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。