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1、第八章 電磁場與電磁波的應(yīng)用 8.1電磁波譜及應(yīng)用概述n電磁波譜范圍極大，習(xí)慣上把頻率在3kHz3000GHz的電磁波稱為無線電波，相應(yīng)的波長范圍為10-4 105m。通常所說的可見光是一種電磁波，波長為0.40.76m，比可見光的波長更長的區(qū)域即是紅外區(qū)，常用的光纖通信就工作在近紅外區(qū)，波長范圍為0.81.8m，相應(yīng)的頻率為1.671014 3.75104Hz。比可見光的波長更短的區(qū)域有紫外區(qū)、X射線、射線，它們都有很多的應(yīng)用。n為了更好地使用頻率資源，減少相互間的干擾，國際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）為不同行業(yè)指定使用不同的頻段。無線電波一般可按波段劃分，劃分后的波段名稱、波長、頻率范圍見

2、表8.1。 無線電在空間的傳播途徑有四種。1. 地波傳播n地波傳播是無線電波沿地球表面?zhèn)鞑?，如圖8.1所示。n通常波長越長，繞射距離越遠(yuǎn)，這是因?yàn)闊o線電波具有與其波長相比擬的障礙物尺寸時(shí)才能發(fā)生繞射，即進(jìn)行地波傳播。那么利用地波傳播，短波不超過100km，中波可達(dá)幾百公里。長波、甚長波、特長波可達(dá)幾千公里甚至上萬公里。 2. 空間波傳播n空間波的傳播有兩種： 一種是當(dāng)發(fā)射天線和接收天線均高出地面一個(gè)波長以上時(shí)，直接在空中傳播，如圖8.2所示。n另一種空間波由直射波及入射波、反射波組成，具有多徑效應(yīng)，如圖8.3所示。n超短波和微波可采用空間波傳播。 3. 電離層波傳播n無線電波從發(fā)射天線發(fā)出，經(jīng)

3、電離層反射而到達(dá)接收天線稱為電離層波傳播，如圖8.4所示。n短波沿地面繞射傳播能力差，但利用電離層波傳播是最適宜的。但頻率太高的無線電波、超短波或微波，一般要穿過電離層，不能被電離層反射回來，所以頻率不能很大，此外還存在一個(gè)寂靜區(qū)，如圖8.4所示，在這個(gè)區(qū)域既接收不到地波信號，也接收不到電離層波信號 4. 外層空間傳播n外層空間傳播是通過衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)的，如圖8.5所示。n外層空間傳播，電磁波主要受到大氣層的影響，大氣層對流層中的氧和水蒸氣會(huì)對電磁波有吸收作用，雨霧以及雪也會(huì)對電波產(chǎn)生吸收和散射損耗，電離層對短波還會(huì)有反射作用。綜合上述影響，無線電波在0.310GHz頻段，大氣吸收損耗最小，稱為“

4、無線電窗口”。因此通常選擇在這個(gè)窗口附近。 8.2廣播電視系統(tǒng)n無線電廣播中波波段一般采用5251605kHz，短波波段采用224MHz，調(diào)頻廣播波段為88108MHz。廣播是人類在社會(huì)實(shí)踐中對信息的需求與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是電磁場與電磁波的最早的應(yīng)用之一。n傳輸電視信號需要相當(dāng)寬的頻帶，因此需要采用超短波或更高頻段的無線電波。最早分配給電視廣播的VHF有12個(gè)頻道，頻率為49.75216.25MHz，后來又分配UHF頻段，共有56個(gè)頻道，頻率范圍為471.25951.25MHz。 n電視信號可以利用同軸電纜傳輸，稱為有線電視。有線電視已經(jīng)發(fā)展為頻率從49.75878.25MHz，有9

5、9個(gè)頻道的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。 n廣播電視系統(tǒng)本身就是電磁場與電磁波的重要應(yīng)用，前面所講的很多理論性的問題都可以具體應(yīng)用到系統(tǒng)中去。舉一個(gè)最簡單的例子來說明，收音機(jī)的天線是什么樣子?從理論上分析為什么要這樣放置？收音機(jī)天線之一如圖8.6所示。n磁性天線由鐵氧體棒上平繞多匝漆包線而成，可直接放在收音機(jī)內(nèi)。它又可作為收音機(jī)輸入回路的電感線圈。那么磁性天線如何放置在收音機(jī)內(nèi)呢？ n對稱振子天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場為n從式（8.1）可知，H只有e分量，如果磁棒垂直放置，那么電感線圈的方向和磁場方向平行，不會(huì)切割磁力線，如圖8.7所示。所以磁性天線不能垂直放置。（8.2.1） n那么磁性天線應(yīng)水平放置在收音機(jī)內(nèi)，當(dāng)磁棒軸

6、線與電波的傳播方向（er）平行時(shí)，如圖8.8（a）所示，線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢很小，收音機(jī)的聲音也很?。?當(dāng)磁棒軸線與電波的傳播方向垂直時(shí)，如圖8.8(b)所示，線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢最大，收音機(jī)的聲音也最大。繞垂直軸旋轉(zhuǎn)收音機(jī)時(shí)，聲音會(huì)發(fā)生變化。 n如果是金屬拉桿天線，應(yīng)如何放置呢？顯然應(yīng)該垂直放置。n這是因?yàn)閷ΨQ振子天線的輻射場為n拉桿天線垂直放置時(shí)與e主方向一致，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大。（8.2.2） 8.3移 動(dòng) 通 信n 20世紀(jì)20年代，現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展宣告開始。從20世紀(jì)20年代至40年代是現(xiàn)代移動(dòng)通信的起步階段。n 1987年11月18日，中國第一個(gè)TACS模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)在廣東省建

7、成并投入商用。這一時(shí)期的系統(tǒng)主要是依賴第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G），采用的是模擬技術(shù)和頻分多址（FDMA）技術(shù)。n第二代移動(dòng)通信（2G）主要采用的是數(shù)字的時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)和碼分多址（COMA）技術(shù)，頻譜利用率高，可大大提高系統(tǒng)容量，能提供數(shù)字化的語言業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 n目前正在迅速發(fā)展的是第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），它是將高速移動(dòng)接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來，提高無線頻率的利用效率，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)，傳輸速率最低為384KB/s，最高為2MB/s,帶寬可達(dá)5MHz以上，使用頻率1.8852.025GHz和2.1102.200GHz,提供全球覆蓋，實(shí)現(xiàn)有線和無線以

8、及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的無縫連接，滿足多媒體業(yè)務(wù)的要求。主要技術(shù)有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。n 3G系統(tǒng)仍然無法滿足未來的多媒體通信的需求，未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）。它是寬帶（broadband）接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有更高的無線頻率使用效率，且具有更好的抗信號衰落性能，上網(wǎng)速度可提高到100MB/s，具有不同頻率間的自動(dòng)切換能力。 n電磁場與電磁波的應(yīng)用貫穿于整個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)，下面的例子是從電磁場與電磁波應(yīng)用的角度來探討移動(dòng)定位技術(shù)。n蜂窩網(wǎng)無線定位是通過檢測移動(dòng)臺(tái)和多個(gè)固定位置收、發(fā)信機(jī)之間傳播信號的特性參數(shù)（如電波場強(qiáng)、傳播時(shí)間或時(shí)間差、入射角等）

9、來估算出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。移動(dòng)定位技術(shù)有多種，其中之一是基于三角關(guān)系和運(yùn)算的定位技術(shù)，可細(xì)分為兩種，即基于距離測量定位技術(shù)和基于角度測量的定位技術(shù)。 n下面介紹基于距離測量的定位技術(shù)。n如圖8.9所示，已知三個(gè)基站BS1、BS2和BS3的位置和它們與目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的距離，那么很容易確定出目標(biāo)移動(dòng)的位置，也就是以R1、R2和R3為半徑畫圓，交點(diǎn)即是目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)。 n那么如何測量目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)和基站的距離？ n目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)發(fā)出電磁波在距離為r處的電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H都與1/r成正比，因此基站接收到該目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的功率與1/r2成正比，這樣就可以測出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)MS到基站BS1、BS2和BS3的距離，從而確定MS

10、的位置。n但是這種利用電波強(qiáng)度的測量方法的精確度很低，這是因?yàn)闊o線電波在空間傳播時(shí)能量的衰減是多種因素共同作用的結(jié)果，如空間波存在著圖8.3所示的多徑效應(yīng)，再如在一個(gè)地形地物復(fù)雜的環(huán)境中受該環(huán)境的影響很大。n基于上述原因早期采用的場強(qiáng)定位法發(fā)展為到達(dá)時(shí)間定位法。這種方法的思路很簡單，各基站測出移動(dòng)目標(biāo)臺(tái)的到達(dá)時(shí)間，那么無線電波傳播的距離為 L=vt （8.3.1） n這樣就測出各基站到移動(dòng)目標(biāo)臺(tái)的距離，雖然這種方法受時(shí)鐘同步和時(shí)鐘精度的影響，但還是比場強(qiáng)度位定位法精度高得多。 8.4微波通信、衛(wèi)星通信和光纖通信n 1. 微波通信n微波通信是指利用微波頻率用作載波攜帶信息，通過無線電波進(jìn)行中繼接

11、力的通信方式。微波是指頻率為300MHz300GHz的電磁波。n模擬微波通信系統(tǒng)是傳輸FDM-FM基帶信號的系統(tǒng)，傳輸容量高達(dá)2700話路，并可同時(shí)傳輸高質(zhì)量的彩色電視。數(shù)字微波通信系統(tǒng)是傳輸數(shù)字基帶信號的系統(tǒng)，又分為PDH數(shù)字體系和SDH數(shù)字體系，傳輸容量高達(dá)7860話路。 n微波的波長很短，繞過障礙物而傳播的尺度很小，這就決定微波通信只能采取中繼接力方式，如圖8.10所示。大約50km就必須設(shè)一個(gè)微波中繼站。較大的通信系統(tǒng)需要建設(shè)非常多的中繼站，這也限制了它的使用。n雖然微波頻率范圍很寬（0.3300GHz）,但是用于微波通信的頻率范圍卻只有140GHz，這是因?yàn)楫?dāng)頻率較高時(shí)，雨、雪、霧及

12、水蒸氣對電波的散射或吸收損耗增加，造成電波衰減和接收電平下降，這些影響對12GHz以上頻段尤為明顯。 2. 衛(wèi)星通信n衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信。地球站是設(shè)在地球表面，包括地面、海洋和大氣中的通信站。實(shí)際上衛(wèi)星通信可以看作是利用微波頻率，把通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的一種特殊的微波中繼通信。衛(wèi)星通信工作頻段與微波通信相同。n目前民用通信衛(wèi)星使用同步工作方式，稱為同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從地面上看，這顆衛(wèi)星永遠(yuǎn)像掛在天空不動(dòng)，因此同步衛(wèi)星也稱為“靜止衛(wèi)星”。 n同步衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)如下： （1） 通信距離遠(yuǎn)，且費(fèi)用與通信距離無關(guān)（2） 覆蓋面積

13、大，可進(jìn)行多址通信（3） 通信頻帶寬，傳輸容量大（4） 信號傳輸質(zhì)量高，通信線路穩(wěn)定可靠（5） 建立通信線路靈活、機(jī)動(dòng)性好 n靜止衛(wèi)星配置幾何關(guān)系示意圖如圖8.11所示，若以120的等間隔在同步軌道上配置三顆衛(wèi)星，則在地球表面上除兩極地區(qū)未被衛(wèi)星波束覆蓋外，其他區(qū)域都在覆蓋范圍之內(nèi)，而且部分地區(qū)為兩顆衛(wèi)星波束覆蓋的重疊區(qū)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)全球通信。n目前國際衛(wèi)星通信組織負(fù)責(zé)建立的國際衛(wèi)星通信系統(tǒng)（INTELSAT，簡稱IS）就是利用靜止衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)全球通信的。三顆同步衛(wèi)星分別位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它們構(gòu)成的全球通信網(wǎng)承擔(dān)大部分的國際通信業(yè)務(wù)和全部國際電視轉(zhuǎn)播業(yè)務(wù)，如圖8.12所示。 n在

14、實(shí)際應(yīng)用中，國際衛(wèi)星通信的商業(yè)衛(wèi)星和國內(nèi)區(qū)域衛(wèi)星通信中大多數(shù)都使用6/4GHz頻段，其上行頻率為5.9256.425GHz，下行頻率為3.74.2GHz，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬可達(dá)500MHz。為了不與上述民用衛(wèi)星系統(tǒng)干擾，許多國家的軍用和政府用衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用8/7GHz頻段，其上行頻率為7.98.4GHz，下行頻率為7.257.75GHz。由于衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)量的急劇增加，110GHz的無線電窗口日益擁擠，14/11GHz頻段已得到開發(fā)和利用，其上行頻率為1414.5GHz，下行頻率為10.9511.2GHz和11.4511.7GHz。 3. 光纖通信n以光作載波的通信方式即是光通信。人們想到以光作

15、為載波，這是很自然的，這是因?yàn)楣獾念l率很高，為10141015Hz，因此利用光通信會(huì)有更大的通信容量。但是光在大氣中受到的影響因素非常多，如大氣中水蒸氣塵埃的影響、惡劣天氣的影響。另外還受到激光束本身的影響，如激光束非常細(xì)小給光學(xué)設(shè)備的對準(zhǔn)、控制及跟蹤帶來困難，所以限制了大氣光通信的使用。n于是人們就想到利用介質(zhì)來傳輸光信號，這種介質(zhì)即是光導(dǎo)纖維。這種利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。 利用光纖通信首先要解決兩個(gè)問題。（1） 光纖的基礎(chǔ)材料問題n人們通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，純凈的石英材料在0.81.8m，對應(yīng)的頻率為167375THz的近紅外光波入射，損耗很少。并且在0.85m、1.

16、31m和1.55m附近損耗最低，如圖8.13所示。 （2） 光導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)問題n光導(dǎo)纖維通常采用同軸圓柱體結(jié)構(gòu)，由纖芯和包層構(gòu)成，如圖8.14所示為增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，圖8.14光纖結(jié)構(gòu)在裸光纖的外面加上涂覆層。對于單模光纖，光纖直徑（即包層直徑2b）為125m，纖芯直徑2a為410m。 8.5雷達(dá)n雷達(dá)（Radar）是“Radio Detection and Ranging”的縮寫。其基本功能是利用目標(biāo)對電波的散射而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定目標(biāo)的空間位置。n雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成框圖如圖8.15所示。 從電磁場與電磁波理論來分析簡單連續(xù)波雷達(dá)是如何實(shí)現(xiàn)測速的。n簡單連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)中的動(dòng)目標(biāo)鑒別和分辨是以多

17、普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。設(shè)固定雷達(dá)發(fā)出電磁波的頻率為f0,則發(fā)射波的周期T0=1/f0，設(shè)動(dòng)目標(biāo)以恒速為u向著雷達(dá)移動(dòng)，如圖8.16所示，在t0時(shí)刻動(dòng)目標(biāo)在R0位置，在t1時(shí)刻動(dòng)目標(biāo)在R1位置。 雷達(dá)發(fā)射的電磁波到達(dá)目標(biāo)所需的時(shí)間為t0時(shí)刻發(fā)射的電磁波（峰A），到達(dá)移動(dòng)目標(biāo)，回波在t1時(shí)刻被雷達(dá)接收雷達(dá)在t+T0時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰（峰B），回波在t2時(shí)刻被雷達(dá)接收發(fā)射和接收波形如圖8.17所示（8.5.1）（8.5.2）（8.5.3） 接收的電磁波的周期T0一般情況下u/c1,因此可見，接收波與發(fā)射波比較頻率產(chǎn)生了偏移，偏移量為 f=2u/這樣根據(jù)頻率偏移量就可以測出移動(dòng)目標(biāo)的速度。（8.5.6）（8.

18、5.5）（8.5.4） 8.6 射 頻 識 別n射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）系統(tǒng)主要由閱讀器、應(yīng)答器和后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，如圖8.18所示，是電磁場與電磁波的重要應(yīng)用之一。 n RFID系統(tǒng)按數(shù)據(jù)量大小可分為1比特系統(tǒng)和電子數(shù)據(jù)載體系統(tǒng)。n RFID系統(tǒng)按工作頻段來分類，可分為： （1） 低頻，50150kHz；（2） 高頻，13.56MHz；（3） 甚高頻，260470MHz；（4） 微波，9029280MHz，2.45GHz，5.8GHz。n一般來說低頻段應(yīng)答器是無源的，應(yīng)答器所需要的能量由閱讀器通過耦合元件傳遞給應(yīng)答器，而應(yīng)答器和閱

19、讀器的有效距離很近。而遠(yuǎn)距離系統(tǒng)應(yīng)答器是有源的，要用微波來實(shí)現(xiàn)，作用距離可達(dá)100m以上。 1. 微波1比特RFID系統(tǒng)n微波1比特RFID系統(tǒng)原理如圖8.19所示。載波頻率在微波段，應(yīng)答器采用電容二極管的非線性特性和能量存儲(chǔ)特性來實(shí)現(xiàn)。n閱讀器持續(xù)發(fā)射載波頻率為fA（2.45GHz）、調(diào)制信號為F（1kHz）的振幅調(diào)制（ASK）已調(diào)波，應(yīng)答器的偶極子天線接收到信號，該信號由二極管的非線性特性產(chǎn)生高次諧波，利用電容二極管儲(chǔ)存的能量，使二次諧波通過天線二次輻射，閱讀器的接收通常檢測以2fA為載波的ASK信號，并將其還原成1kHz信號。 n 1比特系統(tǒng)只能識別“有響應(yīng)”和“無響應(yīng)”兩種狀態(tài)，那么為

20、什么用1kHz的調(diào)制信號對載波頻率fA作調(diào)制形成ASK已調(diào)波呢？這樣做的目的是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，如果閱讀器附近沒有頻率為2fA的干擾信號，閱讀器當(dāng)然不會(huì)響應(yīng)，可是恰巧有2fA的干擾信號，由于干擾信號沒有被正常調(diào)制，所以閱讀器也不會(huì)響應(yīng)。n微波1比特RFID系統(tǒng)雖然簡單，但廣泛用于各種門進(jìn)卡或商場的防盜系統(tǒng)中。 2. 電磁反向散射式應(yīng)答系統(tǒng)n電磁反向散射式應(yīng)答系統(tǒng)如圖8.20所示，它是利用電磁波的散射原理來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 n閱讀器通過發(fā)送天線將功率為P1的電磁波發(fā)送到自由空間，該功率其中一部分被應(yīng)答器反射，反射后被閱讀器接收的功率為P2。閱讀器發(fā)送功率P1與接收功率P2的比值為 b=P

21、2/P1 （8.6.1）n比值b與應(yīng)答器的反向散射功率P2有關(guān)，當(dāng)應(yīng)答器的天線與負(fù)載RL完全匹配時(shí)，P2幾乎為零，此時(shí)b=0,即閱讀器接收數(shù)字信號為“0”碼； 當(dāng)天線短路時(shí)P2達(dá)到最大值，幾乎被完全反射，此時(shí)b=1,即為數(shù)字信號“1”碼。那么CPU通過電子開關(guān)的通斷就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 8.7 水下電磁波通信n水下通信方式主要有水下聲波通信和水下電磁波通信。n首先來估算一下電磁波在水中的傳播距離。n設(shè)海水的電導(dǎo)率=4S/m，相對介電常數(shù)r=80,相對磁導(dǎo)率r=1，則海水可視為良導(dǎo)體 1. 極低頻（BLF）無線電通信n習(xí)慣上把3000Hz以下的無線電波稱為極低頻（BLF）。在300Hz的頻率時(shí)，

22、潛艇能在100m的深度接收到BLF無線電信號。使用BLF頻率對潛艇通信還具有抗干擾能力強(qiáng)和受核爆炸電磁脈沖影響小的特點(diǎn)，因此比較適合于彈道導(dǎo)彈核潛艇通信。n但是利用BLF無線電通信還存在著許多問題： （1） 信息傳輸能力低。美國海軍在20世紀(jì)70年代建立的“海員”系統(tǒng)，每分鐘只能傳輸10bit左右。（2） 陸基天線十分巨大，長達(dá)數(shù)十公里，戰(zhàn)時(shí)易受攻擊，對周圍的電力、通信及電氣設(shè)備有干擾。（3） 不能用來傳回緊急行動(dòng)電文。 2. 甚低頻（VLF）無線電通信n VLF頻段通常在330kHz之間，這個(gè)頻段在水下30m深度仍能接收到VLF無線電信號。目前仍不失為比較好的對潛艇通信手段之一，美國現(xiàn)已建成

23、全球性陸基VLF廣播網(wǎng)。n以上兩種通信方式受到的限制非常大，所以又發(fā)展出了機(jī)載對潛艇中繼通信系統(tǒng)、潛艇短時(shí)短波或超短波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星微波通信以及對潛艇通信浮標(biāo)。 n藍(lán)綠激光水下通信的原理是當(dāng)光通過海水時(shí)，不同波長的光的衰減不同，光在波長為0.47 0.54m時(shí)，存在著一個(gè)低損耗“窗口”，可以利用這個(gè)窗口進(jìn)行通信。藍(lán)綠激光水下通信系統(tǒng)的組成如圖8.21所示。n藍(lán)綠激光水下通信具有非常大的優(yōu)越性，藍(lán)綠激光穿透海水能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)與水深400m的潛艇進(jìn)行通信。藍(lán)綠激光的工作頻率高達(dá)1014Hz,因此通信頻帶寬，信息傳輸能力強(qiáng)。 n藍(lán)綠激光對潛艇的通信可分為陸基、天基和空基三種方案。 （1） 陸基系統(tǒng)。

24、由陸基上發(fā)出強(qiáng)脈沖激光束，經(jīng)衛(wèi)星上的反射鏡，將激光束反射至所需照射的海域，實(shí)現(xiàn)與水下潛艇的通信。這種方式可通過星載反射鏡擴(kuò)束成寬光束，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大范圍的通信； 也可控制成窄光束，以掃描方式通信。這種方案靈活，通信距離遠(yuǎn)，可用于全球范圍內(nèi)光束所能照射到的海域，通信速率高，安全隱蔽性好，但實(shí)現(xiàn)難度大。（2） 天基系統(tǒng)。與陸基方案不同的是，把大功率激光器置于衛(wèi)星上，發(fā)出強(qiáng)脈沖激光束，實(shí)現(xiàn)與水下潛艇的通信。這種方案其隱蔽性和有效性都是不容置疑的，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)難度也很大。（3） 空基系統(tǒng)。把大功率激光器置于飛機(jī)上，飛機(jī)飛達(dá)預(yù)定海域時(shí)，激光束以一定形狀的波束掃到目標(biāo)海域，完成對水下潛艇的廣播式通信。這種方案機(jī)動(dòng)

25、靈活，也是極佳的通信方案。 8.8 GMDSSn GMDSS是 Globle Maritime Distress and Safety System的縮寫，即全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是利用電磁波方式來進(jìn)行通信的。n GMDSS是1988年11月在SOLAS公約締約國大會(huì)上批準(zhǔn)并作出相關(guān)的決議，1992年2月1日開始實(shí)施的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是國際海事組織（IMO）用于改善舊的海上遇險(xiǎn)與安全通信，建立新的搜救程序，并用來進(jìn)一步完善海上常規(guī)通信的一整套綜合系統(tǒng)。 1. GMDSS系統(tǒng)的組成n GMDSS的組成如圖8.22所示，其功能是通過地面通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩大分系統(tǒng)來完成的。n按照IMO的

26、要求，凡從事國際航行的300總噸以上的貨船和一切客船必須裝備GMDSS設(shè)備，并要求具有以下功能： （1） 收、發(fā)遇險(xiǎn)報(bào)警信號，其中遇險(xiǎn)船發(fā)報(bào)警時(shí)至少應(yīng)使用兩種獨(dú)立的設(shè)備，并采用不同的通式方式。（2） 搜救協(xié)調(diào)通信。（3） 現(xiàn)場通信。（4） 收、發(fā)尋位信號。（5） 收、發(fā)海上安全信息（MSI）。（6） 常規(guī)通信。（7） 駕駛臺(tái)與駕駛臺(tái)間通信。 2. 地面通信系統(tǒng)及船用設(shè)備n地面通信系統(tǒng)是指使用MF/HF/VHF頻段的通信設(shè)備及其終端來完成GMDSS功能的分系統(tǒng)。該系統(tǒng)由船臺(tái)、岸臺(tái)和經(jīng)由岸臺(tái)中轉(zhuǎn)的國際/國內(nèi)公眾通信網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)用戶構(gòu)成。船用設(shè)備包括：MF/HF通信設(shè)備、VHF通信設(shè)備、數(shù)字選擇性

27、（DSC）終端設(shè)備、窄帶直接印字電報(bào)（NBDP）終端設(shè)備、NAVTEX接收機(jī)、雷達(dá)應(yīng)答器（SART）和VHF EPIRB等。n MF/HF/VHF通信設(shè)備是主體，所有終端都必須通過它們才能實(shí)現(xiàn)通信。其中，DSC終端具有遇險(xiǎn)報(bào)警、遇險(xiǎn)確認(rèn)、遇險(xiǎn)轉(zhuǎn)播、呼出某一電臺(tái)及接通陸地網(wǎng)的某一用戶等功能。NBDP終端在遇險(xiǎn)與安全通信及常規(guī)通信中可完成電傳的自動(dòng)收/發(fā)功能。 n MF/HF/VHF通信設(shè)備是主體，所有終端都必須通過它們才能實(shí)現(xiàn)通信。其中，DSC終端具有遇險(xiǎn)報(bào)警、遇險(xiǎn)確認(rèn)、遇險(xiǎn)轉(zhuǎn)播、呼出某一電臺(tái)及接通陸地網(wǎng)的某一用戶等功能。NBDP終端在遇險(xiǎn)與安全通信及常規(guī)通信中可完成電傳的自動(dòng)收/發(fā)功能。n按照

28、電波傳播方式，MF/HF/VHF頻段的設(shè)備分別用于中/遠(yuǎn)/近距離的通信。船舶遇險(xiǎn)時(shí)，遇險(xiǎn)報(bào)警（包括遇險(xiǎn)轉(zhuǎn)播和確認(rèn)）用DSC進(jìn)行，岸臺(tái)收到后立即轉(zhuǎn)往有關(guān)RCC，RCC將通知有關(guān)搜救單位或遇險(xiǎn)船附近船實(shí)施救助行動(dòng)。搜救協(xié)調(diào)通信選用MF/HF/VHF頻段的適當(dāng)頻率進(jìn)行，而現(xiàn)場通信基本上使用VHF/MF波段的CH16/2174 5kHz/2182kHz,以電話或電傳方式進(jìn)行。救助現(xiàn)場的尋位（尋找遇險(xiǎn)船或人的位置）靠SART并通過救助單位上的雷達(dá)來進(jìn)行。 n沿海近距離的MSI是靠NAVTEX系統(tǒng)發(fā)播的，而遠(yuǎn)距離的MSI是通過HF頻段NBDP設(shè)備以CFEC方式發(fā)播的。這些MSI由船舶配備的NAVTEX接收

29、機(jī)或NBDP設(shè)備自動(dòng)接收打印。n船舶間會(huì)遇避讓通信是靠VHF電話來進(jìn)行的。 3. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)及船用設(shè)備n GMDSS中使用了兩種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，即INMARSAT系統(tǒng)和COSPAS SARSAT系統(tǒng)。使用的船用設(shè)備有 INMARSAT A/B/C船站、1.6GHz EPIRB、EGC接收機(jī)、406/121.5MHz EPIRB。 （1） INMARSAT系統(tǒng)n INMARSAT系統(tǒng)由岸站（LES）、衛(wèi)星（空間段）、船站（SES）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站（NCS）和網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）組成。n目前INMARSAT組織開發(fā)的滿足GMDSS要求的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有INMARSAT-A/B/C/E四種，每一系統(tǒng)均利

30、用相同的空間段設(shè)施（4顆衛(wèi)星），只是每一系統(tǒng)要求LES（包括NCS）能單獨(dú)處理各自系統(tǒng)信號的收和發(fā)。同樣，每一系統(tǒng)對SES的要求也不一樣，甚至船站的識別碼結(jié)構(gòu)也不相同。 （2） COSPAS SARSAT系統(tǒng)n COSPAS SARSAT系統(tǒng)是用來確定三種信標(biāo)位置的全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)，這三種信標(biāo)是ELT/EPIRB/PLB。整個(gè)系統(tǒng)由緊急信標(biāo)、衛(wèi)星、本地用戶終端（LUT）和任務(wù)控制中心（MCC）組成。n本系統(tǒng)現(xiàn)使用5顆極低軌道衛(wèi)星。船舶遇險(xiǎn)時(shí)經(jīng)人工或自動(dòng)啟動(dòng)的406/121.5MHz衛(wèi)星EPIRB就會(huì)發(fā)出遇險(xiǎn)信號，該信號被經(jīng)過它上空的衛(wèi)星收到后轉(zhuǎn)發(fā)給LUT。LUT測出信標(biāo)的位置后連同警報(bào)信息一起

31、通過MCC通報(bào)給RCC和其他MCC或有關(guān)的RCC，救助行動(dòng)即行開始。 4. GMDSS的海區(qū)劃分n IMO于1988年10月通過SOLAS公約修正案規(guī)定，每一公約船應(yīng)按其工作的航區(qū)配備相應(yīng)的無線電設(shè)備，也就是說船載設(shè)備與其所航行的航區(qū)相適應(yīng)。n在GMDSS中，根據(jù)岸臺(tái)使用的各種頻段，無線電波的覆蓋范圍共分為四個(gè)航區(qū)，有時(shí)也稱為海區(qū)。GMDSS中的A1、A2、A3海區(qū)如圖8.23所示。n A1海區(qū)： 至少有一個(gè)VHF岸臺(tái)的無線電話覆蓋的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)能提供連續(xù)有效的DSC報(bào)警，這個(gè)區(qū)域可由締約國政府規(guī)定。n A2海區(qū)： 至少有一個(gè)MF岸臺(tái)的無線電話覆蓋的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)能提供連續(xù)有效的DSC報(bào)

32、警，這個(gè)區(qū)域可由締約政府規(guī)定，但不包括A1海區(qū)。 n A3海區(qū)： 在INMARSAT靜止衛(wèi)星的覆蓋范圍之內(nèi)，能提供連續(xù)有效的DSC報(bào)警的區(qū)域，但不包括A1海區(qū)和A2海區(qū)。n A4海區(qū)： A1、A2和A3海區(qū)以外的區(qū)域。n當(dāng)在上述各海區(qū)中航行時(shí)，若船舶發(fā)生緊急情況，要求能夠提供連續(xù)報(bào)警。 5. GMDSS船載設(shè)備配備原則和要求n 1） 船載設(shè)備配備原則n GMDSS中，船舶配備的設(shè)備除應(yīng)與其相應(yīng)的航區(qū)適應(yīng)外，還應(yīng)滿足GMDSS功能的要求。船舶設(shè)備配備的原則如下： （1） 船舶根據(jù)其航區(qū)提供執(zhí)行GMDSS功能的設(shè)備； （2） 船舶應(yīng)能至少以兩種分開的獨(dú)立的手段來發(fā)射船到岸的遇險(xiǎn)報(bào)警； （3） 每一

33、種設(shè)備應(yīng)能執(zhí)行兩種以上的功能，如遇險(xiǎn)報(bào)警、協(xié)調(diào)通信和常規(guī)通信等； （4） 設(shè)備應(yīng)操作簡單，工作可靠，并做到無人值守、自動(dòng)報(bào)警； （5） 救生艇配備無線電設(shè)備的目的應(yīng)是完成現(xiàn)場通信，以及發(fā)出尋位信號，以便順利地與搜救船只或飛機(jī)相配合，完成對救生艇的救助。 n 2） 船載設(shè)備配備要求（1） 所有船舶必須配備的設(shè)備 VHF無線電話裝置，該裝置具有收發(fā)功能； CH70頻道DSC功能； CH6、CH13、CN16頻道無線電話功能。 VHF DSC值班接收機(jī)； 至少2臺(tái)搜救雷達(dá)應(yīng)答器（SRAT）； NAVTEX接收機(jī)； 如果超出NAVTEX覆蓋區(qū)域，增強(qiáng)群呼（EGC）設(shè)備或HF NBDP接收設(shè)備（如船舶只

34、在提供HF播發(fā)海上安全信息業(yè)務(wù)的海域內(nèi)航行）； 406MHz EPIRB或1.6GHz EPIRB（如船舶只在INMARSAT衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)航行）； 雙向VHF無線電話設(shè)備（300500總噸的每艘貨船，至少2部； 每艘客船和500總噸以上的每艘貨船，至少3部）； 到1999年2月1日前，要求配備的2182kHz值班接收機(jī)、2182kHz無線電話報(bào)警信號發(fā)生裝置（只有A1海區(qū)航行的船舶不要求）。 用于常規(guī)通信的VHF電話設(shè)備（156160.5MHz）； 可用VHF EPIRB 代替衛(wèi)星EPIRB。 （2） A1航區(qū)船舶必須增配的設(shè)備 （3） A1和A2航區(qū)船舶必須增配的設(shè)備 MF DSC（218

35、7.5kHz）和2182kHz電話設(shè)備； MF DSC值守機(jī)； 用于常規(guī)通信的MF設(shè)備（16054000kHz）。 此情況下，有兩種選擇方案： A種方案是： INMARSAT船站（SES）一臺(tái)； MF DSC（218.5kHz）和2182kHz電話設(shè)備； MF DSC值守機(jī)，它可與MF DSC結(jié)合在一起。B種方案是： MF/HF設(shè)備（帶有DSC、NBDP、TEL終端，且能用于常規(guī)通信）； MF/HF DSC值守機(jī)，它可與MF/HF DSC結(jié)合在一起。（4） A1、A2和A3航區(qū)船舶必須增配的設(shè)備 （5） A1、A2、A3和A4航區(qū)船舶必須增配的設(shè)備 MF/HF設(shè)備（帶有DSC、NBDP、TEL終端，且能用于常規(guī)通信）； MF/HF DSC值守機(jī)，它可與MF/HF DSC結(jié)合在一起。