第6章-电磁散射测量
第六章 平面电磁波
一维电磁波，设电场仅为z的函数：
∂2Ex ∂z 2
−1 υ2
∂2Ex ∂t 2
=0
此方程的通解为
Ex ( z, t)
=
f
(t
−
z υ
)
+
f
(t
+
z υ
)
f ( t- z / v ) f ( t- z / v )
图 7-1 向+z方向传播的波
1
无界媒质中，一般没有反射波存在，只有单一行进方向的波。 假设平面波沿+z方向传播，只有Ex(z, t)分量，方程式的解
旋圆极化波 其它情况是椭圆极化波。
例1：试求下列均匀平面波的极化方式和传播方向。
(1) E = ex Em sin (ωt − kz ) + ey Em cos (ωt − kz )
(2) E = ex E0e− jkz − ey jE0e− jkz
(3)
E
=
ex
Em
sin
⎛⎜⎝ ωt
−
kz
+
π 4
入射波和反射波的形式
Ex
=
E e j(ωt−kz) 0
+
E e' j(ωt+kz) 0
自由空间：
∂Ex = ∂z
Ex
=
E e j(ωt−kz) 0
− jkE0e j(ωt−kz) = −μ
∂H ∂t
y
= − jωμH y
Hy =
E0
e = E e j(ωt−kz)
0 j(ωt−kz)
μ /ε
η
η具有阻抗的量纲，单位为欧姆(Ω)，与媒质参数有关，称为媒
MLFMA用于三维电大目标电磁散射特性的快速计算
第 27 卷第 6 期
Vol127 No16
长春师范学院学报 ( 自然科学版 )
Journal of Changchun Normal University (Natural Science)
2008 年 12 月 Dec. 2008
MLFMA 用 于 三 维 电 大 目 标 电 磁 散 射 特 性 的 快 速 计 算
[ 收稿日期 ] 2008 - 09 - 23 [作 者简 介 ] 李清 波 (1982 - ) , 男 , 江苏淮安人 , 淮阴师范学 院电子 与电气 工程系讲 师 , 从事 电磁场数 值计算 以及电 磁散射
(1 )
分析 研究 。
26
曲面三角形贴片灵活多变 , 适合各种复杂形状的物体 , 其优点主要为剖分更灵活 , 能处理复杂精细结 构 , 更易于拟合复杂三维 不规则目标表面 。我们可以借助于目前市 面上的许多计算机辅助 设计软件包 如 3DS , AutoCAD , ANSY S 等进行计算机自动剖分 , 以提高复杂目标几何建模的高效性和可靠性 。 考虑 xyz 平面的一个曲面三角形贴片 , 使用参数映射到参数空间成为右旋平面三角贴片。因为采用二阶 参数变换 , 一个曲三角贴片需要 6 个点描述 。具体表达式为 :
[ 关键词 ] 矩量法 ; 曲面 RWG 基函数 ; 多层快速多极子方法 ; 雷达截面积 [ 中图分类号 ] O44 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1008 - 178X( 2008) 06 - 0026 - 05
第6章 微波辐射测量
4) 波束效率与波束宽度
天线辐射方向图立体角为： 主波束立体角为：
M
P Fn ( , )d
4
( , )d F F ( , ) max
4
dP S r dA r 2 S r
dA F , d r2
主波束
Fn ( , )d
电子信息工程学院
电子信息工程学院
微波遥感分类
微波无源遥感
探测信息
微波遥感分类
微波有源遥感
探测信息
微波频段范围从300MHz到300GHz。 微 主要是对地物所辐射微波进行探测。
微波频段范围从300MHz到300GHz。主要是 对地物所散射来自发射天线的的微波进行探测 对地物所散射来自发射天线的的微波进行探测。
2).点源和面源
点源：辐射源对观测点（接收天线相位中心）所张的立体角小 接收天线 波束 体角 发射天线 于接收天线的主波束立体角。（发射天线）
3). 谱辐射量和谱功率
物质的热辐射不仅与温度有关，还与辐射波的频率有关。 物质在某绝对温度下，可辐射各种不同频率的电磁辐射，微波遥
（来自于张祖荫，微波辐射测量 技术及应用，1995）
ˆE ˆE E
H
1
ˆ E) (r
1 ˆ ˆE ) (E
功率密度：
S
2 1 1 2 ˆ ( E E ) Re( E H ) r 2 2
S
2 1 2 ( E E ) 2
•
点源辐射场表 式 点源辐射场表达式： （远场条件）
6) 弗里斯传递公式
2. 无源微波辐射测量基础
1). 辐射测量术语简介
功率密度和输入功率的关系 功率密度和输入功率的关系：
课程作业
精品课程作业：第一章双测向测井习题一1.为什么要测量地层的电阻率？2.测量地层电阻率的基本公式是什么？3.普通电阻率测井测量地层电阻率要受到那些因素的影响？4.聚焦式电阻率测井是如何实现对主电流聚焦？如何判断主电流处于聚焦状态？5.画出双测向电极系，说明各电极的名称及作用。
6.为什么双测向的回流电极B和参考电极N要放在无限远处？“无限远处”的含义是什么？7.为什么说监控回路是一个负反馈系统？系统的增益是否越高越好？8.为什么说浅屛流源是一个受控的电压源？9.试导出浅屛流源带通滤波器A3的传递函数。
10.已知该带通滤波器的中心频率为128Hz，求带通宽度、11.为什么说深测向的屛流源是一个受控的电流源。
12.监控回路由几级电路组成？各起何作用？13.试画出电流检测电路的原理框图，说明各单元的功用？14.双测向测井仪为什么要选用两种工作频率？15.测量地层冲洗带电阻率的意义是什么？16.和长电极距的电阻率测井方法相比，微电阻率测井方法有什么异同？17.为了模拟冲洗带电阻率R xo为1000Ω·m和31.7Ω·m，计算出微球形聚焦测井仪的相应刻度电阻值R(K＝0.041m)。
18.为了测量地层真电阻率，应当选用何种电极系？19.恒流工作方式有什么优点？20.求商工作方式有什么有缺点？21.给定地层电阻率变化范围为0.5～5000Ω·m，电极系常数为0.8m，测量误差δ为5％，屛主流比n为103，试计算仪器参数：G、G v、G I、W0max、W lmax、r、E（用求商式）。
第二章感应测井习题二1.在麦克斯韦方程组中，忽略了介质极化的影响，试分析这种做法的合理性。
2.已知感应测井的视电导率韦500（Ms/m），按感应测井公式计算地层的真电导率，要求相对误差小于1％。
3.单元环的物理意义是什么？4.相敏检波器可以从感应测井信号中检出有用信号，那么，为什么在设计线圈系时好要把信噪比作为一个重要的设计指标？5.画出1503双感应测井仪深感应部分的电路原理框图，说明各部分电路功能。
电磁散射特性研究
方案，并用时域有限差分（FDTD）方法[6]对等离子体隐 身翼面结构进行了优化设计。
1 FDTD迭代公式
各向同性媒质中麦克斯韦旋度方程为：
荦 × 軖H = ε0εr鄣E軑/鄣t + σE軑
（1a）
荦 × E軑 = - μ0 μr鄣軖H/鄣t - σm軖H
（1b）
式中：μ0和ε0分别为真空中的磁导率和介电常数；εr、μr、
第 22 卷 第 4 期 2012 年 12 月
天津职业技术师范大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Vol.22 No.4 Dec. 2012
等离子体隐身翼面的电磁散射特性研究
成 丹，郑宏兴
（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）
电磁散射计算模型
导读：复合网格法在电磁散射问题中的应用研究，电磁散射问题中的频域有限元算法，电
磁散射的高效混合计算方法，电磁散射问题的有限元分析，电磁散射特性仿真研究，电磁散 射计算模型。
中国学术期刊文辑（2013）
目录
一、理论篇 等离子体隐身翼面的电磁散射特性研究 1 电磁散射问题中的频域有限元算法 5 短切碳纤维电磁散射特性仿真研究 8 二维改进分形海面微波电磁散射计算模型 13 非高斯海面后向电磁散射的小斜率近似方法 19 复合目标电磁散射的高效混合计算方法 24 复合网格法在电磁散射问题中的应用研究 31 基于 POEEC 的各向同性介质薄层涂覆目标电磁散射 34 基于 SIBC 的等离子体薄涂层电磁散射的 FDTD 分析 39 基于基尔霍夫近似的改进分形海面电磁散射特性 48 基于矩量法的机身截面电磁散射特性分析 54 介质粗糙面及其与上方目标的复合电磁散射 60 二、发展篇 介质涂层金属圆柱体有限元法电磁散射特性的分析 63 金属介质涂覆的 S 形扩压器电磁散射特性 64 均匀介质中衍射光栅的电磁散射 73 雷达目标电磁散射特性仿真与测量 78 某型轮式自行突击炮电磁散射场特性与表面电流分布 83 偏心介质柱电磁散射 87 三维时变等离子体目标的电磁散射特性研究 92 双尺度法下改进分形海面电磁散射特性研究 98 水面目标复合电磁散射的并行迭代快速计算 104 指数型分布粗糙地面电磁散射的 FDTD 研究 110
6-高等电磁场理论-电磁散射
第6章
电磁散射
散射矩阵与散射截面
理想导电圆柱对平面波的散射 理想导电圆柱对柱面波的散射 理想导电球对平面波的散射 理想导电球对球面波的散射
an H (ka) ( j ) J n (ka) 0
J n (ka ) an ( j ) (2) H n (ka )
n
故得到
★ 讨论： ① 远区散射场
J n (ka ) (2) E ( j ) H n (k )e jn (2) H n (ka ) n
xLeabharlann es 1 (2) e jkz cos an H n (k sin )e jn k 0sin n
ei es 边界条件： ( )
a
0
an
§6.3 理想导电圆柱对柱面波的散射
问题：如图所示，一半径为a 的无限长理想
导体圆柱沿z 轴放置，附近放置一根无限长 的线电流 I，计算导体圆柱的散射场。 1. 无限长线源的场 位于 ( 0 ,0 ) 的无限长的线源的位函数满足方程
e
jkx
a
0
(Ei E S )
a
0
a
n
(2) an H n (ka )e jn 0
★ 平面波→基本柱面波函数展开 r (ex cos ey sin ) ez z jk r ， 平面波： e k k (ex cos k ey sin k ) ez kz
电磁场与电磁波(第6章)
面天线
由金属面或金属网构成的天线，具有增益高、方向性强等优点，常 用于卫星通信等领域。
阵列天线
由多个天线单元组成的阵列，通过相位和振幅的调整实现定向辐射 和接收，具有较高的增益和方向性。
天线接收原理
电磁波接收
天线通过感应电磁场中的变化，将电磁波转化为电流或电压信号。
波的极化
电磁波的极化是指电场矢量的方向随时间变化的方式，可以分为线极化、圆极化和 椭圆极化等类型。
极化的方向和方式由波源和传播介质共同决定，不同的极化方式会导致电磁波与物 质的相互作用方式不同。
在某些情况下，极化方式的变化可以用于信息传输和信号处理等领域，例如在雷达、 卫星通信和无线通信等领域的应用。
屏蔽是利用导电或导磁材料将需要保 护的电子设备或系统包围起来，以减 少外界电磁场对它们的干扰。
接地是将电子设备或系统的接地端子 与大地连接起来，以减少外界电磁场 对它们的干扰。
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电磁场与电磁波（第6 章
目录
• 电磁场的基本性质 • 电磁波的传播 • 电磁波的应用 • 电磁波的吸收与散射 • 电磁波的辐射与接收 • 电磁波的干扰与防护
01
电磁场的基本性质
电场与磁场的关系
电场与磁场是电磁场的两个基本组成部 分，它们之间存在相互依存的关系。变 化的电场会产生磁场，变化的磁场又会 产生电场，它们相互激发，形成电磁波
反射等。
05
电磁波的辐射与接收
天线辐射原理
电磁波辐射
天线通过电流在空间中产生变化的磁场，进而产生电 磁波辐射。
辐射效率
6高频方法
第六章高频方法电磁辐射和散射问题的计算方法，从适用的电尺寸范围看，可分为高频方法和低频方法。
低频方法精确，但随着电尺寸增加，计算量及内存需求迅速增加，计算速度慢，限制其只能应用于电小尺寸目标；高频方法适用于电大尺寸目标，计算量小，速度快，但其精度有待进一步提高，并且不适用于一些特殊部件（例如凹腔结构）的计算。
高频方法主要包括以射线求迹为基础的几何光学法(GO)、复射线理论和以等效流为基础的物理光学法(PO)、等效电流法(MEC)及计算绕射场的几何绕射理论(GTD)、一致性绕射理论(UTD)、一致性渐进绕射理论(UAT)、物理绕射理论(PTD)和增量长度绕射系数(ILDC)等。
§6.1 几何绕射理论的基本概念几何光学只研究直射、反射和折射问题，它不能解释绕射现象。
当几何光学射线遇到任意一种表面不连续，例如边缘、尖顶，或者在向曲面掠入射时，将产生它不能进入的阴影区。
按几何光学理论，阴影区的场应等于零，但实际上阴影区的场并不等于零。
这是由绕射现象造成的。
凯勒在1951年前后提出了一种近似计算高频电磁场的新方法。
他把经典几何光学的概念加以推广，引入了一种绕射射线以消除几何光学阴影边界上场的不连续性，并对阴影区的场进行适当的修正。
凯勒的这一方法称为几何绕射理论（GTD）。
几何绕射理论的基本概念可以归结为下列三点：（1）绕射场是沿绕射射线传播的，这种射线的轨迹可以用广义的费马原理确定。
原始的费马原理认为：几何光学射线沿从源点到场点的最短路径传播。
广义的费马原理则把绕射射线也包括在内，认为绕射射线也是沿最短路径传播的。
（2）场的局部性原理：在高频极限情况下，像反射和绕射这一类现象只取决于反射点和绕射点领域的电磁特性和几何特性。
由此就可以对某种几何形状的散射体，即所谓典型几何构形，导出把入射场和绕射场联系起来的绕射系数。
根据局部性原理，对于复杂几何形体的散射问题，可以把各个局部简单几何形体的散射场叠加起来得到整个系统产生的总场。
北航电磁兼容课件 苏东林 6-计算电磁学
22
有限元法的求解步骤
2. 插值函数的选择
有限元分析的第二步是选择能近似表达一个单元中 未知解的差值函数。通常，插值函数可选择为一阶（线 性）、二阶（二次）、或高阶多项式。尽管高阶多项式 的精度较高，但通常得到的公式也比较复杂。因此，简 单且基本的线性插值仍被广泛采用。一旦选定了多项式 的阶数，就能推导出一个单元中未知解得表达式。 以
a
n 1
N
n
f m , L( f n ) f m , g
这里 m 1,2,3......, n，得到 N N 矩阵方程 Za b，矩阵元素为：
z mn f m , L( f n )
bm f m , g
9
矩量法的核心求解步骤
矩量法求解一般性问题的算法步骤：
开始
① 将未知量 在算子的定义域内展开成 有基函数所组成的级数； ②
4
4.1矩量法
矩量法是将积分方程化为差分方程，或将积分方 程中积分化为有限求和，从而建立代数方程组， 所以其本质是求解代数方程组。在矩量法求解代 数方程组的过程中，矩阵规模的大小涉及到占用 内存的多少，在很大程度上影响了计算的速度， 如何尽可能减少矩阵存储量，成为加速矩量法计 算的关键。
5
4.1矩量法
15
改进发展方向
2. 开发快速算法
1) 快速多极子（FMM）和多层快速多极子算法（MLFMA），与传统的矩 量法不加区别地处理各离散单元间的相互作用相比较, 前两者方法将所有离 散单元分为若干组，组内单元之间都是近区作用，再将所有组分为近区组 集合和远区组集合，对近区组集合中单元之间的相互作用仍采用传统的矩 量法进行计算，而对远区组集合内单元之间的相互作用则采用特殊的算法 。源对远区的作用可适当减少信息量，对计算精度不产生明显的影响，却 可以使由矩量法所形成的满阵成为稀疏矩阵，从而适用于迭代求解。 2) 自适应积分方程法(AIM)，AIM的引入可以分析不规则物体的特性，它 首先使用三角形面单元或四面体划分待求物体，再将定义在三角形面元或 四面体上的基函数及其散度或旋度映射到其附近均匀划分的矩形网格节点 上，然后使用求解矩阵方程的方法求解阻抗矩阵方程，得到电流分布。这 种方法在源区使用多个源点代替基函数的作用，这样在源区就不再需要存 储阻抗矩阵元素，可以降低计算机的存储量。 16
第6章非线性光散射
第6章非线性光散射主要内容：本章介绍两种主动三阶非线性光学现象：受激拉曼散射和受激布里渊散射。
主要采用经典理论模型，讨论两种非线性散射的物理机制和规律。
前言中综述几种线性光散射现象；指出非线性光散射与线性光散射的区别。
6.1前言光散射是光通过介质后发生能量按频率重新分布的现象。
光散射起因于介质折射率的不均匀分布。
按引起介质光学非均匀性的原因的不同，自发辐射光散射可分成以下几类：a）瑞利散射:起因于原子、分子空间分布的随机起伏，散射中心的尺度远小于波长。
散射光强度与入射光波长的关系为I scatt.比1/"，即波长越短，散射光越强散射光的频率与入射光的频率相同，属于弹性散射。
b）瑞利翼散射：起因于各向异性分子的取向起伏。
散射光的光谱向入射光波长的两侧连续展宽，属于非弹性散射。
c）拉曼散射：起因于介质内原子、分子的振动或转动所引起。
也是一种非弹性散射。
散射光频率与入射光的频率不同，频移量较大，相应于振动能级差。
散射光频率红移者，称为斯托克斯散射光；散射光频率兰移者，称为反斯托克斯散射光。
d）布里渊散射：起因于介质密度随时间周期性起伏形成的声波。
也是一种非弹性散射。
散射光的频移量较小，相应于声子能量。
也有斯托克斯和反斯托克斯两种散射光。
图6.1.1给出以上几种自发辐射光散射的光谱图。
图6.1.1几种自发辐射光散射的光谱图比较自发辐射光散射（如普通拉曼散射与布里渊散射），因入射光较弱，入射光并不改变介质的光学特性，散射光仍是非相干的自发辐射光。
受激辐射光散射（如受激拉曼散射与受激布里渊散射），入射激光会改变介质的光学性质，散射光也是相干的受激辐射光。
属于三阶非线性效应。
两种受激散射光具有如下新的特性：（1）高输出强度。
受激辐射的输出光可达到与入射光同数量级的强度，甚至更强（具放大作用）。
受激散射光可把入射激光能量耗尽。
（2）高定向性。
前向和后向受激散射光的发散角可达到与入射激光相近的发散角。
如达到毫弧度，甚至衍射极限。
第一章(量子力学)汇总
2.黑体只能以 E = hν 为能量单位不连续的发射和吸收能量， 而不是象经典理论所要求的那样可以连续的发射和吸收能量.
3. 热力学与统计物理学----热现象理论
二、经典物理学的困难
进入20世纪以后，经典理论在解释一些新的试验结果 上遇到了严重的困难，晴朗的物理学天空飘着几朵乌 云：
1、黑体辐射问题－紫外灾难
2、光电效应--光照射到金属材料上，会产生光电子。但 产生条件与光的频率有关，与光的强度无关.
3、原子的稳定性问题－原子塌缩 按照经典理论，电子将掉到原子核里，原子的寿命约 为1ns.
内容
第一章 绪论
第二章 波函数和 Schrödinger 方程
第三章 量子力学中的力学量 第四章 态和力学量表象 第五章 微扰理论 第六章 散射 第七章 自旋与全同粒子
参考：周世勋教材 高等教育出版社 曾谨言教材(卷I) 科学出版社
第一章 绪论
§1 经典物理学的困难 §2 量子论的诞生 §3 微粒的波粒二象性
•Planck 辐射定律成 功的解释了实验
对
Planck
辐射定律的讨论： d
8 h 3
C3
exp(h
1 / kT
)
1
d
•1.当 ν 很大（短波）时，因为 exp(hν /kT)-1 ≈ exp(hν /kT)， 于是 Planck 定律 和 Wien 公式一致.
d
8h
C3
3
exp(h
第6章_X射线物理学基础
1
第六章
X射线物理学基础
第六章 X射线物理学基础
2
第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
3. X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医 疗透视和工业探伤等方面的有力工具。
第二节 X射线的产生与X射线谱
24
一、X射线产生： 1. X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突 然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶） 据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。
2. 威廉· 康拉德· 伦琴（Wilhelm Konrad RÖntgen ）摄于1896年
4
1845年3月27日生于德国莱茵州雷 内普 （Lennep）镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位 1870年回德国维尔茨堡大学工作。 1894年任维尔茨堡大学校长。 1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教 授，主任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
X射线波动性的表现（2）
17
4. 电场矢量E 随传播时间或传播距离变化呈周期性波动， 波振幅为 A（或E0）。 一束沿 y 轴方向传播的波长为λ的X射线波方程为：
第六章 散射和吸收
第六章散射和吸收（Scatter and Absorption）§6.1描述衰减的术语（Terms Describing Attenuation）§6.2辐射传输方程Ⅰ（Radiative Transfer EquationⅠ）§6.3大气层和大气窗（Aerosphere & AtmosphericWindows）§6.4辐射传输方程Ⅱ（Radiative Transfer EquationⅡ）§6.1.1复折射率和穿透深度（Complex Index ofRefraction & transmittance depth ）复折射率（complex index of refraction ）的表达式如下它的实部n ′是折射率（refraction index ），它表明电磁波在两介质的界面处传播速度和方向的变化。
n n ′′−′=i n图6-1：折射和反射如图图6-1所示，在海-气界面，反映这种变化的是斯奈尔折射定律（Snell’s Refraction Law ）（6-2）式中n ′是电磁波从空气向海水传播时在海水的折射率，θ1是入射角，θ2是折射角，c 和v 分别是电磁波在空气和海水中传播的相速度（phase speed ），这里v 指复相速度的实部。
斯奈尔折射定律（Snell’s Refraction Law ）•使用测量折射的仪器可测得在可见光范围介质的折射率n ′。
如果已知海水的相对电容率εεr ，则可使用（6-3）来计算复折射率n = n ′−i n 〞•在微波波段里，相对电容率εεr 可从德拜方程获得。
复折射率的虚部表示电磁波在介质中传播的衰减程度。
把（,6-1）和（6-2）代入麦克斯韦方程组的解，可得到（6-4）式中E x （ω, z ）代表电场强度（electric field intensity ），ω= 2πf 代表电磁波的角频率（angular frequency ），z 是沿电磁波传播方向的坐标，E x0是电场强度（electric field intensity ）在传播过程开始点（z = 0）的振幅，脚标x 代表电场强度沿x 轴方向振动，它与电磁波的传播方向z垂直。
光学教程(姚启钧) 第6章 光的吸收散射和色散
3 吸收光谱
朗伯定律是吸收光谱的基本原理。入射的有连续波长分布的 光，透过物质后，在选择吸收区域，在有些波长范围被强烈 吸收，形成吸收光谱。 钠的吸收光谱
一般地讲，固体和液体选择吸收的波长范围较宽，称之 为吸收带；而稀薄气体选择吸收的波长范围很窄，表现 为吸收线。 反映原子、分子结构特征——原子光谱、红外光谱 大气窗口——空间遥感探测、气象等研究
第六章 光的吸收、散射和色散
6.1 电偶极辐射对反射和折射现象的解释
6.2 光的吸收
6.3 光的散射
6.4 光的色散
*6.5
色散的经典理论
1
吸收 光的 散射 色散
三种现象都是光与物质的相互作用引起的， 是不同物质光学性质的主要表现，实质上是 由光和原子中电子相互作用引起的。
对这些现象的讨论，有助于给我们提供原子和分子结构的信息。 三种现象既与生活中的许多现象有关，又与现代光学技术 的前沿课题紧密相关。 物体的颜色是因为不同的物质对不同波长 的光波有选择的吸收的缘故， 例： 蔚蓝色的天空、旭日与夕阳的红色，都是光散射 的结果， 光的吸收和散射都造成光能量的衰减，在光纤通讯中 减小介质的衰减乃是成功的关键技术之一。
16
§6.3 光的散射 问：天空为什么是蓝的？旭日ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ夕阳为什么是红 的，而中午的太阳看起来又是白的？云为什么是 白的？如果没有空气，天空又会是什么样的呢？
1 光的散射现象
当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光 的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都 可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散 射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧 面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘 散射的缘故。
现代微波与天线测量技术 10微波天线测量技术第六章
测 近场测试 试 距 离
远场测试
缩距法（紧缩场） 平面
近场扫描法 柱面 球面
利用地面场
不利用地面场
测 室内场测试 试 场 地 室外场测试
近场 远场 紧缩场
辐射天线场分布
26
一、天线测试概述
（四）天线测试的应用
• 天线研发设计
• 检验理论分析正 确性
• 对比仿真结果 • 优化设计参数
• 天线生产制造
络散射参数、反射系数、驻波比 三、天线特性参数的测量
主要有阻抗特性和方向特性，包括输入阻抗、频率 特性、效率和匹配等；后者有方向图、主瓣宽度、付 瓣电平、增益系数、方向性系数、极化和相位特性以 及有效高度。
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天线测量的主要任务
一、检验理论 求解天线场问题时，几乎总是对理 想条件作数学分析，再进行计算，因此理论的正 确性必须由试验检验。 二、独立研究 对天线技术中许多理论上还不够成 熟的课题要靠实验来解决，再逐步上升到理论， 是研制天线的一种方法。 三、工厂制造检验 天线在出厂前必须测量他的电 参数和机械性能，看是否能达到设计要求。 四、安装和维修 天线良好的性能还取决于正确的 安装和使用维修 天线测量的结果精度取决于仪表精度、测试方法、 测试场地条件及测试者的技术水平有关。
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二、测试场地―测试和鉴定天线的场所
天线测试场地可分为室内和室外，但均要求无外 界干扰
室内微波暗室 室外：现场和专门的天线测试场 由于卫星通信、雷达等用途中，天线都处在它的 远区，所以要正确测试它的辐射特性，必须具备一 个能提供均匀平面波的照射待测天线的理想测试场， 测试场地分为自由空间测试场地和地面反射测试场 地
• 抽检天线合格率 • 指导改进生产工
艺
• 天线应用阶段
典型结构缺陷的局部电磁散射特性测试流程研究
图11 损伤分布随时间的变化趋势图12 有限元模拟和实验数据对比结语本文通过搭建多轴蠕变试验台，开展内压和轴向拉伸多轴蠕变试验，并利用有限元二次开发进行蠕变过程模拟，得出以下结论。
，式中，δ值（理论值），图1 载体外形示意图 图2 安装接口被测部件外形为盾形，与低散射载体通过止口定位连接，尺寸精度需要较高，安装之后缝隙小于0.2mm，安装完后采用相应的铝箔或吸波胶条将安装螺丝和缝隙黏接，以确保电性能连续。
在同一测试环境中，目标-载体耦合来源于目标的散射和载体的再散射。
根据目标雷达散射特性测量与处理技术，目标-载体耦合的影响很难完全采用解析的方法来分析和解决，一般通过实验测量来研究不同目标-载体的耦合散射。
为研究目标-载体耦合对目标散射性能测量结果误图5 测试流程示意图由于载体是金属结构，当被测目标安装在载体上时，目标与载体之间是导电的，那么，载体和目标的表面感应电流激发了目标和载体之间耦合散射作用。
在电磁散射测试中，由于金属载体的特殊外形以及目标-载体间的几何关系，入射场在目标表面激发的表面电流将流向金属载体。
图6和图7分别表示VV极化和HH极化情况下目标表面行波传导至金属载体的耦合电流方向。
在VV极化时，所激发的表面行波既传导到载体前沿尖劈，也传导到载体的侧向；而在HH极化情况下，主要激发表面行波传导至载体两侧。
由于金属载体的特殊散射结构，流经金属载体前沿的表面波更容易对目标自身散射回波产生干扰。
图3 被测样件 图4 被测样件安装方式图6 VV极化时目标与载体产生的耦合电流图7 HH极化时目标与载体产生的耦合电流3 测试结果分析对于低电磁散射目标而言，因为表面缝隙、台阶等弱散射源极易出现问题且数量多，因此，这些弱散射源是重要的雷达后向散射源。
本文采用典型缺陷缝隙型样件进行验证电磁散射特性评估系统的合理性和可靠性。
如图8所示，典型缝隙缺陷样件。
图9～11所示为测试结果。
从图8～10可以看出，样件实物和测试结果在距离和缺陷尺寸上能够体现对应关系，从而验证测试流程图8 被测典型缺陷样件优化流程前vv测试结果件图9。
散射参数测量
散射参数测量
散射参数测量是指通过对物体或介质进行散射实验，测量得到描述散射特性的一系列参数。
散射参数可以包括散射截面、散射相函数、散射阻抗等。
散射截面是指在单位入射能量流密度下，单位立体角内的散射能流总量。
散射截面通常用于描述散射体对电磁辐射的散射特性，常见的有雷诺兹散射截面和散射截面积。
散射相函数是指描述散射体对入射波的相位变换情况的函数。
通过测量入射波与散射波之间的相位差，可以得到散射相函数。
散射相函数对于解析散射过程和分析散射体的结构有重要意义。
散射阻抗是指入射波与散射波之间的阻抗差异。
测量散射阻抗可以帮助分析散射体的电磁性质和界面条件。
散射参数的测量可以通过实验手段和数值模拟方法进行。
实验测量方法包括散射实验、散射截面测量、相位差测量等。
数值模拟方法包括有限元方法、边界元方法、有限差分方法等。
散射参数的测量在材料科学、电磁学、声学等领域中都具有重要应用价值。
通过测量散射参数，可以了解物体或介质的散射特性、界面条件和内部结构，对于材料表征、医学成像、通信系统设计等具有重要意义。
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H B J t
E B t
B 0
D
矢量运算符( 和 )体现 了上述各场量间的时间与空间耦
合关系
第6章 电磁散射测量
同时，时间也进行减缩
t Tt 1 t f
虽然多种计算方法能够估算出目标的RCS性能，但每 种算法都有各自的局限性；
数值程序估算精度也需要测量数据的验证。
1. RCS测量目的：
取得对目标基本散射现象的了解 取得目标的特征数据 检验系统的性能 建立目标特性数据库
第6章 电磁散射测量
3. 高水平RCS 测量对测试系统的基本要求：
(1)所测RCS 值须与目标方位和距离相关联。 (2) 有足够的数据记录速率反映细微信息。 (3) 能测量所有的目标频段和极化方式。 (4) 信噪比足够小，能测量所需的低RCS 目标。 (5) 有足够的幅度动态范围。 (6) 具备监控功能，可以实时判断测量数据的质量。 (7) 能保存数据用于后续处理。
1
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
6.1.2 RCS测试原理
雷达方程
Pr
PtG2 2 (4)3 R4
由雷达距离方程可知，当式中除Pr 和 外其它各项参数固定
不变时，目标的雷达散射截面 的值仅与接收功率Pr 成正比。 据此，我们可确立目标RCS的测量方法，得到RCS测量的表达
式
0
Pr P0
式中，0 为标定目标(如标准的金属球或金属平板)的RCS值；P0 为在相同条件下对标定目标进行测量时的接收功率。
t
1 T
t
f
t
T 是模型系统时间与原型系统时间的比率。由于场的时间 跨度与频率成反比，则f为模型频率与原型频率的比率。
有意义的缩比要求模型的电磁特性跟原型完全相同，只在 量值上相差一个因子
E eE
H
hH
e 和h 分别是模型系统中的电场和磁场与原型系统对应量 的比率。
3
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
对大型复合目标而言， 往往可以在小于标准远 场距离处进行测量。
第6章 电磁散射测量
对于各向同性介质，有如下本构关系
DE B H J E
E H
H t
E t
E
要使缩比模型严格相似于全尺寸原型，它们间的场变换关 系须使麦克斯韦方程从模型系统变换到原型系统，即两个系 统中的电磁场均须满足麦克斯韦方程。
E H
1 l 1 l
E
e l
E
H t
H
h l
H
E t
E
E H
H t
E t
E
第一式乘以 l / e ，第二式乘以l / h ，继续变换得到
E 1 H lf h
e t
e
H l E E = h t
H t lf e
h
E t
l
e h
E
态角 低噪声环境：如微波暗室和“隐蔽”式目标支撑结构等，
使干扰信号对有用信号的影响最小 被测目标
根据室外和室内的不同特点，所使用的测量仪器有所不同， 并可能用其他仪器和装置去改进和补充这五个基本单元
第6章 电磁散射测量
6.1 电磁散射测试原理
6.1.1雷达截面测量目的
尽管电磁理论有其完整性，可以分析若干典型的散射 机理，但理论并不是万能的；
1; 1
高频局部场原理：在高频时，目标各部分的散射能量几乎 与其他部分的散射能量无关。
对于较为复杂的目标，组合目标不满足远场条件，而每个 局部却可能满足远场条件；由于高频场局部性原理，各个 局部的散射幅度的大小，以及散射图的主瓣、副瓣和零点 等，对测试距离并不敏感。
该情况下，小于R0的测 试距离对RCS 测量的主 要影响是散射方向图的 波瓣和零点略有变化， 但对被测目标的RCS 的 主瓣峰值影响却较小。
lf
h
e
lj e h
l e h
重新定义ε 、μ 和σ 分别为模 型系统与原型系统的介电常数、 磁导率和电导率的比率
lf
h e
1
lf
e h
1
l
e h
1
第6章 电磁散射测量
最为直接的限定条件是，要求缩比模型的电磁场与原模型完 全相同， e 1; h 1
进一步限定模型缩比时介质的极化、磁化特性保持不变，即
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
6.1 电磁散射测试原理 6.2 RCS测量基本概念 6.பைடு நூலகம் 目标RCS测量方法 习题六
第6章 电磁散射测量
2. RCS测量设备至少应包括以下5部分：
测试雷达：应能有发射和接收足够强度微波信号的能力 记录仪：能以模拟的或数字的方式存储信息 转台：能够承载和固定目标，并通过旋转而改变目标的姿
用分贝表示为
10 lg
Pr P0
0
20 lg | |
Er E0
| |
0
第6章 电磁散射测量
对于低频而言，远 场要求不难满足； 但对高频，一般的 测试雷达灵敏度和 测试场地尺寸就难 以满足远场要求。
有时为保证足够的 接收信号强度，不 得不选择较小的测 量距离。减小测量 距离的主要影响是 入射场的横向相位 偏差和轴向幅度衰 减。
通常要求 kh / 8 ，即 h /16
由此得到： R ≥ 2 d 2
其结果与曲面散射的等相位宽度及天线测量的远场条件相似。
第6章 电磁散射测量
对于很简单的目标，例如平板、圆柱体等，近场影响的主要 特征表现为零点被充填和主副瓣电平变化。
5 5 平板的RCS分布
2
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
RCS测量的远场条件
第6章 电磁散射测量
6.2 RCS测量基本概念
6.2.1 远场测量条件 考察入射到与目标同宽度的口径
上相位波前偏离均匀分布的情况：
h R R2 (d / 2)2
h R 1
1
d 2R
2
球面波前在目标口径面上的相位偏差 假设 d 2R ，则有 h d 2 8R
假设模型尺寸是原型尺寸的l倍(l 可以大于或小于1)，模型 的各部分均须与原型的相应部分同比例几何缩小或放大。
L lL
L pL
p 1/ l 定义为缩比因子
第6章 电磁散射测量
6.2.2 电磁缩比测量
缩比模型测量是将目标几何尺寸按一定的比例因子缩小， 并按相似率缩小雷达波长和材料参数，以实现在小尺度空间 (通常是微波暗室)内的模拟测量，并据此反演实际尺寸目标的 散射特性。