第6章-电磁散射测量

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。

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。

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 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。

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。

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。

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。

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。

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。