第6章-电磁散射测量
电磁散射理论与计算
绪论电磁波在传播过程中遇到障碍物就会产生散射。
我们把产生散射的物体称为散射体。
散射体的大小、形状以及组成材料的不同可以影响散射场强的大小与分布情况。
研究电磁波的散射机理以及计算其散射场强的大小与分布具有十分重要的实际意义。
最明显的例子是雷达利用飞机的散射回波来进行搜索与跟踪。
现在还发展到利用散射回波来识别目标。
隐身飞机则是设法减低散射波的场强使雷达无法发现。
此外在通分信方面利用电离层对流层进行散射通信在遥感方面需要了解、析地面植被和海浪波动的随机散射情况。
其他如山地传播、电地下勘探、磁兼容、干扰抗干扰等等问题都牵《涉到电磁波的散射。
因此电磁散射理论与计算》是一门十分重要的专业课程。
分析物体的散射特性一是取决于它的组成材料二是取决于它的电尺寸。
组成材料有导电体、介质体、导体外包介质的包层体以及由多种材料组合在一起的组合体等等而介质又有无耗、有耗、各向同性与各向异性等区别。
关于计算散射场的方法除极少数形状规则的物体可以用严格的解析法来求解之外对于电大物体我们可以用高频近似方法例如GO PO G TD U TD 复射线理论等来求散射场。
反之对于电小物体我们可用准静场来进行分析。
介乎这两者之间的物体一般采用数值方法。
数值法又可分为从积分方程出发与从微分方程出发来求解散射场的两种方法。
经过约二三十年的不断发展和完善目前已经提出了许许多多计算散射场的方法例如M M FD FDTD F E BE CG F MM 等等方法。
这些方法各有优缺点有的是为了避免矩阵求逆有的是为了加快收敛有的是为了提高精度还有的是为了减少贮存等。
因此无论从散射体的组成材料来说或从计算散射场的方法来说它们的内容都是非常广阔的。
作为一本教材我们只能?樯苣切┳罨 镜? 也是最重要的内容。
在确定教材的体系时我们面临这样一个选择: 是按散射体的组成材料来划分章节还是按计算方法来划分章节。
前者需要把各种计算方法穿插在不同的组成材料中介绍而后者则需要把各种具体材料结合到各种计算方法中介绍。
第六章_光的吸收、散射和色散
例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面观察 时，散射光变成了部分偏振光（有些情况透射光也变 成了部分偏振光）。这种现象称为退偏振。 以Ix和Iy分别表示散射光沿着x轴和y轴振动的强度， 则散射部分偏振光的偏振度为：
P
Iy Ix Iy Ix
通常又引入退偏振度的概念：
1 P
例如：
I I 0e
( )
为吸收系数，为散射系数，+就称为衰减系数。在 很多情况下，和中一个往往比另一个小很多，因而可 以忽略。
三. 散射光强的角分布和偏振态
实验表明，散射光的强度随光的方向而变化，自然 光入射时，散射光强满足下式：
I I 0 (1 cos )
＝（ I红
蓝
） 7 .2
度的7.2倍，因此透射光中所含的红光 成分就较多，故带红色。
表面上看起来是纯净均匀的介质，由于分子的热运动 使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分 子散射也满足瑞利散射定律。
用以上的散射理论可以解释许多我们日常熟悉的自 然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么 是红？以及云为什么是白？等等。 首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光 的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空， 将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象 是宇航员司空见惯了的。
§6.3 光的色散
Dispersion of Light
光在介质中的传播速度v 随波长而异的现象，亦即介质 的折射率随着波长而变化，这种现象称为光的色散。 1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为 彩色光带。 为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引 入介质色散率的概念。 定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率 为：dn/d
电磁反向散射模式的原理
电磁反向散射模式的原理电磁反向散射模式是一种基于电磁波的测量和探测技术，通过对电磁波与目标物体之间的相互作用进行分析，可以获取目标物体的信息。
该模式的原理是利用电磁波在与目标物体相互作用时发生的反射、散射、透射等现象，来推断目标物体的形状、结构、材料特性等。
电磁反向散射模式的主要思想是将目标物体视为一个散射体，通过测量目标物体对入射电磁波的反射或散射信号，来推断目标物体的性质和参数。
在这个过程中，我们需要考虑电磁波与目标物体之间的相互作用，以及目标物体对电磁波的响应。
电磁波在与目标物体相互作用时会发生反射现象。
当入射电磁波遇到目标物体表面时，一部分电磁波会被目标物体表面反射回来，形成反射波。
反射波的强度和方向取决于入射波的频率、入射角度以及目标物体的形状、表面特性等因素。
通过测量反射波的强度和方向，可以获取目标物体的形状和表面特性信息。
电磁波在与目标物体相互作用时会发生散射现象。
当入射电磁波遇到目标物体时，目标物体会对电磁波进行散射，使得电磁波在空间中呈现出不规则的传播模式。
散射波的强度和方向取决于入射波的频率、入射角度以及目标物体的形状、结构、材料特性等因素。
通过测量散射波的强度和方向，可以推断目标物体的结构和材料特性。
电磁波在与目标物体相互作用时还会发生透射现象。
当入射电磁波穿过目标物体时，一部分电磁波会被目标物体吸收，一部分电磁波会透过目标物体，形成透射波。
透射波的强度和方向取决于入射波的频率、入射角度以及目标物体的厚度、材料特性等因素。
通过测量透射波的强度和方向，可以得到目标物体的厚度和材料特性信息。
电磁反向散射模式利用电磁波与目标物体之间的反射、散射、透射等现象，来推断目标物体的形状、结构、材料特性等信息。
通过测量反射波、散射波、透射波的强度和方向，可以获取目标物体的参数，实现对目标物体的测量和探测。
该模式在雷达、成像、遥感等领域有着广泛的应用，为我们认识和研究目标物体提供了一种重要的手段。
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。
第五章电磁散射 _简版
第五章 电磁散射 5.1 雷达散射截面雷达散射截面(Radar Cross section,缩写RCS )是雷达隐身技术中最关键的概念，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。
RCS 是一个假想的量，我们将RCS 等效为一个截面，将其放置在一个与电磁波传播方向垂直的平面上，它可以无损耗地把入射功率全部地、均匀地向各个方向传播出去，并且，在接收处的回波功率密度与实际目标产生的功率密度相等。
将RCS 定义为目标在单位立体角内向接收机处散射功率与入射波在目标上的功率密度之比的4π倍。
假设入射波，r k j i i ie E E ∙-=0，则有ii i E k H ⨯=η1入射波平均功率密度21Re()22ii i i i E S E H k η=⨯= 目标截取的总功率为入射波功率密度与目标“等效面积”σ 的乘积，即：202i i E S P ησσ==假设目标功率是各向同性均匀地向四周散射，则在距离目标R 处的目标散射功率密度为：220284RE R PS i s πησπ ==散射功率密度亦可用散射场强表示：η22s s E S=由上可得：222R 4,s is c i iE R E E S E S σπ===∝∝接收天线处目标散射总功率距离目标处散射总功率目标处入射总功率目标处入射总功率另外：1. σ与R 无关；2. 符合远场条件：R 远大于目标特征尺寸 ；3. σ与入射波方向，散射波方向，散射体形状，表面粗糙度以及介电特性等相关。
雷达散射系数是指单位照射面积上的雷达散射截面，是归一化处理的结果，它是入射电磁波与地面目标相互作用结果的度量，定义为，为照射面积为入射角，或者A A Ai io o θθσσσσ,cos ,==雷达散射的三个特征区域若目标的特征尺寸为a ，则ka 为其电尺寸。
其中λπ2=k 为雷达波数。
目标RCS 随电尺寸的变化分为三个区域。
以金属球为例，令02=rσσπ，其中r 是金属球的半径，λ 为入射波波长。
高中物理第六章传感器章末质量评估含解析3_2
章末质量评估（三)（时间:90分钟分值:100分）一、单项选择题（本题共10小题，每小题3分，共30分.在每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求）1。
下列有关传感器的说法中错误的是（)A.汶川大地震时用的生命探测仪利用了生物传感器B。
“嫦娥二号”卫星星载的立体相机获取月球数据利用了光传感器C.电子秤称量物体质量是利用了力传感器D.火灾报警器能够在发生火灾时报警是利用了温度传感器解析：生命探测仪是利用生物传感器，立体相机是利用光学传感器，电子秤是利用压力传感器，火灾报警是在烟雾浓度达到一定程度时能够输出电信号，使警铃发声或使红灯闪烁，自动报警，利用了光学传感器而不是利用了温度传感器，A、B、C 正确，D错误.答案：D2。
电子秤使用的是（）A.超声波传感器B。
压力传感器C温度传感器 D.红外传感器答案：B3。
在电梯门口放置一障碍物，会发现电梯门不停地开关，这是由于在电梯门上装有的传感器是(）A。
光传感器 B.温度传感器C.声传感器D.压力传感器解析：当电梯门碰到人或其他障碍物时立即停止关门以防挤伤人,故为压力传感器。
答案：D4。
光电式感烟探测器（简称烟感器)由光源、光电元件和电子开关组成。
利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号.该报警器利用的传感器是（）A.力传感器B。
声传感器C.位移传感器D.光传感器解析：由于光电式感烟探测器是利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测,故该报警器利用的传感器是光传感器，D 正确.答案:D5。
有一电学元件，温度升高时电阻却大幅度减小,则这种元件可能是(）A。
金属导体 B.绝缘体C.半导体D.超导体解析：金属导体温度升高时电阻增大；绝缘体温度升高时电阻保持不变；对于超导体，在其临界温度以下，温度升高电阻仍为零，高于临界温度,温度升高电阻往往增大；某些半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，于是导电性有明显增强,电阻大幅度减小.答案：C6。
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
第6章光敏传感器
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷 磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有
差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决 定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定 光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。
9
相 1.0 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度
0.2
0
GaP λp=565nm
GaAsP
λp=670nm GaAs λp=950nm
6
原理：
P
Uφ N
+ - - - - ++++_ - - - - ++++
+ - - - - ++++_
- - - - ++++
iD
U
R
U
当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到
P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入
到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对
的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。
36
（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。
0.25 光 电 0.20 流
0.15
图10-9 光敏电阻的光 0.10
/mA
照特性
0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量/lm
多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般
用做开关式的光电转换器。
37
（3）光谱特性
相 100
27
UOUT
K
A
RL
D1 D2 D3 D4
IA
R1
R2
R3
R4
R5
28
第
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
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。
遥感原理与应用第6章-遥感作业
第六章遥感图像辐射校正名词解释：辐射定标、绝对定标、相对定标、辐射校正、大气校正、图像增强、累积直方图、直方图匹配、NDVI、图像融合1、辐射定标：是指传感器探测值的标定过程方法，用以确定传感器入口处的准确辐射值。
2、绝对定标：建立传感器测量的数字信号与对应的辐射能量之间的数量关系，对目标作定量的描述，得到目标的辐射绝对值。
3、相对定标：又称传感器探测元件归一化，是为了校正传感器中各个探测元件响应度差异而对卫星传感器测量到的原始亮度值进行归一化的一种处理过程。
最终得到的是目标中某一点辐射亮度与其他点的相对值。
4、辐射校正：是指消除或改正遥感图像成像过程中附加在传感器输出的辐射能量中的各种噪声的过程。
5、大气校正：是指消除大气对阳光和来自目标的辐射产生的吸收和散射影响的过程。
6、图像增强：为了特定目的，突出遥感图像中的某些信息，削弱或除去某些不需要的信息，使图像更易判读。
7、累积直方图：以累积分布函数为纵坐标，图像灰度为横坐标得到的直方图称为累积直方图。
8、直方图匹配：是通过非线性变换使得一个图像的直方图与另一个图像直方图类似。
也称生物量指标变化，可使植9、NDVI：归一化差分植被指数。
NDVI=B7−B5B7+B5被从水和土中分离出来。
10、图像融合：是指将多源遥感图像按照一定的算法，在规定的地理坐标系，生成新的图像的过程。
问答题：1．根据辐射传输方程，指出传感器接收的能量包含哪几方面，辐射误差及辐射误差纠正内容是什么。
根据辐射传输方程，传感器接收的电磁波能量包含三部分：1）太阳经大气衰减后照射到地面，经地面发射后又经过大气的二次衰减进入传感器的能量；2）大气散射、反射和辐射的能量；3）地面本身辐射的能量经过大气后进入传感器的能量。
辐射误差包括：1）传感器本身的性能引起的辐射误差；2）大气的散射和吸收引起的辐射误差；3）地形影响和光照条件的变化引起的辐射误差。
辐射误差纠正的内容是传感器辐射定标和辐射误差校正等。
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。
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。
电磁辐射测量的基础知识
电磁辐射测量的基础知识1.电磁辐射传播区域的分类电磁辐射传播区域可分为近场区和远场区两大范围，因此电磁辐射测量首先要考虑测量点和辐射源/天线之间的距离，即确定所进行的测量是近场测量还是远场测量。
近场区通常指靠近天线或其他辐射源的区域，在此区域内，电场和磁场不具备完全的平面波特性，点和点之间的差异非常大。
近场区又进一步分为感应近场区(Reactive Near-field Region)和辐射近场区(Radiating Near-field Region)。
1）最接近辐射源/天线的是感应近场区，相对于辐射近场区，这里感应场占支配地位，它包含大部分或者几乎所有的储存能量。
无线电发射机供给发射天线以电荷和电荷的变化，对于任一瞬间, 这种电荷可以看作是由静止电荷和变化电荷所组成。
其变化电荷即电流又可以看作是由恒定电流和变化电流所组成。
静电荷产生静电场, 恒定电流产生恒定磁场, 变化电流产生交变电磁场。
因而近场区分布不但具有交变电磁场成份, 而且更具有静电场和恒定磁场的特征。
一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多；对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。
在靠近辐射源/天线的地方，感应场强度与R2至R3成反比，因此随着距离R的减小，感应场强度急剧增加。
感应近场区的电磁场强度比其它区域大得多，电磁辐射防护的重点应该在这里。
2）当测量距离增大到R1＝λ/2π时(λ为电磁波波长，λ=c/f，c为光速，f为频率)，感应场强度与辐射场强度相当，即为感应近场区和辐射近场区的分界线。
进入辐射近场区后，相对于感应近场区，这里辐射场占支配地位。
电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，辐射强度的衰减比感应场要慢得多。
但这里的电磁场仍不具备平面波特性，即辐射场强度角分布与距天线的距离有关。
3）当测量距离增大到R2＝2D2/λ时(D为天线的最大物理性尺寸)，就进入了远场区，电磁波辐射具备平面波特性，即辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关。
传播与散射数值方法复习纲要及复习题
波传播与散射的数值方法复习纲要及复习题第一章：电磁散射分析方法1．高频方法（射线类，感应电流类）2．半解析方法（Mie 散射理论，WKB 方法） 3．低频方法（1）⎧⎨⎩频域积分方法积分方程类方法时域积分方法（2）⎧⎡⎤⎪⎢⎥⎣⎦⎪⎪⎡⎤⎨⎣⎦⎪⎪⎪⎩包括时域有限差分FDTD 、频域有限差分FDFD 、有限差分方法（FDM ）时域有限体积元FVTD 、FVTD 和MRTD 微分方程类方法有限元方法（FEM ） 包括时域有限元TDFEM 和频域有限元FEM 边界元方法（BEM ）（3）混合方法（包括高频低频混合、微分积分混合、数值解析混合）第二章 有限差分法原理一阶中心差商：112i i i du u u dx h+--=二阶中心差商：211222i i i i d u u u u dx h +--+= 矩形域超松弛迭代法：2,11,1,,1()(1)4ij i j i j i j i j i j ij wu u u u u h f w u --++=+++-+- 圆域迭代公式：20,1,111,21,0()/(22)ij i j i j i j i j i j u u u u u h f αααα-+-+⎡⎤=+++-+⎣⎦[]211012(1),1(22),1(22),2/(1)i i i M αϕααϕπ---=∆-=--=+-∆=-圆心处的差分格式：224()o o u u u h∇=- 非均匀媒质中泊松方程的差分格式1， 分界面与网格线重合22224,/,/111A B C D P a b a k h f u u u u u f k k k k ρεεε+++-==-=+++ 2， 分界面与网格线呈对角线2224,/,/111A D B C P a b a k h fu u u u u f k k k kρεεε+++-==-=+++（）（） 3， 三角形分界面21(3),/,/2A CB D P a b a ku u u u k u h f f k ρεεε++++-+==-=（） 第三章 泛函理论与变分原理欧拉方程：0'F d F y dx y ⎛⎫∂∂-= ⎪∂∂⎝⎭，多个函数泛函对应欧拉方程：00y y z z d d F F F F dx dx ''-=-=， EX3-1：求下列泛函的极值函数（1）. ()1222x x x J yy ye dx '=++⎰解：其核函数为：()22,,2x x y y F y y ye ''=++ 对应欧拉方程：2220x y y dF F y e y dx'''-=+-= 即：xy y e ''-= 解之得：1212xxx y C e C e xe -=++ （2）. ()1222sin x x J yy y x dx '=--⎰解：其核函数为：()22,,2sin x y y F y y y x ''=-- 对应欧拉方程：22sin 20y y dF F y x y dx'''-=-+= 即：sin y y x ''+= 解之得：121cos 2ixixy C e C e x x -=+- （3） ()122223x x J xyx y y dx '=+⎰解：其核函数为：()222,,23x y y F xy x y y ''=+ 对应欧拉方程：2460y y dF F xy xy dx'-=-= 即：0x =或0y =或23y =。
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通常要求 kh / 8 ，即 h / 16 由此得到：
R≥2 d2
d2 8R
10 lg
Pr |E | 0 20 lg r 0 P0 | E0 |
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。
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。 缩比测量是目标特性研究的主要手段之一，缩比测量的理 论依据是电磁相似律，电磁相似律可以从经典电动力学的麦 克克斯韦方程组出发推导。
B J t B E t B 0 H
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 对于各向同性介质，有如下本构关系
第6章 电磁散射测量 同时，时间也进行减缩
H t E H E t E
如果要求测量精度为±3dB ，则背景噪声σb 应比目标回被σt 低l0dB; 如果测量精度为± ldB ，则σb 应比σt低20dB，可见要 精确测量目标的雷达截面必须严格控制背景噪声电平。
第6章 电磁散射测量
第6章 电磁散射测量
6.2.5 低散射背景技术
近年来，由于隐身武器系统和缩比测量的发展，人们 对低RCS的测量给予了特殊的关注。 在低RCS 测量中，背景反射电平是影响测量精度的关 键因素。为了精确测量低RCS目标，必须尽可能地降 低背景反射电平，这就是所谓的低散射背景技术。 低散射背景技术主要包括低散射目标支架技术、矢量 场相减技术、软件距离门技术和硬件选通门技术。
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
第6章 电磁散射测量
6.1 电磁散射测试原理 6.1 电磁散射测试原理 6.2 RCS测量基本概念 6.3 目标RCS测量方法 习题六
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； 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。
D E
B H
t Tt
1 t f
1 f t T t t
J E
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
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。 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。
b / t 2 b / t
t b
背景噪声主要来源于地面、周围环境、目标支架等。 RCS测量理想环境是微波暗室，必须在室外进行RCS 测量 时， 可在反射地面铺设吸波材料或设置阻挡屏。 为了减小来自目标支架的背景噪声，可采用泡沫支架，或 利用非金属线悬挂目标，支架形状可以做成菱形剖面或在 金属支架上涂以吸波材料。 也可利用信号处理方法(如矢量场相减技术、距离门选通、 有源及无源对消技术等)来降低背景噪声电平。
[1] 刘铁军, 张向阳. 有耗目标电磁散射缩比测量的相似律研究. 电子学报, 1992, 20(12): 12-19. [2] 时振栋, 刘宏伟. 隐身目标雷达截面的缩比测量与反演计算. 电子科技大 学学报, 1995, 24(7): 13-17.
6.2.3 目标与地面的干涉
目标与转台或地面之间可能存 在相互作用和散射场干涉。 目标直接散射的回波与多重散 射回波具有不同的路径长度， 因此在目标主回波后可出现一 系列回波“重影”。 为减小目标与地面干涉的多径影响，最方便的办法是用 雷达吸收材料覆盖转台和目标附近的地面。 另一种方法是采用短的雷达脉冲宽度，采用距离门技术 消除目标与地面多重散射的影响。
1
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
第6章 电磁散射测量
6.1.2 RCS测试原理
雷达方程
6.2 RCS测量基本概念
2 2 PG t (4)3 R 4
Pr
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 R 2 (d / 2) 2
2 d h R 1 1 2R
因此，由理想导体或无耗介质组成的非色散无耗电磁系统，缩 比测量只需进行简单的几何缩比，这也是使用最早、应用最多 的一种缩比方法。
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电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
第6章 电磁散射测量
可见，电磁缩比测量的经典相似率是有前提的，不须考虑 原型系统的极化损耗、磁化损耗和传导损耗，即要求原型 系统是非色散无耗电磁系统。 r 和 r 来描 当电磁系统存在损耗时，媒质特性可用复参数 述，它们都是频率的函数。所以，同一介质在缩比频率下 的电参数并不一定等于原型频率下的电参数，这便与经典 相似律相矛盾，即所谓的“经典相似律的不相容性”。 为了解决经典相似律中的不相容性问题，人们进行了大量 研究，已有一些代表性的方法可供参考[1,2]。
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 P
0
球面波前在目标口径面上的相位偏差
r
假设 d 2 R ，则有 h
P0
0 为标定目标(如标准的金属球或金属平板)的RCS值； 式中， P0 为在相同条件下对标定目标进行测量时的接收功率。
Em Et Eb exp( j )
因为散射场的平方与目标RCS成正比，故由上式可得
m t b exp( j )
利用欧拉恒等式和余弦定理，可把上式变为
m t b 2 t b cos
由于cosφ的变化范围为±1，因此实测的目标雷达截面可 在如下的范围内变化
1.低散射目标支架技术
第6章 电磁散射测量
E H t E H E t
令
e h
第一式乘以 l / e ，第二式乘以l / h ，继续变换得到
1 H h H E lf t e e t E E l e e H E = lf l E h t h t h
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
RCS测量的远场条件
2
电波传播与散射
第6章 电磁散射测量 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。 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。
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。
h e e lj h e l h
lf lf 1 l 1
上式包含6个变量3个非线性方程，求它们的完全解是一个复 杂的过程，至今未有全面的报道。 可行的方法是，结合实际的缩比要求，进行特定条件下 的讨论，得出l， f 和ξ关于可选用介质物理特性ε 、μ和σ 的 函数。
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
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 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
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。
L lL
L pL
p 1/ l 定义为缩比因子
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电波传播与散射
第6章 电磁散射测量
H 1 e E E E t l l E 1 h H H H E t l l
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