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
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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。
4
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
3
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