析等，而静磁场的讲解一定要和静电场的知识进行类比学习。这样就为时变电磁场、电磁场波的传播、波导等教学内容打下一个比较好的基础。后续各章节的教学，也应注意与静电磁场的理论进行比较。从静止电荷产生的静电场到研究运动的稳定电荷产生的恒定电场，然后研究电流引入的恒定磁场，随后进行电磁感应以及时变电磁场分析，并且在时变电磁场的分析中，推测电磁波的产生。之后讲解均匀平面电磁波在无界空间的传播、反射和透射，以及导行电磁波、电磁波辐射等知识，最后进行传输线理论的讲解。按照逐步深入方式，进行知识的扩充，使课程知识具有连贯性，学生也比较容易掌握。

3.巧妙使用类比方法

“电磁场与电磁波”课程体系中，小到一个公式，大到整个理论框架，都存在着对立统一的关系。通过这些知识点的类比，不仅使学生学到了“电磁场与电磁波”课程的精髓，也使他们体会到“电磁场与电磁波”课程体系中的对称美。类比包含两个方面的类比，一是课程、领域之间的横向类比，例如与“大学物理”相关知识点的类比，“电磁场”和“流体力场”、“电磁波”和“机械横波”的比较。由于电磁波与机械波都是横波，都具有横波的特性等方面的类比，水波的传播与电磁波能的传播的类比，电磁场与流体力场的类比等等，类比的教学策略进行更加形象直观的传授，启发创造性思维。另一个则是纵向类比，譬如该课程本身的静电场和静磁场、静电场和恒定电流场等的对比。这样，既拓宽了学生的知识面，也使学生通过类比对电磁场波动函数表达式有了深刻而又直观的理解。

4.仿真软件在教学中的应用

对于电子信息、通信专业的学生，基本上都会使用MATLAB软件，并且场与波的分析往往涉及复杂的绘图和大量的计算，将MATLAB仿真技术应用到“电磁场与电磁波”实验教学中，十分有助于将抽象的理论变成容易理解、接受的结论，这必将有助于“电磁场与电磁波”的课堂教学。[5]比如，利用MATLAB编写的程序可以绘制三维矢量的静态和动态分布图，给出了均匀平面波、矩形波导的传输模和截止模、电流元的电场和磁场的分布图，这将大大提高同学们的空间想象力和对这部分知识的理解能力。

5.适当的习题练习

对“电磁场与电磁波”课程的学习，不但要有正确的教和学的方法，还要有适当的习题练习。其实，习题都是针对某一知识点的实际应用而设计的，在同学们做习题的过程中一方面帮助他们理解知识点的应用，另一方面也巩固了课堂老师所讲内容。

在课堂教学中，不可能留出时间让学生来学习题，只能有针对性地来讲解有代表性的例题，做习题只让同学们在课下做，让同学把遇到的问题汇总起来，在集体答疑的时间来给同学们做详细的解答。在讲义中不但针对每一知识点精心设计应用实例，而且还设计了一定量的习题要求同学们完成。

此外，习题不仅仅是计算，在每一章结束后给学生出了一些思考题，让学生自己去查找资料来完成。比如假如存在磁单极子，麦克斯韦方程的形式是什么样的？

四、总结

本文是笔者多年来在“电磁场与电磁波”教学中的一点体会，本课程涉及的基础知识比较多，对教师的专业课程知识的要求较高，同时需要教师密切结合本校学生的基础、实验设备、课时、教学大纲的制订等实际情况进行分析。教学过程的每一个环节都需要周密思考、认真备课，注意平时在科研项目中随时积累，在教学中随时涉猎其他专业的知识。教师的视野开阔了，学生才能在电磁场领域的思维角度开阔一些，能够掌握宏观电磁场与电磁波的基本性质及基本规律，培养他们的抽象思维能力，分析解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]田雨波， 张贞凯.“电磁场理论”教学改革初探[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：11-12.

[2]王家礼，朱满座，路宏敏.电磁场与电磁波[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

篇3

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0042-02

“电磁场与电磁波”作为光电信息类本科专业的专业基础课。通过学习，使学生能够运用场的观点分析有关问题，完善知识结构，提高专业水平，为后续课程的学习奠定基础[1]。然而“电磁场与电磁波”却是公认的难学、难教的专业基础课程之一[2]。而且，南京邮电大学许多专业开设了“光波导理论与技术”、“光纤通信原理与系统”以及“光纤传输技术”等与电磁场与电磁波密切相关的专业课程，对“电磁场与电磁波”的教学提出了更高的要求。

一、“电磁场与电磁波”教学现状

1.内容多，课时少，缺乏更新。为了适应专业的发展和拓宽学生的知识面，相应地增加了与专业相关的课程，导致“电磁场与电磁波”课时减少。“电磁场与电磁波”的教材大都是面向电子信息类相关专业，且专业课不断追踪学科发展前沿，而作为基础课的“电磁场与电磁波”教学内容得不到及时调整与扩充。

2.知识面宽，理论性强，概念抽象。课程中重要原理、定理和公式比较多，需要许多数学、物理知识。且课程中许多物理场的数学描述，大多需要严密的数学推导。另外，电磁场是一种抽象的物质存在形式，课程中的概念比较抽象。

3.纯理论教学，缺乏实践与应用。大多数开设“电磁场与电磁波”课程的院校由于受到实验条件的限制，只进行纯理论的教学，造成理论与实践、应用脱节。

4.考核方式陈旧。目前的考核方式基本上还是以考试为主、平时成绩为辅的考评机制。平时成绩主要包括作业和出勤。但作业存在抄袭现象，出勤由于时间问题也只能抽检。造成平时成绩的考核会出现比较大的偏差。

二、提高教学质量的新方法

1.教学内容。①合理调整适合光电信息类专业的教学内容。光电信息类专业开设了“光波导理论与技术”、“光纤通信原理与系统”以及“光纤传输技术”等专业课程，与这些专业课程相关的“电磁场与电磁波”内容有时变电磁场与电磁波传播、导行电磁波、电磁波传播模式、色散等，应重点掌握这部分内容，因此在学时的分配上，应增加这部分知识的讲授时间。而均匀平面电磁波的传播是电磁波传播部分的基础，因而，也应详细讲解与阐述。为了使学生更好地学习有关专业课程，在讲授导行电磁波这部分内容时，可以穿插一些与其紧密相关的光波导方面的内容。②紧密跟踪学科发展前沿动态。为了保证教学内容与时俱进，“电磁场与电磁波”的教学内容应紧密跟踪学科前沿的发展动态。只有这样，教学内容才不至于陈旧，落后于当前学科的发展，才能不断向前发展。近年来，随着未来宽带光网络与无线网络的发展和融合，高容量信息技术需求的高速发展，出现了微波光子技术。微波光子技术集中了微波技术和光子技术的优点，使微波与光子在概念、器件、电路和系统等方面有机结合。当前，微波光子技术非常重要，发展也很迅速。因而，有必要在“电磁场与电磁波”的教学过程中，适当补充一些与“电磁场与电磁波”教学内容相关的微波光子技术的研究内容与前沿动态，可提高学生的学习与研究兴趣，同时，还能够培养适应当前社会发展需要的新时代的学生。

2.教学方法。①理论知识与实际应用相互交叉教学。学生往往对知识的应用比较感兴趣，因而，在理论教学中应紧密联系实际应用。一开始就要在绪论中介绍电磁波在电力工业、移动通信、射频识别、卫星通信、雷达探测、隐身技术等领域的应用，提高学生对这门课的兴趣。除此之外，还应在理论教学过程中，紧密地穿插一些具体的应用，特别是一些比较新的科技前沿的应用。这样可调动学生的学习兴趣，也可丰富学生的科技知识，从而提高学习与教学效果。②适当借鉴研究性教学。虽然教学手段在技术上不断更新，却仍然无法摆脱单纯由教师讲授的教学模式。而研究性教学是一种新的教学模式，它要求引导学生主动探究、培养学生实践能力和创新精神[3]。适当在“电磁场与电磁波”中应用研究性教学方法，设置与教学内容相关的研究型课题，引导学生在课堂上进行思考和讨论。也可以让学生以分组的形式，课后利用网络资源，尤其是图书馆的电子数据库资源对研究性课题进行研究。一方面可激发学生的学习热情，加强对所学知识的理解和进行综合运用的能力，提高学习效果；另一方面，可让学生获得研究的经历，为学生以后的工作和进一步深造奠定基础。③适当安排实验教学。“电磁场与电磁波”课程在大部分院校中主要进行理论教学，使学生感觉枯燥无味。为激发学生学习热情和兴趣，可适当安排实验教学。在没有实验设备的情况下，也可以利用Matlab等软件进行仿真实验。Matlab拥有大量的二维、三维图形函数以及丰富的图形表现功能。利用Matlab可绘制电偶极子和同轴电缆线电场线、等势线等。也可以进行均匀平面电磁波、球面电磁波在自由空间传播过程仿真，矩形波导的场量分布仿真等。通过仿真实验，能够帮助学生理解抽象的物理内容，激发学生对本课程的兴趣，同时也能够加深学生对基础知识的理解，锻炼学生观察和分析问题的能力，从而培养他们的初步科研能力。④现代教学方法和传统教学方法相结合。在“电磁场与电磁波”课程的教学中需要综合利用多媒体和传统的板书教学手段。充分利用多媒体的强大图形、动画功能，可把抽象的内含的物理过程充分演示出来，有效地帮助学生透彻理解物理本质并有效掌握所学内容。另外，由于“电磁场与电磁波”课程具有较多的公式与定理，不仅要知道公式与定理本身的内容，更应知道公式的来龙去脉。而且，在公式的反复推导过程中，可达到复习的效果，牢固掌握以前所学的知识。公式的推导过程如果还利用多媒体，很容易使学生感觉枯燥无味、产生疲劳，而板书则可使推导过程达到最佳效果。

3.考核方式。适当增加笔试以外的成绩。可以课堂设置一些基本问题，让学生课后思考与复习，然后通过抽查的方式以督促学生学习。也可以针对不同的学生设置不同的问题。对学生不定时进行随堂小测试，以消除因作业存在抄袭带来成绩评定的偏差。另外还可以适当布置Matlab仿真小实验，现场考察学生的Matlab仿真。通过增加笔试以外的成绩评定，这样可较真实地考察出学生对基础知识、基本理论的掌握情况以及解决实际问题的能力，也可提高学生的积极性，杜绝个别学生想通过抄袭蒙混过关的现象。

为提高光电信息类专业的“电磁场与电磁波”课程的教学质量，不仅要求教师在教学中不断探索新的教学方法以激发和培养学生的学习兴趣，而且要求教师本身还要不断地提高自己的业务水平，特别是科研水平。只有这样，才能不断提高教学质量，培养适合社会需要的新型人才。

参考文献：

[1]关建飞，倪新建，徐宁.光电信息类本科专业《电磁场理论》教学改革研究[J].中国科技信息，2010，（14）：206-207.

篇4

中图分类号：U675.74 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0139-02

引言

雷达既是舰船日常航行中定位、导航和避碰的主要设备，又是舰艇海上作战时搜索警戒、火炮控制和导弹制导的重要装备，因此作战舰艇根据不同的任务和使命装备有十几种甚至几十种雷达，这些雷达的作用距离对舰船的航行安全有一定的影响，同时对舰艇的作战效能也有制约作用。雷达的作用距离除了与雷达本身战术技术性能、天线高度、目标高度、目标反射电磁波的性能等条件有关外，还与传输电磁波的大气状况密切相关。对于处于海面上的舰载雷达而言，大气对电磁波的吸收衰减作用使雷达的作用距离减小；大气对电磁波的折射作用，会出现负折射和超折射等异常折射现象，其中次折射也会使雷达的作用距离减小，而超折射则会使雷达的作用距离增大。特别是当超折射严重而出现波导现象时，雷达的作用距离将成倍地增大，实现所谓超视距探测。这种现象在我国沿海的各海区都经常出现，如在黄海北部活动的舰船，有时雷达发现目标距离会比正常情况增大2～3倍。同样，这种电磁波超视距传播现象在世界各地海域都存在，尤其是在中东一带更是频繁地出现。由此可见，气象因素对雷达作用距离的影响程度是很大的，如果能够准确掌握气象因素对雷达作用距离的影响规律，将有利的条件加以充分地利用，对舰船的军事行动具有重要的意义。

1 气象因素对大气折射的影响

1.1大气折射的类型及其存在条件

通常，对流层中空气的折射率不为1，在地面附近其值一般在1.00025～1.00045之间变化。对于频率在1～100GHz范围内的电磁波，大气折射率n或折射指数N可表示为大气温度T（单位：K）、大气压力P（单位：hPa）和水气压e（单位：hPa）之间的函数[1]：

（1）

当电磁波传播距离很短时，可近似认为地球表面为平面，但若传播距离较长时，就必须考虑地球曲率的影响，为了将地球处理成平面，通常使用进行了地球曲率订正的大气修正折射率m和大气修正折射指数M，其表达式为

（2）

式中：R= 6.371×106m为平均地球半径，h为地表以上高度（单位：m）。式（2）可简化为：

（3）

由于大气层大气分布的不均匀性，上下大气层的折射率不同，因而电磁波通过不同折射率的大气层时将产生折射，折射的程度和方向将取决于大气层折射率垂直梯度的大小和正负。大气折射指数随高度变化的垂直梯度可通过折射率对高度求导得到，即将式（1）、（2）各物理量对高度求导：

（4）

（5）

式中：分别为大气压力、大气温度、水气压随高度变化的垂直梯度。

当大气折射指数垂直梯度dN/dh>0时，电磁波的传输轨迹将背着地球向上弯曲，此时的大气为负折射；当dN/dh=0时，电磁波的传输轨迹不发生弯曲而沿直线传播，此时的大气为零折射；当dN/dh

1.2异常大气折射的形成规律

由式（4）可知，大气折射指数垂直梯度与大气温度、压力、湿度的垂直梯度相关，其中水气压梯度前的系数最大，因而对大气折射指数垂直梯度的影响最大，大气温度梯度的影响次之，大气压力梯度的影响最小。因此在分析气象要素对大气折射的影响程度时，可先考虑水气压梯度的变化，其次考虑大气温度梯度的变化，至于大气压力梯度的影响可忽略不计。

在海洋环境中[2]，一般情况下在大气较稳定的晴好天气里，此时大气往往有一个比较稳定的逆温层，并且大气湿度随高度递减，容易出现超折射或波导现象。典型的天气有：

（1）在晴朗无风的天气背景下，海面夜间辐射降温，形成一个近地层的辐射逆温层。

（2）干暖气团从陆地平移到湿冷的海面上空时，形成近地层大气温度下冷上暖，湿度下湿上干的状况。

（3）雨后造成近地层下层大气又冷又湿的情况。

（4）夏季海面水汽蒸发，使海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减。

只有当大气温度随高度迅速下降或大气湿度随高度递增时，才能够形成负折射现象。负折射一般发生在高纬度寒冷的陆地和冰山附近，当有冷湿气团移到温暖的海面上空时候。

2 大气折射对雷达作用距离的影响

当电磁波在无折射的大气中传播时，其路径为一直线，此时雷达发现目标的距离受地球曲率的影响，其大小为[3]：

（6）

式中：R为地球平均半径；h、H分别为雷达天线和目标的高度。

由于受大气折射的影响，电磁波的实际传播路径为一弯曲的曲线，采用修正地球半径的方法对式（6）进行修正，即把在地球上成曲线传播的射线转化为在另一假定半径为Re（ Re称为等效地球半径）的地球上成直线传播，则在一般大气条件下雷达的目标能见距离公式为：

（7）

等效地球半径Re与地球平均半径R的关系[4]，可以通过二者与电磁波传播路径曲率半径ρ、大气折射率垂直梯度、电磁波发射仰角θ等之间的关系推出：

（8）

设称为等效地球半径系数。则，式（7）变为：

（9）

3 雷达作用距离的预测方法

充分利用我国在沿海主要港湾都设有气象观测站和雷达站这个有利条件，长期系统地观测海上来往舰船及当时的气象条件，并将实测数据进行登记、积累和整理，统计分析各种气象条件下等效地球半径系数K和雷达探测距离的变化规律。

3.1 等效地球半径系数K

测量大气折射率梯度的方法很多。由于大气折射率是大气温度、气压和湿度的函数，采用系留探测仪器和无线电探空技术测量大气温度、气压和湿度的垂直变化后可间接得到大气折射率梯度。也可以通过微波折射率仪直接测得。前一种方法主要适用于高度较高的中低空情况；而对于贴近海面的情况，由于高度较低探空仪的滞后性及测量误差达不到精度要求，因此只能采用体积小、精度高、响应速度快、采样率和自动化程度高的微波折射率仪直接测量大气折射率。

微波折射率仪的工作原理是测量通过腔体的空气折射指数的变化δn引起的谐振频f 的变化δf[5]，腔体是两端局部开口的圆柱形谐振腔体，能保证气流自由通过。微波折射率仪通过测量这一频率变化量得到空气折射指数。测量时，微波折射率仪需做匀速升降运动（升降速度约为0.1m/s）以测量不同高度上的大气折射率。此种方法对于高度在海面上30m范围内的气象要素观测尤为合适，且适用于气象台、海洋调查船或舰载直升机上使用。

为全面系统地积累相关资料，气象台需每天定时多次进行观测，根据测出的大气折射率梯度dn/df计算出相应的K值，将长期观测的数据进行统计分析，找出其随地理环境、季节、时间、气象条件等因素的变化规律。实际应用时，可根据气象台当天的实测结果，算出等效地球半径系数K值，再结合天气的变化趋势和K值变化规律，对其进行修正，最后用（9）式计算出雷达能够发现目标的距离。

3.2经验公式

由雷达站长期系统地实际观测海上往来舰船，并按月、日、时和舰船类型、气象等情况，将获得的观测数据加以整理，从而得出雷达在该海区作用距离随季节、月、日、时变化的规律，并根据实测的雷达数据对雷达能见距理论计算公式加以修正，总结出经验公式。

在标准大气条件下，等效地球半径系数K=4/3，将此值和地球平均半径值代入，得到雷达能见距公式：

（10）

受气象因素的影响，实际观测的雷达作用距离与式（10）计算的结果有出入，可以用加修正量K′的方法对式（10）进行修正。即：

（11）

系数K′随季节和天气的变化而变化，它是根据该海区实际观测统计的中位值计算而得。表1是根据某年我们在某海区连续21个月观测的3405个雷达发现目标距离的数据进行统计和分析后，得出的该海区各月雷达发现距离修正系数K′。

由于K′值是经验数据，在实际应用时还应该根据当时的气象条件进一步分析和修正。如果在各海区都能坚持长期不间断地测定、积累各种气象条件下的K′值，将结果存储于计算机中，实际应用时根据当时的季节、日期、时间以及气象条件等，由计算机得出相应的K′值通报舰艇，将更加有利于实际应用。

4 结束语

雷达的作用距离是舰艇海上作战时的重要指标，掌握不同海区雷达探测目标的距离规律，并准确预报出可能的目标能见距离，在军事上具有重要的意义。例如，在舰艇实施导弹攻击时，既要求在尽可能远的距离上发现目标并实施攻击，又不能使雷达过早开机而暴露自己。此时预测雷达发现目标距离就显得尤为重要，将直接影响到作战的成效。因此世界各国对雷达能见距离的预报都非常重视。早在20世纪50年代，前苏联就明确规定，海战中气象部门要为舰艇部队提供海上雷达能见距离的预报。我们也应该充分重视并系统研究气象因素对雷达作用距离的影响，进一步建立和完善气象和雷达观测体系，形成数据收集积累、统计、总结和预报制度，使舰艇在雷达使用中做到扬长避短，提高作战效能。本文对气象因素对雷达作用距离的影响及其预测方法的分析研究还处于初级阶段，有待于今后进一步的深入研究。

参考文献

[l]姚展予.大气波导特征分析及其对电磁波传输的影响[J].气象学报，2000，58（5）：605-615.

篇5

“电磁场与电磁波”课程是电子信息类本科各专业学生必修的一门核心基础课。学好这门课，对培养学生树立严谨的科学思想、科学分析问题的方法、复杂抽象的思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用，并且引导学生思考学习麦克斯韦方程组过程中的科学方法论-对称性思想，这对他们日后工作实践具有强大的指导性意义。

一、“电磁场与电磁波”课程教学现状

由于电磁现象比较复杂和抽象，研究它需要的数学工具多且难，教学过程中感到困难，特别是利用理论解题和实际应用更觉得难。

1.在学习中存在的状况

一是推导和计算难。课程中所涉及的公式多、表达式复杂、数学要求强。再推导中运用到矢量运算、微积分方程以及复数运算，过程繁杂，往往顾此失彼，学习吃力。二是概念抽象。该课程理论性强，概念抽象，对一些定理及概念，比如说惟一性定律、内自感、外自感等等概念难理解，物理概念不熟悉，学习难度大。三是解题困难。很多学生反应上课认真听讲，下课花大量时间推导公式，可遇到习题又像到另外一个世界，完全无从下手。长此以往，失去学习的兴趣。

2.在教学过程中存在的状况

第一，电磁场与电磁波课程涉及大量的公式推导，部分教师尤其是青年教师往往注重数学计算，而忽略了其物理意义，容易使该课程失去其意义。第二，课程系统性强，注重介绍其理论基础知识，忽略与实际应用的联系，容易让学生产生“学习这门课有何用”的疑惑，不能调动起学生的学习积极性。

基于以上特点，对于电磁场与电磁波这门课，学生普遍认为“难学”，教师普遍感到“难教”。

二、教学方法的探讨

1.理论联系实际，调动学习积极性

电磁场与电磁波以三大实验定律(库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律)和两个基本假说(有旋电场的假说和位移电流的假说)为基础，归纳总结出宏观电磁现象的普遍规律―麦克斯韦方程组，然后再从麦克斯韦方程组（即时变场）出发，回顾静态场，这时我们可以把静态场归结为时变场的一种特殊情况，用麦克斯韦方程组和其辅助方程来解决我们所遇到的具体的电磁问题。这样就使我们电磁场与电磁波这门课的内容简化为对麦克斯韦方程组的理解和应用，学起来也就简单容易，更有利于学生自主学习。在强调对概念的理解上，应该增加与实际相联系的内容和问题，用课本的理论来解释日程生活中的事例，以调动学习的积极性。

比如在讲解静态场时，由电磁学的库仑实验定律和安培定律分别引出静电场、恒定磁场的概念，并掌握静态场的方程及其物理意义，并介绍静电场的最常见的一个应用就是带电粒子的偏转，像控制电子或是质子的轨迹。很多装置，例如阴极射线示波器、回旋加速器、喷墨打印机以及速度选择器等都是基于这一原理的。随着学生对静态场的逐渐了解，问题也就解决了。在介绍时变场时，重点放在麦克斯韦方程组及其物理意义上，引导学生从该方程组出发，推导出波动方程、边界条件等方程。又比如，在学习均匀平面波的传播时，应该帮助学生建立起电磁波的概念，并对现实生活中遇到的电磁波传播问题进行讨论，再向学生提出几个应用问题：为什么海水中需要用长波通信？防辐射孕妇装为什么能起到防辐射作用？为什么在微波炉加热不能用金属托盘？收音机和电视的天线架设为什么不同？为什么隐形飞机雷达探测不到？等等，引导学生去寻找电磁波的应用，在工程实践、科学研究、日常生活，乃至现代战争中都能找到电磁场应用的实例。通过这部分理论知识的讲授，学生对这些问题有了较深的认识，经过发现提出问题、解决问题的过程，学生对本课程的兴趣越来越浓厚，学习目的也非常明确了。

2.板书与现代教学手段相结合

多媒体计算机和网络教学以其丰富的媒体表现形式、强大的教学交互功能和方便自由的自主性学习特性，对于提高学生的知识水平、培养学生的信息素养、培养学生的创造思维有着传统教学无法比拟的优势。但运用多媒体进行教学不能完全抛弃传统板书，尤其是“电磁场与电磁波”课程公式多，推导复杂，两者应有机结合起来，并把多媒体教学作为一种辅助教学手段。当进行公式的推导与分析时，应采用板书为主要方式，学生容易对复杂公式理解和接受，同时又引导思路，而不是一页幻灯片过去，学生不知道讲解了什么。但在介绍一些抽象的概念时，利用多媒体技术和仿真技术制作的CAI课件相结合，把复杂抽象的内容用生动形象的方式表达出来，图文并茂，形象直观，可以帮助学生对学习内容的理解。

下面以介绍波导的场结构教学为例，教师可以在教学过程中插入波导场结构的动画效果，其截图如图1，通过动画效果演示不仅能够提高学生学习波导的积极性和主动性，而且能够鼓励并引导学生的好奇心、求知欲、想象力、创新欲望和探索精神。

图1 波导的场结构

3.梳理知识系统，学会举一反三

电磁场与电磁波解题困难，其主要原因是其求解过程不仅仅是一个数学问题，更主要是一个物理问题。只有把其中内含的物理过程分析明白，运用好数学知识，才能充分理解问题的实质，找到正确的求解方法。对于大三学生来说，有必要增加对前面相关内容的回顾，如矢量的通量、环量及矢量运算等。在学习过程中，要加强前面知识的回顾和应用，比如介绍动态位函数时，先回顾静态场中位函数的引入、位函数满足的方程、以及位函数的定义表达式以及应用，进而推导出动态位以及滞后位的相关理论，有利于学习的连贯性。又例如在介绍平面波时，结合波动方程分析平面波的传播、入射和反射等波动特性等等。鼓励学生在做具体的题目时，做完后反思这题所涉及的知识及能力要求符合教学大纲的哪一部分内容，跳出题海战术，学会举一反三，更有助于加深学生对于电磁场与电磁波的认识。

“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息工程与通信工程专业的学生来说又非常重要。我们将进一步合理运用新的教学手段，提高教学质量，在理论教学中注意结合具体的应用问题讲述，鼓励学生主动学习、积极思考。

参考文献：

[1]孙玉发，尹成友，郭业才等.电磁场与电磁波[M].合肥：合肥工业大学出版社,2006

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0 引言

“电磁场与电磁波”是通信工程专业、电子工程专业一门专业主干课，因为大多电子信息的传播都是通过电磁场和电磁波来传递的，所以电磁波技术不仅广泛应用于通信技术、广播电播、电视技术、雷达测试技术、遥测遥控监测技术等众多领域中，同时信息安全技术问题、电磁兼容、电子对抗和电磁屏蔽等技术问题的研究也必须依赖于电磁场理论。一些重要的发现和发明都是以电磁场理论的研究为基础的，如指南针、电话、电报、电动机和发电机等，特别是无线电技术，完全是在电磁场理论研究的基础上发明、发展起来的。而且，随着我国信息科学技术的迅速发展，电磁场理论与微波技术在通信工程专业、信息工程专业、信息对抗专业和信息安全专业等人才的培养过程中显得尤为重要。

1 现状

“电磁场与电磁波”的主要内容包括：矢量分析、静态场分析、动态电磁场的概念、原理、分析方法和相关应用，电磁波在无界空间中的传播，电磁波在有界空间中的传播，这是是一门难度系数较大的课程，与前期相关课程联系紧密，如求解场的大小和方向时涉及到高等数学和大学物理学的知识，同时还要求学生具有一定的空间想象能力、抽象思维能力和逻辑推理能力。总的来说来说其难点主要体现在要求学生具有较高的空间想象力和较强的数学计算能力。

1.1 学习中的问题

学生在学习中存在的问题主要体现在两方面：一是，推导和计算难，课程中所涉及的公式多、表达式复杂、数学要求强。如果再在推导中运用到矢量运算、微积分方程以及复数运算，过程繁杂，往往顾此失彼，学习吃力。二是，概念抽象，该课程理论性强，概念抽象，对一些定理及概念，比如说惟一性定律、内自感、外自感等等概念难理解，物理概念不熟悉，学习难度大。三是，解题困难，很多学生反应上课认真听讲，下课花大量时间推导公式，可遇到习题又像到另外一个世界，完全无从下手。长此以往，失去学习的兴趣。

1.2 在教学中中存在的问题

第一电磁场与电磁波课程涉及大量的公式推导，部分教师尤其是青年教师往往注重数学计算，而忽略了其物理意义，容易使该课程失去其意义。第二，课程系统性强，注重介绍其理论基础知识，忽略与实际应用的联系，容易让学生产生“学习这门课有何用”的疑惑，不能调动起学生的学习积极性。第三，由于电磁场与电磁波先修课程高等数学和大学物理，由于一些原因在电磁场与电磁波的教学中有时会出现知识衔接的问题。

2 改革的思路

电磁系列课程教学内容和方法的改革必须从以下几个方面来进行：教育观念和理念的更新；专业技术基础课地位与内涵的再认识；课程体系和教学内容的改革；考试制度及方法的改革；网络课程和双语教学的初步尝试。通过这些方面的研究和实践，以取得较好的改革效果，电磁系列课程教学改革的实践应该采用全方位、立体化、多视角的教学模式，发挥教师的主导作用，确定学生的主体地位；想尽一切方法，采取一切手段，努力帮助学生开拓思路，激发潜能；在教给学生专业知识和学习方法的同时，全面培养他们的创新意识、实践能力和综合素质。

提高学生兴趣，兴趣是最好的老师。比如，在刚开始学习均匀平面波的传播时，让学生们自由讨论现实生活中遇到的电磁波传播问题，再向学生提出几个应用问题：为什么海水中潜艇之间的通信困难？如何防止室内电子设备受外界电磁波干扰？为什么在微波炉中牛肉能熟，而盛牛肉的盘子确不会烤焦？中波广播天线架设为什么与地面垂直？学生带着这些问题学习，当遇到这些问题，他们无法解决时，就想尽快知道解决问题的办法。通过这部分理论知识的讲授，学生对这些问题有了较深的认识。经过了这样多次提出问题、解决问题的过程，学生们对本课程的兴趣越来越浓厚，学习目的也非常明确了。

3 改革的方法

改变教学重点，对于静态场问题，不做大量的讲解分析。通信工程专业在后续学习中，更多的是应用电磁场的传播分析问题。大量的静态分析不仅耗费大量的时间和精力，而且让学生一开始就陷入茫然畏难之中，后面更实用的内容反而不能取得较好的教学效果。但静态场是动态场的基础，所以不能直接从教学中划出，实际教学中采用的办法是，仅仅讨论点电荷的散度，旋度，其他复杂情况不做讨论。而麦克斯韦方程不做过多的推导，直接给出结论，视其为“公理”，后续内容全部从麦克斯韦方程出发进行分析。

对于一些抽象的现象用Flas播放，对于一些复杂公式则在黑板上板书推导。如讲解经典的Maxwell方程组时，Maxwell方程组第二方程即法拉第电磁感应定律，借助一个Flas演示发电机的工作原理，生动形象，Maxwell方程组的第一方程提出了位移电流的假设，如果从理论上讲解会比较容易混淆，把Maxwell测试位移电流的实验用Flas或Ansoft Maxwell软件演示， 学生一看就明白了，且调动了学生的学习兴趣。

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中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0118-02

电磁场与电磁波是电子信息类本科各专业学生必修的一门重要的学科基础课程，所涉及的内容是电子信息类本科学生知识结构的必要组成部分，对学生专业素质的培养和提高起很大的作用。所以，2014年成功申报成为长春理工大学优秀课程。本文主要总结《电磁场与电磁波》优秀课程建设的教学经验和方法及教学手段等，分别从理论教学和实验教学两个方面对教学内容、教学方法和教学手段等进行探讨。

一、《电磁场与电磁波》教学内容的调整

1.教学大纲的调整和修订。①根据培养方案提高学生实践能力的要求，《电磁场与电磁波》在内容体系结构上做了一些调整，为此修订教学大纲，学时数由原来的理论64学时改为到理论48学时+实验8学时，使学生既能掌握基本理论又能打下应用基础，同时既突出基础性和知识体系的完整性，尽量避开繁杂的推导，注意理论与实际应用的结合，使学生易于接受。②为了加强实践环节的教学力度，增设8学时实验课程。根据实验教学大纲，编写实用的实验指导书，保证工科学生工程能力的提高。实验教学层次分明，学生实验兴趣得到提高，达到最佳实验效果。

2.课程内容体现学科前沿技术，理论与工程不脱节。《电磁场与电磁波》的前修课程是高等数学、工程数学、大学物理，是学生学习后续课程微波技术、天线、光技术、雷达技术、电气技术、电子对抗等的基础，在学科建设与发展中起着承上启下的作用。因此，本课程在专业培养目标中的定位为：承上启下，重在基础，开拓创新，引领未来。电磁场主要让学生掌握分布参数系统的主要理论、分析方法、长线理论及常用传输线，为以后从事微波电子应用技术、通信工程准备必要的理论基础。该课程理论严谨，逻辑性强，对培养学生逻辑思维能力、独立分析能力和解决问题的能力及理论联系实际的能力，都有很重要的作用。

从课程内容上，主要从理论和实验两个方面体现学科前沿：①《电磁场与电磁波》课程的工程性很强，因此教师在课堂理论教学中，经常从电子与信息科学领域、电磁科学领域取得一系列重大成就出发，将能反映近代科学技术的成就和一些对学生有重要意义的工程内容，引入课堂讲解，通过讲解例题、建立习题、精选前沿内容作为选修内容方式，将相关内容引入本门教材和教学内容中。同时，建立网络课程，加强网络资源建设，不断充实课程资源，完善网络教学，不断收集最新的科技成果补充到网络教学中。②加强《电磁场与电磁波》课程实践课和理论课的结合与渗透，培养学生解决实际问题的综合能力，理论教学与实践教学密切相关。根据实验教学的要求，保证理论教学为实践教学打好坚实的理论基础，让理论课教师参加实验教学，及时与学生沟通，了解学生掌握知识的情况与兴趣所向。与上述教学内容改革相适应，自编出版相应的实验教材《电磁场与电磁波实验指导书》，并在教学中采用。

二、教学方法改革

针对《电磁场与电磁波》课程理论性强，抽象，公式多，这种情况，我们在教学过程中对《电磁场与电磁波》课程的教学方法进行改革和探索，采用多种有利于培养学生自主学习能力和创新能力的方法，总结一些有成效的举措和经验。

1.采取小班授课，让学生积极参与。针对学院通信系大珩班的高要求，对大珩班采用小班授课，在教学过程中采用提问、讨论、测验等方式，同时给学生有在同学面前讲解习题、大量练习的机会，激发学生学习兴趣，调动学习主动性，教学效果非常明显。

2.采用隐性分层，分类指导。根据不同学生认知水平的差异，结合“以学生的发展为本”的前提，采用隐性分层法教学，遵循“因材施教”的原则，面向全体学生，为每个学生提供适合各自发展水平和接受能力的电磁场相关教学，使各层次学生学有所成，感受到学习《电磁场与电磁波》的乐趣。

3.采用实例进入课堂，提高课堂效率。对于大班授课的课堂，在课程建设过程中，加大理论课堂教学投入，把可以在课堂上演示电磁波的相关内容制成动画，把前沿科学技术制成视频带入课堂，使课堂内容直观、充实。

4.采用理论实验相结合。加强《电磁场与电磁波》课实践课和理论课相结合与渗透，培养学生解决实际问题的综合能力。理论教学与实践教学密切相关，根据实验教学的要求，保证理论教学为实践教学打好坚实的理论基础，让理论课教师参加实验教学，及时与学生沟通，了解学生掌握知识的情况与兴趣所向。

三、教学手段改革

1.电磁场与电磁波程采用全方位、立体化、多视角的教学模式，发挥教师的主导作用，确定学生的主体地位。结合“电磁场与电磁波”课程理论性强、信息量大、概念抽象等特点，采用多媒体教学方法，通过形象化的动态过程演示，根据《电磁场与电磁波》课程内容的发展修改课件，加入录像实例等，达到良好的教学效果。

2.教学过程中需要规范的板书，使课堂的条理性和层次性更加清晰，因此进一步把传统授课手段和多媒体教学等现代教育技术手段恰当地组合，扬长避短，达到理想的教学效果。

3.不断丰富网络教学资源，把相关教学课件、教案、大纲等上传到网络课程，在课后巩固环节中，要求学生自主学习，充分利用网上教学资源，进行课前预习、课后复习，真正提高教学效果。

4.完善试卷和成绩分析。根据长春理工大学《长春理工大学关于试卷评阅与归档的管理办法》，课程组要求教师明确试卷评阅教师责任，采取统一评分标准和集体流水阅卷的方式进行评卷。阅卷完成后，必须进行试卷和成绩科学、客观的分析，组织课程组教师对考试结果进行总结经验，指导教学。坚持对试卷归档，统一管理，保证试卷归档的完整性与准确性。近3年，《电磁场与电磁波》考试成绩分布基本合理，成绩单记载清楚、规范。试卷和成绩分析科学、客观，并能反馈指导教学，较好地反映学生的学习情况。

四、实验教学环节建设

电磁场与电磁波实验是理论课教学的一个重要组成部分。根据教学的基本要求以及电子学人才培养的需要，课程组整合实验课程和教学内容，形成从基础训练到系统设计的完整的实验教学体系，使学生能够在理论课学习的基础上，由浅入深地学习电磁场与电磁波的相关知识，为射频电路设计、无线通信技术、光纤通信、卫星通信等相关领域的课程学习和科研打下坚实的基础。

1.修订实验教学大纲，编写实验指导书。为了适应开放实验室的要求，实验教材既有实验理论教学内容，又有实验操作的教学内容，实验教学层次分明，既包括基本部分实验内容、设计性部分实验内容，也包括综合性部分实验内容，添加探究创新的部分内容，提高学生实验兴趣，激发创造性的思维，达到最佳的实验教学效果。

2.加强《电磁场与电磁波》课实验课和理论课的结合与渗透。根据实验教学的要求，让理论课教师参加实验教学，保证理论教学为实践教学打好坚实的理论基础，使理论教学与实践教学紧密结合，培养学生解决实际问题的综合能力。

3.利用网络资源，建立开放实验室。利用国家级实验中心的优势，建立开放实验室，学生可以利用网上预约系统自主预约，进行实验。同时，根据实验教学的特点，把实验内容、实验要求、实验考核方法、仪器设备使用手册、器件数据手册等教学资源制成网络课程上传至网络，让学生自主下载学习、交流，开阔思路。

五、优秀课程教材及相关资料建设和选取

1.教材选用国家“十五”、“十一五”规划等教材。①谢处方、饶克谨，《电磁场与电磁波》（第四版），北京：高等教育出版社，2006年普通高等教育“十一五”国家级规划教材。②蔡立娟、陈宇，《电磁场与电磁波实验指导书》，长春理工大学校内教材，2010年。

2.参考教材。①钟顺时，《电磁场基础》，北京：清华大学出版社，2006年，21世纪高等学校电子信息工程型规划教材；②焦其祥等，《电磁场与电磁波》，北京：科学出版社，2005年，21世纪高等院校教材；③王新稳、李萍，《微波技术与天线》，北京：电子工业出版社，2002年，21世纪高等学校电子信息类教材；④冯慈璋，《电磁场》，北京：高等教育出版社，1999年，高等学校教材。

3.为了提高学生对理论课程的理解，课程梯队提供大量的辅助教学资料。例如，制作《电磁场与电磁波》教学课件，推荐课外辅导书、指导光盘等，建立习题库等。为了促进学生自主学习，扩充知识面，学院资料室向学生全面开放。学院资料室现藏书两万余册，期刊一百余种，其中与本课程相关书籍或期刊500余种，许多参考书配有参考课件、光盘，可供学生课堂内外使用，效果良好。另外，学校网络资源丰富，学生可以充分利用网络资源和多媒体课件，收集、阅读相关知识，提高学习兴趣。

长春理工大学《电磁场与电磁波》优秀课课程组将继续在教学中不断摸索、前进，进一步提高教学质量，服务学生与社会。

参考文献：

[1]罗三桂.现代教学理念下的教学方法改革[J].中国高等教育，2009，（6）：11-13.

[2]李慧，刘克平，尤文.自动化专业精品课建设的研究与实践[J].实验室研究与探索，2011，（10）：306-308.

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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

中图分类号：P412.25文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

1引言：

地质雷达(ground probing/penetrating radar，简称GPR)是一种新型地下探测与混凝土无损检测设备。其主要原理就是用天线发射高频电磁波，传感器接受目标介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场分布与波形随所穿透介质的电性质和几何形态而变化。因此根据接收到波的双程走时、波幅与波形资料的分析处理，可以推断结构内部的实际状态。雷达在工业与民用建筑无损检测中的应用主要包括混凝土结构构件尺寸、钢筋分布、空洞、裂缝、不密实度及其它隐蔽工程探测等方面，这些项目所要求探测深度一般在几米内，但要求分辨率较高。

2地质雷达的工作原理：

地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置，其理论基础为高频电磁波理论：高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入被测介质，经存在电性差异的目标体或界面反射后返回并由接收天线接收。反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息。其检测原理如下图所示。

图1雷达探伤原理示意图

地质雷达在混凝土检测中基本参数如下：「1

2.1电磁波旅行时间：

其中为检测目标体的埋深；为发射、接收天线间的距离（可忽略）；为电磁波在介质中的传播速度。

2.2电磁波在介质中的传播速度：

其中为电磁波在真空中传播速度（0.29979m/ns）;为介质的相对介电常数，为介质的相对磁导率（一般为1）。

2.3电磁波反射系数：

电磁波在介质传播过程中，当遇到介电常数存在明显差异的现象时，电测波产生的反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

其中为第一层介质的相对介电常数；为第二层介质的相对介电常数。

由此可知,界面两侧介质电磁特性差异越大，反射波幅越强；波从介电常数大的介质进入介电常数小的介质时，反射系数为正，反射波振幅与入射波同向；反之，反射系数为负，反射波振幅为反向。从反射波振幅和相位上可以判定反射界面两侧介质的性质。

本次检测涉及的介质为空气、混凝土、钢筋，几种介质物性存在明显差异，其形成的反射是地质雷达检测的基本前提。

2.4地质雷达记录时间和勘察深度的关系：

其中为检测目标体的埋深；为雷达记录时间。

3资料处理：

地质雷达(GPR)数据处理是地质雷达应用过程中最重要的一个环节，由于混凝土各组成成分对电磁波不同程度的吸收和反射，以及本身的不均匀性等，使得雷达脉冲回到接收天线时波幅减小，波形也与原始发射波形有较大的变化。另外，不同程度的各种干扰和随机噪声，也歪曲了实测数据。因此，必须对原始数据进行处理工作，以改善数据资料，为最终地质解释提供清晰可辨的雷达探测图像。数据处理的一般流程如下：

图2 资料处理流程示意图

4资料解释原则：

对雷达剖面图像进行解释的基础是提取反射目标，只要被测介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面中找到相应的反射波，根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波的同相相位“连接”起来形成“同相轴”。地质雷达资料解释依据主要是雷达波同相轴的连续性和波形的变化、相位的变化。

5混凝土缺陷检测：

因甲方对某工程筏板基础混凝土浇筑质量存在怀疑，特委托我公司检测该筏板基础混凝土是否存在空洞、气泡、不密实、钢筋位移等缺陷，并指出缺陷的具置以及大小，我公司采用地质雷达对该筏板进行无损探测。

现场检测前应了解探测目标体与其所在环境条件，例如目标体深度、尺度、要求分辨率、目标体电性与周围介质电性以及现场环境是否存在大体积金属构件或电磁波反射界面等，这些是确定雷达测试能否进行以及选择雷达配置与参数的重要因素。

5.1测量仪器：本次检测采用的是SIR-20型地质雷达（美国GSSI公司），数据存储为为外接笔记本。

5.2天线选择：天线中心频率的选择需要兼顾目标深度、目标最小尺度、分辨率要求及场地条件等因素，「2选用1.5GHz屏蔽天线（美国GSSI公司）。

5.3测线布置：本次被测目标为筏板，测试应按网格状布置，为避免漏测，测线间距应小于被测缺陷水平尺度，依据预计缺陷大小，采用0.5m×0.5m网格。

5.4测试方式：本次检测采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动，移动过程中，得到由一个个记录组成的剖面图，横坐标为天线走程，纵坐标为由雷达脉冲“双程走时”换算来的目标深度。为更好地对目标体界面进行连续追踪，采用连续采样。

5.5资料解释：当混凝土密实时，反射波衰减速度基本一致，波振幅比较均一、同相轴比较连续。混凝土密实或没有空腔时，地质雷达不会有特别强的反射信号，雷达图像中表现为无多次波（图3a）；

图3a正常筏板混凝土 图3b 存在带状气泡筏板混凝土

当混凝土内部出现裂缝时，裂缝处由于空气的存在反射波衰减速度较慢，在图像上会显示同相轴错断的特征。同理，混凝土内部出现空腔或气泡时，图像上会显示出同相轴局部错断的形态，地质雷达会有明显的强反射信号（图3b、图3c）；

图3c 有空洞筏板混凝土图3e 不密实筏板混凝土

当混凝土不密实时，反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散（图3e）；

当混凝土内部有钢筋且钢筋走向和雷达天线移动方向垂直时，则在图像上会显示出大的圆弧特征（图3f）。若钢筋走向与天线移动方向平行，则会显示出波形粗黑的特征（图3g）。

图3f钢筋垂直天线方向 图3g钢筋平行天线方向

5.6检测结果：该工程多处筏板距表皮10～20mm范围内存在带状气泡，局部位置存在空洞及疏松，但未发现裂缝。钢筋间距及保护层厚度比较均匀，与设计值无较大偏差。

6比对试验：

采用微破损试验与地质雷达探测缺陷结果进行比对，依据雷达检测结果现场钻取芯样，经观测，空洞、不密实位置及几何形态与雷达检测结果基本相符，气泡位置及分布与雷达探测结果相同。采用钢筋测定仪对钢筋位置进行检测并配合现场剔凿验证，结果与地质雷达检测结果基本相符。这就充分验证了地质雷达检测大体积混凝土准确性。

7结语：

相对于钻芯法、电磁感应法，雷达法是一种新兴的无损检测技术。其具有对混凝土穿透力强、探测深度大等优势，并且可通过改变频率来实现探测深度和分辨率的调换。所发射雷达波具有极化特性，可以确定缺陷的形状、位置及走势，且成像迅速连续、结果易于保存，更擅于直观、快速和实时的完成大体积混凝土的检测。因此，雷达技术在工程中的应用对结构检测的发展与创新是有意义的。

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[中图分类号] U459.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-104-1

1工程概况

某高速公路起点桩号为K125+500，终点桩号为K132+550，线路全长共计7.05km，在整个高速公路施工中，设置两座大桥，四座分离式立交桥。高速公路路径填筑长度约为6.1km。为保障高速公路运行安全，在高速公路施工过程中，委托专业公司对该高速公路东桥段挡土墙、西南段滑坡位置段防护结构及其他段挡土墙进行检测，对高速公路挡土墙及滑坡体进行施工质量评估。在该工程挡土墙检测中，应用地质雷达无损检测技术进行检测工作。

2地质雷达无损检测技术工作原理

地质雷达属于一种新兴的高效浅层地理探测新技术，与传统探测技术相比，地质雷达具备探测速度快，重量轻，便于携带，探测精度高，图像直观等优势，在混凝土结构、岩土工程及其他领域应用较为广泛。

在应用地质雷达进行挡土墙检测时，通过雷达主机控制，雷达脉冲源装置产生周期性毫微秒电磁波信号，并直接将电磁波信号反馈给发射天线，通过发射天线耦合到挡土墙信号在传播路径中遇到的介质非均匀体时，如电磁波信号在传输中遇到孔洞、不密实等状况，会产生电磁波反射波信号，接收天线在接收到电磁波反射信号后传输给接收机，应用接收机对接收到的电磁波信号进行整形与放大等处理，经由电缆传输到雷达主机，雷达主机将处理后电磁波信号传输给计算机，通过计算机度信号幅度大小进行编码，并以波形堆积图、灰色电平图、彩色电平图等进行显示，判断挡土墙施工质量。由此可以看出，地质雷达无损检测技术，是通过对检测体发射电磁波，电磁波在进入墙体时，电磁波会产生发射、折射及绕射等现象，通过对电磁波形、幅度、发射波走时等进行挡土墙结构及挡土墙几何形态判断。其工作原理可以用图1来描述。

3地质雷达无损检测技术在高速公路挡土墙质量检测中的应用

根据该高速公路工程概况，采取地质雷达无损检测技术对该高速公路挡土墙质量进行评估与研究。

3.1前期准备工作

准备工作质量直接影响着地质雷达无损检测数据的准确性，准备工作的主要内容包括两个方面：其一，了解地质雷达探测区域情况。通过安排专业人员进行现场勘探，获取该高速公路地质雷达探测周边状况。在该高速公路挡土墙区域内，地下水位较高，地下水较为丰富，多在挡墙与填土连接位置存在着渗排水现象，部分区域形成了排水通道，严重损坏了挡墙背填土，影响挡土墙安全性；挡土墙在墙底设置有的一排挡土墙泄水孔，挡土墙中部没有设置泄水孔，泄水孔排水存在着不通畅问题；挡土墙砂浆受到较为严重的剥落，砂浆连接力不足；道路排水沟运行状态良好；在检测中没有发现挡土墙墙背地面下沉现象。其二，天线选型，在进行隧道衬砌检测中，需要应用屏蔽天线。频率低天线发射雷达波主频较低，分辨率偏低，精度一般，能量衰减速度慢，探测深度值较大，频率高天线发射雷达波主频较高，分辨率及探测精度较好，能量衰减速度较快，在深度较浅探测中效果突出。如表1为部分频率天线应用效果表。

为此，天线选型时，需要根据实际挡土墙厚度进行天线选型，在该高速公路挡土墙检测中选择900MHz天线进行探测。

3.2挡土墙检测数据采集

在该高速公路工程中，共设置两条测量线，分别设置于东桥段挡土墙、西南段滑坡位置段防护结构位置。在地质雷达检测之前，需要设置检测参数：将地质雷达检测行走速度控制在5km/h左右，设置900MHz天线记录长度为15ns，设置512个时间采样点，综合实际情况，采取由浅入深性增益，应用连续检测方式。

为保证地质雷达检测中，其检测图像测点与实际检测里程对应性，需要进行里程标记设置，在隧道边墙中以间隔5m的标准进行标记设置，从而方便里程核对。在地质雷达检测中，操作人员需设置雷达参数，在雷达记录中间隔5m作一次标记，在探测过程中，保持天线移动速度均匀。在该高速公路挡土墙探测中，以汽车搭载测试平台，保证测试数据稳定性与可靠性。

3.3数据处理及反馈

在采集探测数据后，应用专业处理软件进行处理，通过频谱分析、滤波去噪、增强振幅等措施，提高数据可分析性，通过研究异常特征及面层相位特征，对各个检测段探测结果进行分析，找出挡土墙中存在的病害，判断病害类型、深度、范围及所在里程等。通过雷达图像研究法发现挡土墙填土较为疏松，存在着孔洞等质量问题，为施工提出意见。

3.4检测结果

在该高速公路挡土墙检测中应用地质雷达无损检测技术，发现挡土墙厚度满足设计要求，然而在挡土墙施工中，部分位置存在着松散不密实问题，部分挡土墙存在着连续孔洞质量问题，研究其成因并提出处理建议，提高工程挡土墙质量。

4结语

高速公路挡土墙施工质量直接影响着高速公路运行的安全性及整体效益，在进行高速公路挡土墙质量检测时，可以应用地质雷达无损检测技术。地质雷达无损检测技术在应用中探测精度较高，图像直观，操作方便，综合效益较好。结合实际工程案例，对地质雷达挡土墙质量检测及具体应用进行研究。实践证明，应用地质雷达无损检测技术，可以有效发现挡土墙中存在质量问题，从而提出科学建议，保障高速公路安全运行。

参考文献

[1]康旺东.基于地质雷达无损检测技术的挡土墙质量评定及研究[D].中南大学，2012.

[2]汪贵春.挡墙质量无损检测技术应用研究[D].重庆交通大学，2009.

篇10

1 概述

物位是工业过程监控的重要目标参数，在热电厂内各种罐体、料仓、水池的连续物位测量中，雷达和超声波两种原理的物位计应用广泛。在工程项目设计阶段，设计师们对雷达和超声波物位计的选型依据业主的要求以及自身的经验，故两者在应用场合没有较明确的界限划分。针对这两种物位计的选择应用，作者谈谈自己的看法。

2 原理简述

2.1 雷达物位计

雷达物位计按其工作方式，主要分为脉冲式和连续调频式。

脉冲式雷达物位计，采用微波“发射反射接收”的原理：从天线发射出的电磁波信号，在被测物料表面产生反射，反射的回波信号被雷达系统接收，通过电子单元计算出发射至接收的行程时间（t）。因电磁波的物理特性与可见光相似，取光速（c）作为传播速度，进而可换算得出物位值（如图1所示）：L=E-D=E-c.t/2。

连续调频式（FMCW）雷达物位计的测量原理有别于脉冲式，电磁波信号被液面反射后，回波被天线接收，接收到的回波频率与此时发射信号波的频率相比，两者存在差异，此频率差的大小与到液面的距离成正比。如图2所示：

2.2 超声波物位计

与脉冲式雷达物位计相似，超声波物位计也是利用波的反射原理，通过时差法进行物位测量。两者之间的差别仅为雷达采用的为电磁波，其传播无需介质，而超声波物位计采用的为机械波。由于机械波的物理特性决定其传播必须借助一定介质，所以当介质的压力、温度、密度、湿度等条件恒定时，超声波在该介质中的传播速度是一个常数。因此，当超声波发射遇到物面后，传播路径上的介质密度发生变化，超声波被反射，测量超声波从发射到接收所需要的时间，即可换算出超声波通过的路程，从而得到了物位的数据。

3 特性及选型注意事项

3.1 雷达物位计

雷达物位计选型，需综合考虑介质的介电常数、料仓高度、物料形态及稳定性等方面的因素，从而选择确定物位计工作方式、微波频率、波束角以及天线型式。

3.1.1 介电常数

由于电磁波的衰减系数与介质的介电常数的平方根成反比，因此，被测介质的介电常数越大，电磁波的衰减越少，物位计接受到的反射信号也就越强，即测量可以得到更好的保证。以E+H MicropilotM FMR50系列雷达物位计为例，表1和图3显示，同型号雷达，对于低介电常数介质，其测量的量程范围明显缩小。特别针对A类介质，普通的安装方式甚至不能满足测量要求。

3.1.2 物料形态及稳定性

当物料为固体或粉末状态时，由于折射、漫散射等影响，使有效的回波减少，杂波增加。同样，当测量波动表面时，也存在有效回波检测困难的情况。

3.1.3 措施

不论是介电常数还是物料形态稳定性的问题，通过雷达的检测原理即可确定，要保证测量的可靠性，必需减少信号衰减，增加有效回波数量。

根据电磁波的特性，当波束角确定时，电磁波的频率越高，在单位面积上积聚的能量越大，电磁波的衰减越小，从而雷达物位计的测量精度也就越高。在实际运用中，脉冲式雷达物位计采用的电磁波段主要为C段（低频）和K段（高频）两种，两者主要性能对比如表2。

通常，波束角的大小与天线的尺寸成反比，天线越大，波束角越小，相同频率的波在单位面积上聚集的能量也就越大。针对固体、粉末类介质，且储罐条件比较复杂的场合，在选择高频雷达的同时，应采用大尺寸天线（例如抛物面天线）以提高测量精度。

由于外界杂波的干扰对普通非接触式雷达的信号判断及处理能力提出很高的要求，采用导波雷达或者增加导波管（液体测量）的方式较好地解决了微波传输稳定性的问题。除此之外，因电磁波的回波时间不因介电常数的变化而变化，仅为信号强度有差，所以导波式测量是低介电常数介质物位测量的优选方式。

连续调频式雷达物位计，因其独特的信号分析处理技术，具有高灵敏度、良好的稳定性和信号自动校准等优点，被视为是复杂条件物位测量的优选方案，特别适用于极度粉尘并伴有高温场合以及超低介电常数介质的物位测量。精度可达±0.5mm，测量范围可达100m。由于采用调频连续波技术，物位计功耗较大（5～10W），为常规脉冲式雷达物位计的10倍左右，常规采用220VAC四线制接线方式。但随着技术的发展，现已有应用良好的24VDC两线制产品，例如西门子SITRANS LR560等。

3.2 超声波物位计

超声波液位计，因声波的传播速度与传播介质的温度、压力以及被测介质的特性等均有关系，受外界因素的制约较大，常被用于简单工况稳定物位的测量。

3.2.1 常见影响因素

所有外界因素，对超声波信号而言，其最终的体现均为信号的衰减。常见的影响因素及其程度如表3。

3.2.2 测量范围计算

超声波物位计，与雷达物位计相比，因其声波自身的物理特性决定，其测量范围（一般不超15m）要小于雷达。在工程实际应用中，通过分析外界因素对信号的衰减影响，比较物位计理论测量值，得出可实际应用的测量范围。以E+H Prosonic M FMU4x系列为例：

测量热电厂渣仓料位，固体物料表面因素衰减约40dB，粉尘影响约10dB，假设无其余因素影响，查图4，FMU43的可用测量约4.8m。若此量程能满足工艺检测要求，则可采用超声波，否则需另选物位计。

3.3 特性比较

超声波测量鉴于被测介质的密度，其受温度和压力的影响较大，不同密度下超声波传播速度不同，信号修正困难。另外，超声波的发生是通过压电晶体的机械振动，当外界压力太大时会影响超声波的产生，所以不可用于压力较高或负压的场合，通常只用在常压容器。一般情况下，超声波液位计使用温度不可超过80℃，压力需在0.3MPa以内。而雷达受此影响不大，可以用在高温、高压工况下。

由于机械波易受传播介质的影响，能量衰减也相对较大，在气态或者不均匀介质中表现更明显。在相同能量下，电磁波的传播性比超声波要好很多，因此雷达物位计的可使用量程范围也比超声波要大，特别现在采用高频和连续调频技术，使得其量程范围进一步增大。

因雷达物位计对环境和介质本身产生的扰动分辨能力更强，也就可以更好地消除干扰，使得其能更好地保证测量精度。相比而言，超声波物位计因易受外界干扰影响，实际的测量精度较差。

3.4 选型应用

在热电厂中，物位的测量主要为煤、石灰石、渣、灰等固体或粉末类介质，以及部分水、油、酸碱液态介质，对于上述介质的物位测量，分析雷达和超声波物位计的原理和特点，选型如下：

（1）因雷达采用电磁波，不需要传播媒介，可以应用于真空工况。例如导波雷达，现被用于凝汽器热井水位的测量，而超声波则不适用。

（2）煤粉仓、灰渣库等低介电常数并伴有粉尘的固态或粉末状态物料，因声波会有很大的衰减，所以一般不应选用超声波物位计。选用雷达时，应选择高频雷达，并选用例如抛物面天线等此类的大尺寸小波束角天线。当安装条件允许时，也可采用缆式（小量程采用杆式）天线来降低介质特性本身以及外界干扰对测量带来的影响，但应做好天线端部固定工作。

（3）对于液氨、浓盐酸等易挥发或扩散形成雾气的储罐液位测量，或者是液面可能产生泡沫（例如循环水池）时，导波雷达将是很好的选择，但需要注意储罐的尺寸，若为小型储罐，则建议采用高频非接触雷达+导波管的测量型式。

（4）针对高压加热器水位、汽包水位等高温高压且存在汽水共腾工况的液位测量，可选用高温高压型同轴导波雷达。同轴探头，加上气相补偿、等时采样等技术的应用，使得在沸腾的腔体内，雷达也能有稳定可靠的读数。西门子LG200、E+H FMP54等产品均已在电厂此类场合的液位测量中得到很好的应用。

（5）由于雷达物位计产生高频电磁波的电子电路相对复杂，使得产品价格较高。因此，在精度要求不是特别高或测量理想液面（例如平静光滑的脱盐水储罐、点火油罐等液位）时，超声波物位计就体现了很好的性价比。另外，若为统一选型，减少物位计的种类考虑，经济型低频雷达也是较好的选择方案。

4 结束语

雷达和超声波两种类型的物位计均是工业物位测量的良好解决方案，其选型应用需根据过程工况、介质特性决定，并结合安装条件、使用环境等外界因素。经济适用、更好的性价比是设计人员选型的重要依据，也是现代工厂精细化管理追求良好效益的基础条件。

参考文献

[1]朱辉，郭志强.物位仪表发展趋势――雷达超声[J].中国仪器仪表，2009（S1）：202-204.

[2]王小林.西门子煤仓料位计探讨[J].科技创业月刊，2010（10）：191-192.