1

海軍兵器系統概論海軍兵器系統概論

東吳大學軍事教育東吳大學軍事教育全校選修全校選修

2

第４章 偵測子系統第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

3

４４ -- ３學習目標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

4-3 電磁波

4

電磁波的產生電磁波的產生♦ 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

4-3 電磁波

5

電磁波的產生電磁波的產生4-3 電磁波

E

B

e-＋＋ －－－－ ＋＋

6

電磁波的產生電磁波的產生♦ 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

天線天線

7

電磁波頻譜電磁波頻譜 Electromagnetic SpectrumElectromagnetic 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

8

電磁波頻譜電磁波頻譜 Electromagnetic SpectrumElectromagnetic Spectrum

髮絲

75μ

波長原子

0.55nm

電子

2.8 fm

海浬

1852 m

地球半徑

6366 km

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

VLF

LF

MF

HF

VHF

UHF

SHF

EHF

光電 X 射線

髮絲

75μ

波長原子

0.55nm

電子

2.8 fm

海浬

1852 m

地球半徑

6366 km

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

VLF

LF

MF

HF

VHF

UHF

SHF

EHF

光電 X 射線

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 233×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 233×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

3×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1m

3×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1m1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

9

電磁波的傳遞電磁波的傳遞♦ 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

♦ 平面波遠離波源

球形波

平面波

10

電磁波在大氣中的傳遞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

11

傳遞損耗傳遞損耗♦ 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

12

電磁波對人體有沒有影響？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

13

電離層 電離層 ionosphereionosphere

♦ 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

14

地波 地波 Ground Wave Ground Wave 模式模式♦ 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

♦ 沿著地表前進♦ 波長非常長，僅適於通訊使用

電離層

15

天波 天波 Sky Wave Sky Wave 模式模式♦ 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，則會逸入太空成為太空波

♦ 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？

電離層

天 波

太空波

16

太空波 太空波 Space Wave Space Wave 模式模式♦ 較高頻之電磁波，會直接穿過電離層，成為太空波

♦ 30MHz 以上的電磁波不會被電離層反彈

♦ 傾向以直線方式前進

電離層

　　

太空波

17

頻譜與地、天、太空波模式頻譜與地、天、太空波模式

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 233×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 233×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

3×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1m

3×100

頻率AM FM Radar Infrared

1024

1m1mGamma射線

微波

紫外光

音頻20-20k

可見光

髮絲

75μ

波長原子

0.55nm

電子

2.8 fm

海浬

1852 m

地球半徑

6366 km

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

VLF

LF

MF

HF

VHF

UHF

SHF

EHF

光電 X 射線

髮絲

75μ

波長原子

0.55nm

電子

2.8 fm

海浬

1852 m

地球半徑

6366 km

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

108 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -1510-16

波段ELF

VLF

LF

MF

HF

VHF

UHF

SHF

EHF

光電 X 射線

Ground Sky Space

18

視準線 視準線 LOSLOS

♦ 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

19

視準線 視準線 LOSLOS♦ 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 1

0% 的距離

20

LOS

對流層散射 600km

電離層天波 電離層散射 1000km

導管效應 ≈ LOS 110%

太空波

21

計算 視準線 計算 視準線 LOS LOS 最遠距離最遠距離

♦ 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 )

RT HHkmR 1717)(max