电磁场的面散射与体散射理论的研究
散射理论 ppt课件
❖ 如果在均匀介质中掺入一些大小为波长数量级 且杂乱分布的颗粒物质，它们的折射率与周围均匀 介质的折射率不同，如胶体溶液、悬乳液、乳状物 等，原来均匀介质的光学均匀性遭到破坏，次波干 涉的均匀性也受到破坏。这种含有不均匀无规则分 布的颗粒物质的介质引起了光的散射。这时，散射 光的强度分布及偏振规律与散射颗粒的大小、颗粒 相对周围介质的折射率有关。
边界条件：
n ( D1 D2 ) , n ( E1 E2 ) 0 n ( B1 B2 ) 0, n ( H 1 H 2 )
❖ 得亥姆霍兹波动方程：
2Ek2E 0 2H k2H 0
散射理论
❖ 当电导率 0 时, k2 2 ,则波动方程为
2E2 E 0
2H 2 H 0
散射理论
❖ 在研究光散射现象时，常常引入散射光强、散 射截面、吸收截面、消光截面以及相应的散射系数 、吸收系数和消光系数等描述散射现象的物理量。 这些物理量与散射颗粒的大小、折射率以及入射光 的波长等因素存在密切的关系
❖ （1）散射截面
❖ 一个散射颗粒在单位时间内散射的全部光能量E sca 与入射光强 I 0 之比称为散射截面，记作 C sca 。
散射理论
散射理论
❖ 光波是电磁波，光波在介质中的传播与介质的特性 有关，并且服从 Maxwell 电磁场方程。因此，光波 在介质中的传播规律。
❖ Maxwell方程组：
E H , • D t
H J E ， • B 0 t
物质方程：
D E r0E, B H r0H J E
❖ 众所周知，在均匀介质中，光线将沿原有的方向 传播而不发生散射现象。当光线从一均匀介质进入 另一均匀介质时，根据麦克斯韦电磁场理论，它只 能沿着折射光线的方向传播，这是由于均匀介质中 偶极子发出的次波具有与人射光相同的频率，并且 偶极子发出的次波间有一定的位相关系，它们是相 干的，在非折射光的所有方向上相互抵消，所以只 发生折射而不发生散射。
电磁波的散射和散射波理论
电磁波的散射和散射波理论电磁波的散射是物理学中一个重要的研究领域，它涉及到光学、电磁学、量子力学等多个学科的知识。
本文将从理论的角度来介绍电磁波的散射和散射波理论。
首先，我们来了解一下电磁波的散射现象。
当一束电磁波遇到物体时，部分波的能量会被物体吸收，而剩下的波则会被物体散射出去。
这个过程可以简单理解为光线在物体表面的反射，但实际上，散射是一个更加复杂的现象。
散射波理论是研究散射现象的一种理论框架。
根据这个理论，散射波的强度可以用散射截面来描述。
所谓散射截面，是指单位面积内被散射波所占据的空间。
通过计算散射截面，我们可以得到散射波的强度分布和散射强度。
要计算散射截面，我们需要考虑一些因素，比如物体的形状、大小、电磁波的频率和入射角度等。
这些因素的变化都会影响到散射截面的大小和形状。
一种经典的散射波理论是Mie散射理论。
该理论适用于球形物体散射的情况。
根据Mie散射理论，当电磁波的波长和物体大小相当时，散射截面的大小和形状会发生显著变化。
此时，我们可以观察到一些有趣的现象，比如物体呈现出不同颜色的光晕。
除了球形物体的散射，还有其他形状的物体，比如棱柱、棱台等，它们的散射现象也可以用不同的理论来解释。
当物体的形状变得复杂时，散射的计算变得更加困难，需要借助数值计算和模拟来进行。
近年来，随着计算机技术的快速发展，数值模拟方法在散射波理论中得到了广泛应用。
通过建立散射波的数值模型，我们可以模拟不同条件下的散射强度和散射截面，从而更好地理解和解释实验结果。
此外，散射波的理论研究还延伸到了量子力学领域。
在量子力学中，散射波是指粒子在势能场中的散射现象。
根据量子力学的原理，我们可以通过波函数来描述散射波的行为，计算出不同能量下的散射截面和强度分布。
总结起来，电磁波的散射是一个复杂而有趣的现象，需要借助散射波理论来解释和理解。
不同形状的物体的散射现象可以用不同的理论方法来描述，并通过数值模拟和量子力学计算得到更加精确的结果。
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。
海面电磁与光散射特性研究
海面电磁与光散射特性研究海面电磁与光散射特性研究引言：海洋是地球上最广阔的自然界系统之一，其电磁与光散射特性对于海洋资源开发、水下勘探和遥感观测等具有重要意义。
海面电磁和光散射的研究能够为我们深入了解海洋环境、海洋生态系统以及海洋气候变化提供有效手段。
本文将对海面电磁与光散射特性的研究进行探讨，从而为相关领域的研究与应用提供参考。
一、海面电磁散射特性研究海面电磁散射是指存在于海面上的电磁波与海面之间发生的相互作用现象。
这是由于海面存在着波浪、波纹、油膜、冰块、雾气等微观结构，使得电磁波传播时发生散射，从而使电磁波的传播方向、速度以及偏振状态发生改变。
研究海面电磁散射特性的主要目的是了解电磁波在海面上的传播规律，为海洋遥感和通信系统的设计与优化提供基础。
1.1 海面散射模型海面电磁散射过程可以通过散射模型进行描述。
常用的模型有几何光学模型、小波理论模型和微带线模型等。
这些模型从不同的角度描述了电磁波在海面上的反射、折射和散射过程，并对波长、波面、入射角等参数进行了分析。
通过建立适当的海面散射模型，我们能够计算出电磁波在不同海况下的传播情况。
1.2 海面电磁散射实验研究为了验证和修正海面电磁散射模型，科学家们进行了大量的实验研究。
实验器械上，常用的有雷达、船载激光雷达、散射计等设备。
实验中，科学家们观察和记录了电磁波在不同入射角、波长以及海况条件下的反射率、散射强度等参数。
通过实验数据的分析和对比，我们能够了解电磁波的传播与散射规律，为模型的修正和优化提供依据。
二、海面光散射特性研究海洋中的光散射是指光线在海水-空气-海底界面上发生折射、反射、散射等现象。
海水中存在的悬浮颗粒、溶解物质、有机物以及底层地貌等因素都会对光的传播和散射产生影响。
因此，研究海面光散射特性对于海洋生物学、海洋环境监测以及海洋遥感具有重要意义。
2.1 海面光散射理论海面光散射理论是研究海洋光学的基础。
光学理论根据光的入射角、波长、传播距离等参数，分析和模拟光线在海面上的散射规律。
分层地面与目标电磁散射研究
分层地面与目标电磁散射研究分层地面与目标电磁散射研究引言：分层地面与目标电磁散射是电磁波在地面和目标上散射的重要研究方向，对于地质探测、人工地貌研究以及雷达信号处理等领域具有重要的应用价值。
本文旨在探讨分层地面与目标电磁散射的基本原理和研究进展，分析其现有问题，并展望未来的发展趋势。
一、分层地面电磁散射分层地面是指地面的表面具有多层结构，如岩石、土壤等。
电磁波在分层地面上的散射过程涉及到地面的吸收、反射和透射等现象。
对于分层地面电磁散射的研究，目前主要从以下几个方面展开：1. 地质信息提取通过对分层地面电磁散射的分析，可以获得地质信息，如地下水、矿藏等。
地质信息的提取对于资源勘探和环境保护具有重要的作用。
2. 地貌研究分层地面电磁散射的研究可以发现地质构造和地貌特征，对于地貌演化的研究和人工地貌的设计具有重要意义。
3. 雷达信号处理分层地面电磁散射是雷达信号处理的基础，对于提高雷达探测和目标识别的效率和准确性具有重要作用。
二、目标电磁散射研究目标电磁散射是指电磁波在目标表面上的反射、散射和透射等现象。
目标电磁散射的研究主要包括以下几个方面：1. 目标识别和分类通过对目标电磁散射的分析和处理，可以实现对目标的识别和分类。
这对于军事目标的识别和民用航空中的飞机识别等方面具有重要的作用。
2. 目标形状重构目标电磁散射的研究可以通过目标反射和散射的特征，实现对目标形状的重构。
这对于目标在雷达图像中的定位和追踪具有重要意义。
3. 恶劣环境下目标探测在恶劣环境下，如大气湍流、强电磁干扰等情况下，目标电磁散射的研究可以有效提高目标的探测效率和准确性。
三、研究现状和问题目前，分层地面与目标电磁散射研究在理论和应用方面取得了很大的进展，但仍然存在一些问题：1. 电磁散射模型不够精确由于地面和目标的复杂性，现有的电磁散射模型仍然不能完全精确地描述地面和目标的散射特性。
2. 数据获取和处理困难分层地面和目标电磁散射的研究需要大量的数据获取和处理工作，包括雷达数据、地质数据等，这对于数据处理的算法和技术提出了很高的要求。
第10章 电磁波的衍射与散射
∫
G ( r , r ′ ) ∇ ′ψ − ψ∇ ′G ( r , r ′ ) i en dS ′ = − ∫ ψ ( r ′ ) δ ( r − r ′ ) dV ′ ′ S V
根据δ函数的性质，得 函数的性质，
−ψ ( r ) , r 位于V内 ∫ S G ( r , r ′ ) ∇′ψ −ψ∇′G ( r , r ′ ) ien′ dS ′ = 0，r 位于V 外
电子科技大学
是惠更斯原理的数学表达式 积分式中的因子 e jkR ( 4π R ) 表示从表面S上的点 ′ 向体积V 表示从表面 上的点r 向体积 上的点 内的点r 传播的波， 内的点 传播的波，其波源强度由边界值确定 曲面S上的每一点可以看作次级波源， 区域V内的波可看作 曲面 上的每一点可以看作次级波源，区域 内的波可看作 上的每一点可以看作次级波源 曲面上所有次级波源所发出的波的叠加
亮区 入射线 过渡区
阴影区
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10.2.1 几何绕射理论
几何绕射理论是经典几何光学法的推广。 几何绕射理论是经典几何光学法的推广。 几何绕射理论认为：除了几何光学的入射线、 几何绕射理论认为：除了几何光学的入射线、反射线和透射 线外，还存在一种绕射线 绕射线。 线外，还存在一种绕射线。
关于绕射线的概述 产生于散射体表面几何形状或电特性不连续的地方 不仅可以进入几何光学亮区， 不仅可以进入几何光学亮区 ， 而且可以进入几何光学阴影 区 解决了几何光学在阴影区失效的问题， 解决了几何光学在阴影区失效的问题 ， 同时完善了亮区的 几何光学解 其初始幅度由绕射系数确定
电子科技大学 所以，区域V中任意点 处的场只是由S 上的次波源产生， 中任意点r处的场只是由 所以 ， 区域 中任意点 处的场只是由 0 上的次波源产生 ， 中的积分只需要在S 上进行， 式①中的积分只需要在 0上进行，即有 e jkR 1 R ′ψ ( r ′ ) + jk 1 + j ′ ) i en dS ′ ′ ψ (r ) = − ∫ Rψ (r ∇ S0 4π R kR 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射） 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射）， 上式可以简化为以下形式： 上式可以简化为以下形式： e − jkr ψ (r ) = − 4π r
散射性的原理
散射性的原理散射是指当光线或其他波的传播遇到界面或杂质时，波的传播方向改变的现象。
散射现象在日常生活中随处可见，比如当太阳光射入大气层时，由于空气中的气溶胶和尘埃等微小颗粒的存在，光线就会发生散射而呈现出蓝色的天空。
散射现象不仅在光学领域中普遍存在，也在其他领域中有重要的应用，比如声学、无线电通信等。
散射现象的原理可以通过电磁波的散射来解释。
电磁波是由电场和磁场组成的波动现象，其传播速度与真空中的光速相等。
当电磁波遇到界面或杂质时，会与其相互作用，发生散射。
散射的过程中，电磁波在界面或杂质上会发生反射、传输和吸收。
这种相互作用使得电磁波的传播方向发生改变，并且使波在空间中的能量分布发生变化。
散射的原理可以用光线的散射来简单说明。
当光线照射到物体表面时，光线中的光子与物体表面的原子或分子产生相互作用，发生反射、折射和透射，形成散射。
散射的程度取决于光线与物体表面的交互作用强度和物体的特性，如表面粗糙度、形状和透明度等。
当光线的波长和物体特征尺寸相当时，散射现象更加显著。
散射现象还可以利用电磁波的波动性来解释。
电磁波是一种横波，其传播过程中电场和磁场振动方向垂直于波的传播方向。
当电磁波遇到界面或杂质时，波长相对于杂质或界面特征尺寸的比值决定了波动和几何光学之间的相对重要性。
当波长远大于特征尺寸时，波动效应可以忽略，可以使用几何光学近似。
而当波长相当或更小于特征尺寸时，波动效应就不可忽略，波的传播方向和波前形状都会发生明显的变化。
散射现象的量化描述可以通过散射截面来实现。
散射截面是描述散射过程中散射波和入射波的强度比值的一个物理量。
它与散射体的特性密切相关，如形状、大小、结构等。
在散射截面的计算中，可以利用散射理论，如Mie理论和雷利散射理论，来对散射过程进行详细分析。
除了光线的散射，声波和其他波动现象也可以发生散射现象。
声波的散射是由于声波在不均匀介质中传播时，由于介质的密度和弹性模量的变化而发生的。
光的散射与散射理论
光的散射与散射理论光的散射是指当光线与物体表面相互作用时，光线发生方向的变化，从而在各个方向上扩散的现象。
散射理论则是用于解释光在散射过程中的物理现象和行为的理论框架。
本文将探讨光的散射原理以及相关的散射理论。
1. 光的散射原理光的散射是由于光线与物体表面发生碰撞或遇到不均匀介质时，其传播方向发生改变的现象。
散射可以分为弹性散射和非弹性散射两种类型。
1.1 弹性散射弹性散射是指在光与物体碰撞后，光的能量和频率不发生改变，但传播方向发生偏转的现象。
这种散射发生在比较小的颗粒或分子上，如气体的分子、悬浮在空气中的微粒等。
弹性散射的角度与入射角度相等，这符合反射定律。
1.2 非弹性散射非弹性散射是指在光与物体碰撞后，光的能量和频率发生变化的现象。
这种散射通常发生在光线经过较大分子或表面粗糙的物体时。
非弹性散射会导致光的频率发生变化，产生色散的效应，使光具有不同的波长和颜色。
2. 散射理论散射理论是用于解释光散射现象的理论框架，其中最重要的是散射方程和散射截面。
2.1 散射方程散射方程描述了光在与物体相互作用时传播方向的变化。
根据散射方程，可以计算出光在某一方向上的散射强度。
最常用的散射方程是著名的光的散射方程-拉德方程（Rayleigh Equation），适用于小尺寸比较小的颗粒的弹性散射。
2.2 散射截面散射截面是描述光与物体散射相互作用的物理量，表示单位面积上散射的光子数。
散射截面与散射器的大小、形状、材料以及光的波长等因素有关。
根据散射截面的大小，可以推断出物体对光的散射强度及方向分布的信息。
3. 应用与意义散射理论在多个领域中得到了广泛的应用，具有重要的科学研究价值和工程应用价值。
3.1 大气散射大气中的气体分子和悬浮微粒对太阳光的散射是引起蓝天和彩虹的重要原因。
通过研究大气散射，可以了解大气中的颗粒分布、浓度和物理特性等，对气象学和环境科学具有重要意义。
3.2 光学材料设计光的散射性质对于光学材料的设计和应用具有决定性的影响。
电磁波的吸收和散射理论解释
电磁波的吸收和散射理论解释一、电磁波的基本概念电磁波是一种由电场和磁场相互作用而产生的能量传播形式。
它具有许多特殊的性质，如波长、频率和振幅等，可以分成不同的频段，例如可见光、微波和射频等。
电磁波广泛应用于通信、雷达、医疗和无线电等领域。
二、电磁波的传播与吸收当电磁波传播到物体表面时，它们会发生吸收和散射现象。
吸收是指电磁波能量被物体吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指电磁波在物体表面或内部发生折射、反射或散射，并改变原有的传播方向。
吸收和散射的程度取决于物体的特性以及电磁波的频率和功率。
不同物体对不同频率的电磁波有不同的吸收和散射特性。
一般来说，物体的吸收能力与电磁波的频率有关。
在可见光频段中，金属材料对光的吸收较小，而在微波频段中，金属材料对微波的吸收能力非常强。
三、电磁波的散射机制电磁波在物体表面发生散射时，遵循不同的散射机制。
其中，光的散射可按照粒子尺寸与波长的相对大小分为几何光学散射和雷利散射。
几何光学散射是指当物体尺寸远大于光的波长时，光在物体表面发生反射、折射和散射等现象。
而雷利散射是指当物体尺寸与光的波长相当时，光在物体表面或内部与物体的微观结构相互作用而发生散射现象。
根据散射的原因，电磁波散射可分为材料散射和微观结构散射。
材料散射是指由于介质中原子或分子实践代表性尺寸比光的波长小，故导致电磁波的散射。
而微观结构散射是指由于物体表面或内部的微观结构特征导致的电磁波散射，如微观颗粒、晶格等。
四、电磁波的吸收机制物体吸收电磁波的机制主要包括电导吸收和介质吸收。
电导吸收是指当电磁波通过导电材料时，由于材料导体中的自由电子与电磁波相互作用而将电磁波能量转化为热能。
这种吸收机制在可见光频段中较弱，但在射频和微波频段中较为显著。
介质吸收是指电磁波通过介质时，由于介质的原子或分子与电磁波发生相互作用而吸收电磁波能量。
这种吸收机制主要发生在可见光频段以及微波和射频频段中。
介质吸收与物质的性质有关，不同物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特性。
电磁波的散射与传播特性分析
电磁波的散射与传播特性分析电磁波是一种电场和磁场相互作用而产生的波动现象。
它具有很广泛的应用，如通信、雷达、无线电等。
在电磁波传播过程中，散射是一个重要的现象，它对电磁波的传播特性产生着显著影响。
散射是指电磁波在遇到物体表面或媒介边界时，由于物体的尺寸远小于波长，波长的数量级比物体要大得多，形成的散射现象。
根据散射物体大小与波长的比值，可以将散射分为几种类型。
当物体的尺寸远大于波长时，称为几何光学散射。
这种散射的特点是物体表面光滑，波长相对很小，电磁波的传播路径基本上符合直线传播的规律。
我们可以用光学几何理论来分析和描述几何光学散射。
几何光学散射常见的现象有光的反射和折射。
例如，当光线射到镜子上时，会发生反射；当光线从空气射入水中时，会发生折射。
当物体的尺寸与波长相当或稍大时，称为细长物体散射或多普勒散射。
这种散射的特点是物体表面有不规则或不均匀的纹理，波长相对较大，波传播时会发生折射、反射、透射等现象。
我们需要利用电磁波的细化理论、多普勒效应等来研究和解释细长物体散射现象。
细长物体散射在雷达应用中很常见，如飞机、船舶等的探测与追踪。
当物体的尺寸远小于波长时，称为细微结构散射。
这种散射的特点是物体表面存在微小的凹凸或不规则结构，波长相对非常大，电磁波的散射路径会发生非常复杂的变化，不能用几何光学和细化理论来描述。
我们需要借助计算机模拟、数值计算等方法来研究和解释细微结构散射现象。
细微结构散射在微波、毫米波领域具有重要应用价值，如雷达反射面的设计、天线结构的优化等。
电磁波在散射过程中还会产生其他现象，如散射衰减、散射相位等。
散射衰减是指在散射过程中，电磁波由于与物体或媒介发生相互作用而损失能量。
这种能量损失会引起电磁波的幅度衰减，导致信号强度降低。
散射相位是指在散射过程中，电磁波的相位发生变化。
这种相位变化会改变电磁波的传播速度和传播方向。
散射相位现象在光学中常常被用于干涉、衍射等研究。
除散射外，电磁波还可以通过传播介质传输。
电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究的开题报告
电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究的开题报告题目：电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究背景：电磁波在大气中的传输和散射是气象学和通信工程等领域的研究重点之一。
电磁波在对流层中的传输和散射对于天气预报、气象探测仪器的设计以及卫星通信等具有重要意义。
然而，由于对流层的复杂性质和电磁波的多参数特性，这一领域存在许多未解决的问题，需要深入研究。
研究内容：本研究计划从电磁波在对流层中的传输和散射角度入手，深入探究以下若干问题：1. 对流层导致的电磁波传输衰减机制：对流层中包含大量水汽、气溶胶和沙尘等物质，这些物质与电磁波之间的相互作用会导致波长缩短和散射，从而影响电磁波的传输衰减。
我们计划通过理论模型和实验验证的方法，深入研究对流层中不同物质对于电磁波传输的影响机制。
2. 对流层中电磁波散射模型研究：对流层中存在大量的介质分布，如云、雾、雨、雪等。
这些介质会对电磁波的散射产生影响，因此建立对流层中电磁波散射模型是非常重要的。
我们计划通过建立合适的数学模型和实验验证方法，研究对流层中电磁波的反射、散射和折射等特性，为实际应用提供精确的数学模型和计算方法。
3. 对流层电离层的影响：电磁波在对流层中传输时还会受到电离层的影响，这对于卫星通信等应用非常重要。
我们计划研究电磁波与对流层电离层的相互作用机制，了解电离层对电磁波传输的影响，为实际应用提供精确的数据。
研究方法：本文采用数学建模和实验验证相结合的方法，理论探讨与实验测试相结合的研究思路。
主要研究工作包括：1. 建立电磁波在对流层中传输和散射的数学模型，探究不同物质对电磁波的影响机制。
2. 设计实验室实验和实际场景实验，验证建立的数学模型，探究电磁波在对流层中传输和散射的规律。
3. 利用计算机技术对实验数据进行处理，分析电磁波在对流层中传输和散射的过程，得出相关结论和建议。
预期成果：通过本次研究，预期得到以下几个方面的成果：1.深入了解电磁波在对流层中传输和散射的机制。
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
单个球面散射的电磁场的空间分布研究
入射 下，在 圆球外表 面产生的光 学喷射翼的一些基本性质 ，如喷射 翼衰减长度 、光强峰值及其 空间位置 。同时 ，
ｐｏ ｏｅ ． ｒ ｐ ｓ ｄ
Ｋｅ ｒｓ Ｍｉｔｅ ｒ；ｐ ｅ ｃｌｃｔ ｒｒｂｕ ｄｒ ｏ ｄ ｉｎ ｐ ｏｏｉｊｔ ｙ ｗｏ ｄ： ｅ ｈｏ ｓｈｒ ａ ｓａ ｅｅ； ｏ ｎ ａ ｃｎ ｉｏ ； ｈ ｔｎｃ ｅ ｙ ｉ ｔ ｙ ｔ
ＣＩＣ ｕ ｂ ｒ ｎ ｍ ｅ ：ＴＰ ９ ． １ ３ １４ Ｄｏ ｕ ｎ ｏ ｅ Ａ ｃ ｍｅ ｔｃ ｄ ：
第 ３ 卷第 １ 期 ５ ０
２０ ０ ８年 １ ０月
光 电工程
Ｏｐ ｏ Ｅｌｃ ｒ ｎｉ ｔ — ｅ ｔｏ ｃＥｎｇ ｎ ｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｉ
Ｖｏ ．５ Ｎｏ．０ １３ ， １
Ｏｃ． ０ ８ ｔ２ ０
文章 编号 ：１ ０ — ０ Ｘ（０ ８１ — １ ７ ０ ０ ３ ５ １ ２ ０ ）０ ０ ３ — ８
ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｅ ｒ ｄ ｕ ｎ ｅ ｒ ｆａ ｔ ｅ ｉ ｄ ｘ ｏ ｅ ｓ ｈ ｒ ｎ ｔ ｅ ｔ ｔｌｆｅｄ ａ ｅ ｄ ｔｒ ｎ ｄ ｎ ｘ ｌｎ ｔ ｎ ｅ ｎ ｅ ｃ ｆ ｔ ａ ｉ ｓ ａ ｄ ｔ ｅｒ ｃｉ ｎ ｅ ｆ ｔ ｐ ｅ ｅ ｏ ｈ ｏ ａ ｌ ｅｅ ｍｉ ｅ ，ａ ｄ ｅ ｐ ａ ａ ｉ ｓ ａ ｌ ｈ ｈ ｖ ｈ ｉ ｒ ｏ ｒ
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光的散射与散射介质研究
光的散射与散射介质研究光是一种电磁波，它在空气或其他介质中的传播会发生散射现象。
散射是光在遇到微小粒子或介质不均匀性时，沿着不同方向传播而改变方向的现象。
在研究光的散射与散射介质时，我们可以了解光的传播特性、介质的结构以及其他相关现象。
本文将探讨光的散射现象及其研究方法。
一、光的散射现象光的散射是指光通过一个介质（如大气中的空气、水、气溶胶等）时，发生方向改变的现象。
散射会使部分光线改变方向，并使光在所经过的介质中传播。
散射的原理是利用光与物质的相互作用，当光线遇到介质中的分子或微粒时，会与其相互作用，从而导致光的改变。
在散射过程中，光线与介质中的微粒或分子发生作用，光在不同方向上被散射。
根据散射角度的不同，可以将散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指光经过散射后，仍然保持其原有能量和频率，只改变了传播的方向。
非弹性散射是指光经过散射后，发生了能量的转移和频率的变化。
二、光的散射介质研究方法为了深入了解光的散射现象及其作用机制，科学家们进行了大量的研究。
他们提出了各种实验方法和理论模型来研究散射介质的特性。
1. 散射测量散射测量是研究光的散射介质的常见方法之一。
这种方法使用散射仪器，通过测量散射光的强度和散射角度来推断介质的性质。
常用的散射测量仪器包括扩散反射光谱仪、激光粒度仪等。
2. 光学显微镜观察光学显微镜是一种常见的研究散射介质的工具。
通过观察散射介质下的样品，可以获得关于其结构、组成和形态等信息。
这种方法常用于颗粒物、胶体溶液等散射介质的研究。
3. 数值模拟数值模拟是研究光的散射与散射介质的重要方法之一。
通过建立适当的物理模型和数学模型，运用计算机进行模拟计算，可以获得散射介质中光的传播和散射的信息。
常用的数值模拟方法有有限元方法、有限差分时间域方法等。
4. 光散射理论光散射理论是研究光的散射与散射介质的基础理论。
根据散射现象的特点，科学家们提出了各种理论模型，如多散射理论、Mie理论、Rayleigh散射理论等。
第10章 电磁波的衍射与散射
电子科技大学
是惠更斯原理的数学表达式 积分式中的因子 e jkR ( 4π R ) 表示从表面S上的点 ′ 向体积V 表示从表面 上的点r 向体积 上的点 内的点r 传播的波， 内的点 传播的波，其波源强度由边界值确定 曲面S上的每一点可以看作次级波源， 区域V内的波可看作 曲面 上的每一点可以看作次级波源，区域 内的波可看作 上的每一点可以看作次级波源 曲面上所有次级波源所发出的波的叠加
∫
G ( r , r ′ ) ∇ ′ψ − ψ∇ ′G ( r , r ′ ) i en dS ′ = − ∫ ψ ( r ′ ) δ ( r − r ′ ) dV ′ ′ S V
根据δ函数的性质，得 函数的性质，
−ψ ( r ) , r 位于V内 ∫ S G ( r , r ′ ) ∇′ψ −ψ∇′G ( r , r ′ ) ien′ dS ′ = 0，r 位于V 外
∫
S0
′ e − jk i r ′ en i∇ ′ψ ( r ′ ) + j k i enψ ( r ′ ) dS ′ ′
理想导体屏上的小孔衍射 设理导体屏上有一个小孔， 一个平行极化的平面波以θ 设理导体屏上有一个小孔 ， 一个平行极化的平面波以 1 为 入射角入射，如图。 入射角入射，如图。假设平面波为
电子科技大学 所以，区域V中任意点 处的场只是由S 上的次波源产生， 中任意点r处的场只是由 所以 ， 区域 中任意点 处的场只是由 0 上的次波源产生 ， 中的积分只需要在S 上进行， 式①中的积分只需要在 0上进行，即有 e jkR 1 R ′ψ ( r ′ ) + jk 1 + j ′ ) i en dS ′ ′ ψ (r ) = − ∫ Rψ (r ∇ S0 4π R kR 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射） 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射）， 上式可以简化为以下形式： 上式可以简化为以下形式： e − jkr ψ (r ) = − 4π r
电磁衍射与散射
散射类型
瑞利散射、米氏散射、几 何光学散射等。
散射强度
与障碍物的形状、大小、 介电常数等因素有关。
散射理论
经典电磁理论
基于麦克斯韦方程组，研究电磁 波在介质中的传播和散射。
随机介质理论
研究随机分布的障碍物对电磁波的 散射。
广义射线追踪
结合几何光学和波动光学，研究复 杂结构对电磁波的散射。
散射的应用
利用衍射原理，雷达能够探测到障碍物后面的目 标，广泛应用于军事和民用领域。
无线通信
在无线通信中，信号通过障碍物的衍射传播，实 现信号覆盖和通信联络。
光学成像
在光学成像中，衍射现象会影响成像质量，通过 控制光路中的衍射效应可以提高成像分辨率。
03 电磁波散射
散射现象概述
散射现象
当电磁波遇到障碍物时， 会向各个方向传播的现象。
衍射案例
01
衍射现象
当电磁波遇到障碍物时，会绕过障碍物继续传播，这种现象称为衍射。
衍射现象是电磁波的波动性质的表现。
02 03
单缝衍射
当电磁波通过一个狭窄的缝隙时，会在缝隙的另一侧形成明暗相间的衍 射条纹。这是由于波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物继续传 播，形成衍射现象。
圆孔衍射
当电磁波通过一个圆孔时，会在圆孔的另一侧形成衍射条纹。这些条纹 是由波的波动性质引起的，随着波长的增加，条纹越来越明显。
雷达目标识别
利用不同目标对雷达波的散射特性，识别和区分不同目标。
遥感成像
通过分析地面对电磁波的散射，实现地形、植被、水体等遥感成 像。
生物医学成像
利用超声波、X射线等电磁波在人体内的散射特性，实现医学成 像。
04 电磁波衍射与散射的区别 与联系
随机表面及其散射光场的理论与实验研究的开题报告
随机表面及其散射光场的理论与实验研究的开题报告一、选题背景及意义随机表面的散射性质是材料科学、光学以及物理中的一个重要研究领域。
随机表面通常是对物体表面进行加工处理，形成了一些不规则的颗粒、凹凸和坑洞等微观结构。
这种微观结构具有不同的尺寸、密度和形状等特征，在光的传播过程中可以发生各种形式的光学散射。
随机表面散射现象在光学应用中有广泛的应用，如在涂料领域中，需要了解表面的结构特征和散射光场的能量分布，以提高涂层的功能性。
在太阳能电池方面，了解光在随机表面上的传播和散射特性，可优化表面结构设计，提高光转换效率。
随机表面散射的研究对于深入了解物体的光学性质、探索新型材料和设备具有重要的意义。
二、研究内容本课题主要研究随机表面及其散射光场的理论与实验研究。
具体研究内容包括：1. 随机表面结构分析：通过扫描电子显微镜(SEM)等技术，对实际随机表面进行结构分析，获得其微观结构的尺度、密度和形状等信息。
2. 随机表面光学模拟：利用电磁场理论、计算机模拟等方法，模拟不同形状、密度和尺度等特征的随机表面在不同光波长、入射角度和极化状态下的光学反射、透射和散射光场。
3. 随机表面散射实验研究：采用测量反射、透射和散射的光谱仪、显微镜等仪器，对实际随机表面的光学反射、透射和散射特性进行实验测量，验证理论模拟结果的正确性。
4. 光学散射应用研究：根据不同应用领域的需求，从涂料、太阳能电池、半导体器件等不同角度出发，研究随机表面的光学散射现象及其对材料性质和设备性能的影响，并探索新型材料和器件的应用潜力。
三、研究计划及进度安排本研究计划分为三个阶段：第一阶段（1个月）：文献调研和理论准备。
主要对随机表面及其散射光场的相关文献进行调研，掌握光学散射的基本理论知识和关键技术。
第二阶段（6个月）：理论模拟与实验研究。
根据实验设计，进行随机表面结构分析、光学模拟和散射实验研究，分析不同情况下的散射特性，并得出结论。
第三阶段（1个月）：总结分析和应用推广。
电磁波的散射与衍射现象
电磁波的散射与衍射现象电磁波是一种无线电波，具有特定的频率和波长，能够在空间中传播。
在传播过程中，电磁波会与物体相互作用，产生散射和衍射现象。
本文将从理论和实际应用两个方面，探讨电磁波的散射和衍射。
一、散射现象散射是指电磁波在遇到物体时，发生角度改变的现象。
当电磁波遇到物体表面时，一部分电磁波会被吸收，一部分会被反射，还有一部分会被散射。
散射的程度取决于物体的形状、大小和材料等因素。
散射现象的理论基础是麦克斯韦方程组，它描述了电磁波在物体中的传播和相互作用。
当电磁波入射到物体表面时，会激发物体中的自由电荷，进而产生电场和磁场的振荡。
这些振荡波会重新辐射出去，形成散射现象。
散射现象在实际应用中有着广泛的应用。
例如，雷达技术利用电磁波的散射现象来探测目标物体的位置和速度。
雷达发射出的电磁波会与目标物体相互作用，通过测量散射回来的电磁波的时间和强度，可以推测出目标物体的信息。
二、衍射现象衍射是指电磁波在通过障碍物或经过小孔时，发生弯曲和扩散的现象。
与散射不同，衍射是由物体的边缘或孔洞引起的，而不是整个物体。
衍射现象可以用菲涅尔上次注和菲涅尔-柯西公式来描述。
当电磁波通过边缘或孔洞时，波的振幅和相位会发生变化，导致波前的形状发生变化，从而引起衍射。
衍射现象在光学中有着广泛的应用。
例如，在显微镜中，可以通过调整光的波长和光圈的大小，来观察样本的衍射图案，以获得样本的细节信息。
在天文学中，通过观测恒星的光的衍射图案，可以推测恒星的亮度和距离。
总结电磁波的散射和衍射现象是电磁波与物体相互作用的结果。
散射是电磁波在物体表面发生角度改变的现象，其程度取决于物体的形状和材料等因素。
衍射是电磁波在通过边缘或孔洞时发生弯曲和扩散的现象，通过调整波长和光圈的大小，可以观察到衍射图案，获取物体的细节信息。
电磁波的散射和衍射现象在科学研究和实际应用中起着重要的作用。
通过研究散射和衍射现象，我们可以更好地理解电磁波的传播特性，并将其应用于雷达监测、显微镜观测、天文学等领域。
电磁场中的辐射及散射问题
电磁场中的辐射及散射问题随着现代通信技术的不断发展，我们已经不能想象没有电磁场的时代了。
然而，电磁场也带来了一些问题，如电磁波的辐射和散射问题，这些问题不仅具有重要的理论意义，而且在现代社会中也具有重大的应用价值。
1. 电磁场的辐射问题在电磁场中，由于电荷和电流的运动，会产生电磁波，这些电磁波就是辐射。
辐射在许多方面都有应用，如广播、通讯、雷达、医学等领域都有广泛的应用。
然而，过强的电磁辐射对人体健康也有一定的危害。
因此，对电磁辐射的控制和保护问题已经成为了一个热门的研究方向。
辐射问题主要包括电磁波的辐射场分布特性、电磁波的传播特性、电磁辐射对人体健康的影响等方面。
针对这些问题，人们进行了大量的研究，提出了许多有效的解决方案。
比如，在广播、手机等领域，采用不同的天线和辐射源设计来降低电磁辐射强度；在高压输电线路等领域，采用地埋穿式输电线路或控制输电线路的运行方式来减少辐射带来的影响等等。
2. 电磁场的散射问题电磁波不仅可以产生辐射，还可以被物体散射。
在实际应用中，我们常常需要计算电磁波在不同物体上的散射情况，以确定散射物体的特性。
例如，在雷达、光学等领域，散射问题的研究具有重要的应用价值。
散射问题主要包括散射场的分布特性、散射物体的激励响应、散射物体的特性等方面。
人们利用电磁场理论和数值计算方法进行计算和分析，可有效地解决散射问题。
对于特殊的散射物体，如介质球、圆柱体等，我们可以使用解析解方法得到比较准确的结果；对于复杂的散射问题，如实际工程中的雷达场景，我们则需要使用数值计算方法，如边界元、时域有限差分等方法，来求解。
3. 结论电磁场中的辐射和散射问题不仅具有重要的理论意义，同时也有广泛的应用价值。
在保护人体健康方面，我们需要开展相关的监测研究，并采取有效的控制措施来降低电磁辐射的危害；在雷达、通讯、光学等领域，我们需要深入研究电磁波的散射特性，以便于更好地掌握和应用电磁波的工程特性。
只有对电磁场的辐射和散射特性进行深入了解和研究，我们才能更好地利用电磁波，推动科技进步，服务人类社会的发展。
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摘要电磁场的面散射与体散射理论的研究，作为电磁面散射和体散射的典型代表，因其在气象、海洋、环境、军事等诸多领域的重要应用，成为专家学者们关注的热点。
本文主要针对粗糙面及体电磁散射的相关解析理论进行了较深入的研究工作，并对涉及了以上两种散射理论的植被散射问题给出了新的思路。
粗糙面散射的研究方面，本文就前人解析模型中对粗糙面斜率的随机分布特性只做了简单近似这一问题，针对高斯介质粗糙面提出了统计积分方程模型，完整地考虑了粗糙面高度和斜率两组随机特性，建立了较为准确的散射理论模型。
该模型引入了表面法向量的联合概率分布函数来表征法向量之间的联合分布规律；为计算散射幅度统计平均中涉及的多重概率积分，模型引入了具有较明确物理意义的协方差矩阵分解机制，并对该分解机制进行了较为完整的理论推导，得到散射功率的分解机制，从而对散射系数表达式中的六重变量积分进行了简化，最终得到散射系数的简单解析表达式。
另一方面，针对常规双尺度模型的缺陷，从该统计模型和小斜率近似方法出发，提出了一个改进的双尺度模型来有效地对复合型粗糙面进行建模。
改进模型将小斜率近似方法所具有的双尺度特性与统计积分方程模型的特点结合在一起，不但可以根据表面参数自适应地调节，使得模型可以覆盖更广的粗糙度区域，同时也避免了常规的双尺度模型在尺度划分上的不确定性，从而可以更好的应用在诸如海面等复合型粗糙面电磁散射问题。
体散射的研究方面，针对常规扩展边界条件方法在计算较大长径比的散射体时会存在着收敛性的问题，本文提出的迭代方法通过使用若干虚拟面来对一个较长的圆柱体进行等体分割，并建立线性方程组的过程中严格满足分割面上的边界条件，可以适用于任意长径比的有限长介质圆柱体散射问题；同时将该方法也被应用于多个有限长圆柱体的电磁散射问题中，并给出了相应的计算方法。
由于方法中所应用到的分割技术，可以大大的减小了圆柱体的外包络球，从而对于圆柱体的间距可以有更宽松的要求；同时，对于高阶近场效应不可忽视的情况，本方法在考虑相干散射时不仅仅包括二阶效应而是同时包括了所有阶效应，因而更加精确。
植被电磁散射的方面，本文对作为典型矮植被的大豆的后向散射场的进行了研究，所采用的方法吸取了分支模型和相位幅度修正模型的长处。
在建立植株间分布模型时，考虑到大豆植株在栽种时所具有的准周期性的特点，引入了天线阵的方法来描述植株间的分布情况。
再次，对于粗糙表面的散射贡献，不同于通常采用的经典基尔霍夫近似模型或小扰动模型，本文采用了的本文提出的统计斜率基尔霍夫模型。
而在考虑散射体－地面双径散射机制时，对于涉及粗糙面的反射部分，本文采用了修正的费涅尔反射系数，相比传统的反射系数，能够更好地考虑土壤表面粗糙度的影响。
通过仿真结果和实验结果的比较，验证了本文提出模型的正确性。
关键词粗糙面散射；统计特性；体散射；扩展边界条件；植被散射；分支模型AbstractThe electromagnetic scattering from randomly rough surfaces and volume scatterers have been an active research topic of in many areas, such as meteorology, oceanography, environment, military and so on. This dissertation made intensive research on random rough surface and volume electromagnetic wave scattering from analytical theory. Based on these two aspects of researches, we also paid attention to the problem on EM wave scattering from vegetation canopy on the rough surface.In terms of scattering from randomly rough surfaces, this dissertation carefully treated statistical distribution of slope or normal vector of surface, which were oversimplified by former analytical models, and proposed a statistical model in conjunction with the integral equation formalism for electromagnetic scattering from Gaussian rough surfaces with small to moderate heights and Gaussian power spectra where the statistical features of the surface slopes and the effect of shadowing were included. The proposed model introduced joint probability density function of surface normals to characterize their random distribution; furthermore, to simplify multiple fold integral involved in calculating ensemble averaging of scattering amplitudes, a decomposition scheme of slope covariance matrix was presented, which contained explicit physical meaning relating to correlation of slopes, and made possible the entire theory deduction and final simple analytical formulae for scattering coefficient computation. Then based on this proposed statistical method and the small slope approach, we also proposed a new two-scale model for wave scattering from a composite surface. For such model, it may capture the actual scattering mechanisms and lead to more accurate predictions, also may have promising applications for electromagnetic scattering from the ocean surface, whose entire roughness spectrum can be usually discomposed into small- and large-scale components.For volume scattering, the conventional T-matrix approach based on extended boundary condition method is reported to suffer from convergence problems for particles with extreme geometries represented by very large aspect ratios. This dissertation proposed a new iterative technique based on the T-matrix approach for the electromagnetic scattering by dielectric cylinders with arbitrary length. In this method, hypothetic surfaces were used to divide a cylinder into a cluster of N identical sub-cylinder, for each the T matrix can be directly calculated. Since any two neighboring subcylinder are touching via the division interface, the conventionalmultiscatterer equation method is not directly applicable. The coupling among sub-cylinder and boundary conditions at the interfaces were taken care of in our approach. Additionally, we extended this method to the problem of electromagnetic scattering from a cluster of parallel dielectric circular cylinders. Due to the division of the elongated cylinders, the intersection volume of the circumscribing spheres is strongly reduced. Therefore, the proposed method can be applied to the cases of when any pair of cylinders is close to each other. It should be noted that since no approximation is introduced in the procedure, this approach is thus more rigorous.In the field of electromagnetic scattering from vegetation, this dissertation made research on backscattering from the soybean, a typical species of short vegetation, and presented a model incorporating the benefits of branch model and phase and amplitude correction theory. In modeling inter-plant structure, the model introduced an antenna theory to take into consideration the quasi-periodic characteristics common in agricultural planting practice. Moreover, the proposed statistical integral equation model was adopted for direct scattering contribution of only randomly rough surfaces instead of traditional Kirchhoff approximation or small perturbation method; and in terms of the ground-scatter bounce scattering, conventionally used Fresnel reflection coefficient was modified to make full consideration of the impact of roughness of underlying surfaces. Finally, comparisons of model predictions with measuremental results validated this proposed model.Keywords surface scattering; statistical characteristics; volume scattering; extended boundary condition; vegetation; branch model。