第6章-电磁散射测量

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。

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。

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。