CN101793979A

CN101793979A - 一维漫反射随机折射率梯度覆层及其应用

Info

Publication number: CN101793979A
Application number: CN201010108407A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 杨歆汨; 周小阳; 程强; 马慧峰
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: CN101793979B

Abstract

一种一维漫反射随机折射率梯度覆层及其应用，设覆层厚度是t，方向为y方向，覆层上选择一个与y方向正交的方向为x方向，同时与x方向和y方向正交的方向为z方向，覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布，而在y方向和z方向均匀分布；覆层沿着x方向等长度地划分成若干段区域，每段区域的相对折射率沿x方向线性变化，所述线性变化的梯度在区间[-(2t)^-1，(2t)^-1]内随机采样而得，每个区域的相对折射率梯度都是一个样本。将本发明覆层覆盖在良导体平板上，在平面波照射时有效抑制良导体平板的镜面反射能量，产生漫反射效果。本发明用平板状的覆层代替粗糙表面产生漫反射效果，覆层厚度可以设计得较薄，利于实用；对平板覆层的设计具有一定指导意义；容易用现有的新型人工电磁媒质实现。

Description

一维漫反射随机折射率梯度覆层及其应用

技术领域

本发明属于随机表面范畴，用于电磁隐身伪装领域，减小导体目标被发现的概率，为一种一维漫反射随机折射率梯度覆层及其应用。

背景技术

近些年，使用新型人工电磁媒质设计研制新型电磁隐身装置引起国际的关注，新型人工电磁媒质(Metamaterial)的研究蕴含着大量的基础科学问题和技术挑战。新型人工电磁媒质的特性不但取决于基本单元结构本身，而且取决于基本单元的空间排列方式。目前国际上主要采取两类方案来使用新型人工电磁媒质对物体隐身：一是减小甚至消除物体的散射能量，例如杜克大学D.Schurig等人研制的TE波圆柱形隐身大衣(Science314，977)；二是改变物体的散射方向图，为散射波束赋型，例如Pendry等人提出，刘若鹏等设计制作的地毯式隐身大衣(Science 323，366，2009)。

漫反射是实现电磁隐身的另一个有效手段。漫反射在自然界一般由粗糙表面造成，加工使用很不方便。如果采用电磁本构参数随机变化的方案就有可能用平板状的媒质层产生漫反射，为加工使用带来方便。2008年Meta08会议上R.Liu等人第一次提出用随机渐变折射率媒质实现漫反射(2008 International Workshop on Metamaterials，pp.248-250，Nanjing，China，2008)，除此之外还没有使用平板媒质实现漫反射的公开报道。而R.Liu等人提出的方案所需媒质厚度太大，大约120mm，不利于实用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：漫反射作为电磁隐身的一个有效手段，由粗糙表面直接加工使用很不方便，现有提出的漫反射实现方法不利于实用，需要更实用而且易于实现的手段来实现漫反射。

本发明的技术方案为：一种一维漫反射随机折射率梯度覆层，覆层为平板状，设覆层厚度方向为y方向，覆层上选择一个与y方向正交的方向为x方向，同时与x方向和y方向正交的方向为z方向，覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布，而在y方向和z方向均匀分布.。

覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布的方式为：覆层沿着x方向等长度地划分成若干段区域，每段区域的相对折射率沿x方向线性变化，所述线性变化的梯度在区间[-(2t)^-1，(2t)^-1]内随机采样而得，其中t是覆层的厚度，每个区域的相对折射率梯度都是一个样本。

本发明用等效折射率可调的新型人工电磁媒质来制作，整个覆层相对折射率的变化范围限制在新型人工电磁媒质提供的相对折射率调节范围之内。

覆层厚度t不小于l/(2*Δn)，其中Δn为覆层相对折射率可用变化范围，l是覆层划分区域的长度。

非零的相对折射率梯度能使反射电磁波偏离镜面反射方向，偏折角度随相对折射率梯度的增大而单调递增，各个区域的相对折射率梯度随机采样意味着各区域的本地反射电磁波被随机地偏折到各个角度，从而产生漫反射效果。本发明中，在覆层所有区域的相对折射率梯度的集合里，也就是区间[-(2t)^-1，(2t)^-1]内，相对折射率梯度出现0的机会非常小，即使有等于或者接近零的相对折射率梯度出现，这对镜面反射的贡献也有限，整体上还是漫反射的效果，因为这有限的镜面反射也属于漫反射的一部分。如果对镜面反射的抑制度不满意，可以重新生成随机的相对折射率梯度分布，尽可能避开0。

本发明覆层的应用，将覆层覆盖在良导体平板上，在平面波照射时有效抑制良导体平板的镜面反射能量，产生漫反射效果，所述良导体指电导率大于1×10⁷S/m的导体。

本发明使用较薄的平板状覆层代替粗糙表面，在良导体平板前产生漫反射效果。本发明给出了这种平板状覆层的相对折射率分布特征：相对折射率变化梯度沿着一个方向随机变化。正是这一特征赋予平板覆层类似粗糙表面的漫反射特性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)、实现用平板状的覆层代替粗糙表面在良导体平板前产生漫反射效果。该覆层用现有的新型人工电磁媒质实现，厚度可以做到10mm左右，仅为其他基于随机电磁参数分布的人工漫反射覆层厚度的10％左右；

2)、本发明提出的覆层的特征：覆层相对折射率梯度沿一个方向随机分布，对这种平板覆层的设计具有一定指导意义；

3)、本发明提出的一维漫反射随机折射率梯度覆层容易用现有的新型人工电磁媒质实现。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，呈平板状的一维漫反射随机折射率梯度覆层。图中φ是以z轴为轴向的圆柱坐标系的极角坐标，也即图3横坐标的含义。

图2是本发明中一维漫反射随机折射率梯度覆层的一个实例。

图3是本发明的一个实施例，z方向极化的电磁波沿负y轴垂直入射情况下，裸露良导体平板在xoy平面内的二维后向远场散射方向图以及将图2所示的覆层贴附在同一块良导体平板上之后在xoy平面内产生的二维后向远场散射方向图。

具体实施方式

本发明中，一维漫反射随机折射率梯度覆层呈平板状，设覆层厚度是t，方向为y方向，覆层上选择一个与y方向正交的方向为x方向，同时与x方向和y方向正交的方向为z方向，覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布，而在y方向和z方向均匀分布。由于覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布，x方向上各本地反射电磁波被随机地偏折到各个角度，从而产生漫反射效果。

覆层沿着x方向等长度地划分成若干段区域，每段区域的相对折射率沿x方向线性变化，所述线性变化的梯度在区间[-(2t)^-1，(2t)^-1]内随机采样而得，每个区域的相对折射率梯度都是一个样本，如图1所示。

本发明的覆层可以用等效折射率可调的新型人工电磁媒质来制作，例如“工”型结构的新型人工电磁媒质。整个覆层相对折射率的变化范围限制在新型人工电磁媒质提供的折射率调节范围之内。已知覆层相对折射率梯度分布信息和覆层最边缘的相对折射率初始值可以确定整个覆层的相对折射率分布，但是这个分布有可能在某些点超出由新型人工电磁媒质给定的折射率调节范围，如果出现这种情况，就得重复给出相对折射率梯度的随机分布并计算相对折射率分布，直至整个覆层的相对折射率落在要求范围之内。

覆层相对折射率可用变化范围Δn越大，意味着实现大折射率变化梯度越方便，从而覆层厚度t可以取得较小，一般限制t不得小于l/(2*Δn)，合理选择l和Δn可以使t较小，例如l＝20mm，Δn＝2，t可以设置成10mm，远远小于之前基于随机电磁参数分布的漫反射覆层厚度120mm。

本发明覆层应用时，将覆层覆盖在良导体平板上，在平面波照射时有效抑制良导体平板的镜面反射能量，产生漫反射效果，所述良导体指电导率大于1×10⁷S/m的导体。由于本发明覆层厚度大大减小，有利于覆盖在良导体上，提高了实用性。

下面举例说明本发明的具体实施。

一维漫反射随机折射率梯度覆层在x方向的长度是0.9米，覆层的厚度是12毫米，覆层沿x方向被等分为25段子区域，各子区域的相对折射率变化梯度如图2(a)所示，其中白色条代表正梯度，而黑色条代表负梯度，这些折射率梯度是在[-41.67m^-1，41.67m^-1]范围内随机取得的，可以看到大部分子区域具有较大的相对折射率梯度值，也即相对折射率梯度在[-41.67m^-1，41.67m^-1]内非均匀分布。图2(b)显示了覆层沿x方向的相对折射率分布，这里各子区域衔接处的相对折射率连续过渡，整个覆层的相对折射率被限制在[1.15，2.85]范围内，该范围内的相对折射率是容易用新型人工电磁媒质实现的。

图3是z方向极化的电磁波沿负y轴垂直入射情况下，裸露良导体平板在xoy平面内的二维后向远场散射方向图(实线)，以及将本发明中的一维漫反射随机折射率梯度覆层贴附在同一块良导体平板上之后在xoy平面内产生的二维后向远场散射方向图(点划线)，这里的覆层具有图2所示相对折射率梯度分布和相对折射率分布。这是一维漫反射随机折射率梯度覆层产生漫反射效果的一个实例。可以看到覆盖了随机覆层之后，良导体平板的后向散射主瓣被明显抑制，抑制度超过10dB，另外带覆层的良导体平板的后向散射没有明显的主瓣，这是漫散射性质的体现。

Claims

1.一种一维漫反射随机折射率梯度覆层，其特征是覆层为平板状，设覆层厚度方向为y方向，覆层上选择一个与y方向正交的方向为x方向，同时与x方向和y方向正交的方向为z方向，覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布，而在y方向和z方向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种一维漫反射随机折射率梯度覆层，其特征是覆层的相对折射率在x方向上非均匀分布的方式为：覆层沿着x方向等长度地划分成若干段区域，每段区域的相对折射率沿x方向线性变化，所述线性变化的梯度在区间[-(2t)^-1，(2t)^-1]内随机采样而得，其中t是覆层的厚度，每个区域的相对折射率梯度都是一个样本。

3.根据权利要求1或2所述的一种一维随机折射率梯度覆层，其特征是用等效折射率可调的新型人工电磁媒质来制作，整个覆层相对折射率的变化范围限制在新型人工电磁媒质提供的相对折射率调节范围之内。

4.根据权利要求1或2所述的一种一维漫反射随机折射率梯度覆层，其特征是覆层厚度t不小于l/(2*Δn)，其中Δn为覆层相对折射率的变化范围，l是覆层划分区域的长度，所述长度沿x方向。

5.根据权利要求3所述的一种一维漫反射随机折射率梯度覆层，其特征是覆层厚度t不小于l/(2*Δn)，其中Δn为覆层相对折射率的变化范围，l是覆层划分区域的长度，所述长度沿x方向。

6.权利要求1-5任一项所述的一维漫反射随机折射率梯度覆层的应用，其特征是将覆层覆盖在良导体平板上，在平面波照射时有效抑制良导体平板的镜面反射能量，产生漫反射效果，所述良导体指电导率大于1×10⁷S/m的导体。