CN104076509A - 一种幻觉电磁隐身装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种幻觉电磁隐身装置，其组成部分包括三个核心区域和一个互补介质区域以及一个镶嵌在第二核心区域的产生幻觉区域；第一核心区域和第三核心区域均是横截面为三角形的尺寸相等的三棱柱，第二核心区域是横截面为矩形的四棱柱，互补介质区域是一个横截面为等腰梯形的四棱柱；本发明在传统隐身装置的基础上，用另外一个幻觉装置，产生另外一个幻觉的隐身装置，用幻觉装置来隐身目标物体。采用这种幻觉隐身装置，被隐身物体就不会只被限制在了隐身装置所对应的某一特定方向上。用本发明可以扩大被隐身物体所能放置的空间范围，同时相应的减小反物体和隐身装置的尺寸，节约成本和空间。

Description

一种幻觉电磁隐身装置

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种用于电磁隐身的幻觉隐身装置。

背景技术

1968年，前苏联物理学家V.G.Veselago首次提出当介电常数ε和磁导率μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间将构成左手关系。由于自然界中没有发现这种介质，所以他的研究结果在上个世纪一直没有得到实验验证，更没有得到深入的研究。1996年，J.B.Pendry等人在微波频段内设计实现了等效介电常数为负的周期排列的金属细线(Rod)阵列结构；1999年，Pendry等又提出用开路环谐振器(SRRs：Split Ring Resonators)实现等效磁导系数为负的介质。2000年，D.R.Smith等人根据Pendry的理论模型，将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，制成了世界第一例等效ε和μ同时为负的人工介质。2001年，他们将这一人工介质，印制在电路板上，实现了X波段的异向介质，并通过著名的“棱镜实验”，观察到了光线的负折射现象，首次从实验上证明了异向介质的存在。

近年来，以异向介质为代表的新型人工电磁材料成为国际上一个研究的热点，这种人工材料具有奇特的电磁特性。其中英文名称有很多，左手介质(LHM：Left-Handed Material)；后向波介质(BW medium：Backward-Wave medium)，双负介质(DNG：Double-Negative media)；负折射率介质(NRI：Negative RefractiveIndex Material)；人工复合材料(CMM：Composite Metamaterial)等，美国麻省理工学院孔金瓯(J.A.Kong)教授详细研究了电磁波在这类介质中的特性，建议其名称为异向介质(Metamaterials)，国内学者称为超颖材料，以突出电磁波在这种介质中传播时所表现出的不同于传统介质的各种逆向与奇异特性。

随着超颖材料研究的不断深入，完美隐形这一天方夜谭有可能变成有物理依据的事实。利用超颖材料实现完美隐形将成为新一代的隐形技术。

隐形(隐身)技术也称低可探测技术，是通过降低目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。目前各国的隐身技术主要是使用各种吸波、透波材料实现对雷达的隐形。国内外的吸波材料还存在频带窄、效率低等缺点，使其应用范围受到一定的限制。传统的隐形技术并不能达到严格意义上的完美隐形。

2006年7月，J.B.Pendry，D.Schurig和D.R.Smith在《Science》杂志提出将一个介质的介电常数和磁导率设计成空间的函数，我们可以控制电磁波在介质中的行进路径，这就是著名的“控制电磁场”理论。既然可以控制电磁波的传播路径，我们可以把介质作成空腔结构，当电磁波遇到这个介质时，会从介质的空腔周围绕过，而无法进入空腔内部，因此当有物体放置在这个空腔内部时，将不被外界观察到。同年D.R.Smith，J.B.Pendry等人基于人工电磁材料在微波频段设计，制作了二维圆柱形隐身斗篷，并进行了相应的实验验证。至此隐形斗篷不仅从理论上获得支持，在实验上也得到了证实。

超颖材料为隐形斗篷的理论设计和实验实现提供了有力的保证.作为近年来的重大科技进展，隐形斗篷的理论研究和实验引起了很多科研工作者的关注.隐形斗篷目的是让电磁波传播的时候绕过一个特定的区域，即光线按照特定的路线进行曲线传播.光线的弯曲，除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀空气层引起的光线弯曲.

设计隐身斗篷时，人们可以根据对电磁波的具体调控需要来构建空间映射,然后寻找能够实现空间映射的坐标变换,再由坐标变换计算出变换媒质，电磁波在这样设计出的变换媒质中将会按照人们预先设定的方式进行传播。变换光学方法成功地解决了完美电磁隐身斗篷的理论设计问题。所谓变换光学，它从Minkowski形式的麦克斯韦方程出发,按照人们所想要的任意方式,通过坐标变换使电磁波和能量在空间中以变换空间所表示的方式传播。这个时候改变的不是原始的笛卡尔平直坐标系而是空间介质的参数ε和μ,这样,我们就能让电磁波按照我们所设想的方式传播。由于做了坐标变换,几乎在空间每一点的ε和μ都有独立的值,这种材料在自然界是得不到的,所以在很长一段时间内这仅仅是数学变换而没法在物理上实现。事实上,早在1961年,Dolin就曾提出过这样的设想。但是,随着超颖材料的出现,直到2006年,人们才看到变换光学成为现实的可能性。超颖材料拓宽了介电常数和磁导率的范围,甚至可以得到双负材料。

目前世界上有多个研究小组开始致力于这方面的理论和实验研究。2007年A.Nicolet研究小组，根据J.B.Pendry的理论，并利用特殊的计算模型证明了当光以波形式传播时，近距离的物体也可以变得隐形。浙大小组，J.A.Kong等人从精确的电磁散射理论出发，对隐身斗篷的物理特性做了更细致的分析，研究了不同背景材料中(渐变介质，分层介质)圆柱斗篷的隐形特性。随后应用坐标变换，椭圆截面，正方形截面等不同形状斗篷分别被提出，这异向介质电磁传输特性及其在隐形斗篷应用的研究在一定程度上降低了斗篷结构的对称性。2008年，任意截面的电磁斗篷已有相关报道，这为电磁斗篷设计的灵活性提供了理论基础。

然而这种电磁斗篷还存在一个问题，就是在电磁斗篷的内部会形成盲区，即外部的光不能穿透一个完美隐形的斗篷，物体也无法观察到外界。

为了解决这个问题，上海交通大学与香港科技大学研究组合作，在2008年9月提出了反隐形斗篷理论，其原理是利用坐标变换设计出各向异性负折射率材料，且材料的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配。当一件隐形斗篷让物体周围的光线弯曲的时候，接触到反隐形斗蓬的任何区域将让一些光线回到原来的状态，从而让它可见。通过让一层反隐形斗蓬材料与隐形斗篷接触，这可以让隐藏在电磁斗篷内的物体观察到外界。

近期赖云等人将变换光学与补偿介质相结合，开辟了异向介质应用在隐形斗篷的新的分支。

2008年10月，马红孺等人，利用异向介质的负折射和相位补偿特性，实现物体的超级散射，即散射截面大于物体本身的几何截面。

2009年11月，陈焕阳等人根据坐标变换和相位补偿理论，设计出一种新型的斗篷，称之为互补介质斗篷，给这个新的分支带来了重大突破。这种互补介质斗篷理论上能够隐藏一个三维物体，突破了一维的局限。并且使斗篷外的目标实现隐形，正由于目标在斗篷外，它弥补了在传统电磁斗篷中目标与周围环境隔绝的缺点，使用互补介质斗篷可以使目标观测到外界而不被外界所觉察，这开创了隐形的新思路。唯一不足的是，这种斗篷依赖隐藏目标材料和形状。斗篷和目标形成一体，如果目标改变了，斗篷也得做相应的改变。但是，这种互补介质电磁隐身斗篷在设计的时候只是沿着某一个特性方向做坐标变换进行计算，因而整个斗篷装置就只是沿着相应的方向缩小或者增大尺寸，并且该电磁隐身装置也只能隐藏装置进行坐标变换方向上的目标物体。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有互补介质隐身装置的缺陷，利用幻觉装置进行两个方向上的坐标变换，从而设计出一种用幻觉装置隐身目标物体的幻觉电磁隐身装置。

为此，本发明提供了一种幻觉电磁隐身装置，包括第一核心区域，第二核心区域，第三核心区域，互补介质区域以及一个镶嵌在第二核心区域的产生幻觉区域，所述第一核心区域，第二核心区域以及第三核心区域储存了整个变换空间的电磁波；第一核心区域是横截面为三角形的三棱柱，第二核心区域是横截面为矩形的四棱柱，第三核心区域也是一个横截面为三角形的三棱柱，互补介质区域是一个横截面为等腰梯形的四棱柱；

所述第一核心区域和第三核心区域具有相同的几何尺寸，第一核心区域和第三核心区域的横截面都是钝角三角形，即∠AEB和∠DFC为钝角，第二核心区域的横截面为矩形，该矩形其中一条短边BE所对应的侧面与第一核心区域的BE边对应的侧面相接，另一条短边FC所对应的侧面与第三核心区域的FC对应的侧面相接；

三角形ABE与三角形DCF为全等三角形，其中边BE＝CF，AE＝DF,AB＝DC；边BE与CF均与第二核心区域的矩形横截面的两个短边相等；

互补介质区域的包含其梯形横截面上底EF的侧面与第二核心区域的包含其矩形横截面长边EF的侧面相接，梯形横截面的腰AE所在的互补介质区域侧面与AE所在的第一核心区域侧面对应相接；梯形横截面的腰DF所在的互补介质区域侧面与DF所在的第三核心区域侧面对应相接；

第一核心区域，第二核心区域，第三核心区域以及互补介质区域共同组成了一个横截面为等腰梯形ABCD的四棱柱；

所述产生幻觉区域由第五区域、第六区域、第七区域以及第八区域共同组成，该产生幻觉区域镶嵌于第二核心区域中，第五区域是横截面为矩形的四棱柱，第六区域为横截面是等腰梯形的四棱柱，第七区域和第八区域是几何尺寸相等的横截面为三角形的三棱柱，其中第五区域的右侧面与第六区域的右侧面的尺寸相同，且这两个侧面重叠相接，第七区域位于第五区域和第六区域的上方，且其面向第五区域和第六区域的两个侧面分别与第五区域和第六区域相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第八区域位于第五区域和第六区域的下方，且其面向第五区域和第六区域的两个侧面分别与第五区域和第六区域相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第五区域、第六区域、第七区域以及第八区域共同组成了一个横截面为等腰梯形的四棱柱。

上述第一核心区域，第二核心区域，第三核心区域，互补介质区域以及产生幻觉区域的材料由具有不同材料参数并且具有各向异性性质的超颖材料制成，所述幻觉电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。

上述第一核心区域，第二核心区域，第三核心区域，互补介质区域以及产生幻觉区域具体的材料参数可以利用坐标变换的原理计算得到；

上述任一区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)   (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)   (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε’和μ’是所计算区域的介电常数和磁导率；Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ij}}=\∂{p^{\′}}_i/{\∂p}_j---\left(3\right)$

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系；

若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

第一核心区域的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样三角形的压缩变换，能看作将原空间的三角形的三个顶点映射到第一核心区域的三角形的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出对应的待定系数A、B、C、D、E和F。

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，代入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得本区域的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε′＝ε′_r·ε₀，μ′＝μ′_r·μ₀

ε₀和μ₀分别是真空中的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米),即可求得第一核心区域的材料参数；

第二核心区域的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样矩形的坐标变换，能看作将原空间的矩形的任意三个顶点映射到第二核心区域矩形的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F。

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得第二核心区域的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可求得第二核心区域的材料参数；

第三核心区域的材料参数，计算方法与第一核心区域相同；

互补介质区域的材料参数的具体计算过程：

该区域进行的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样的坐标变换，可以看做将原空间的任意三个顶点映射到互补介质区域的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式，即可求出坐标变化后区域的材料参数：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

求得的互补介质区域的相对介电常数和相对磁导率表示为：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可得到互补介质区域(4)的材料参数；

幻觉产生区域的材料参数的具体计算过程：

幻觉产生区域镶嵌于第二核心区域中，其由第五区域、第六区域、第七区域以及第八区域四个部分组成，该四个部分材料参数都可利用ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)，μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)计算得到，值得注意的是，此处的ε和μ是产生的幻觉装置的介电常数和磁导率；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需的介电常数和磁导率的人工超颖材料。

上述幻觉电磁隐身装置的工作电磁波的波长与其尺寸基本相同。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明利用产生的幻觉装置隐身目标物体，在第二核心区域镶嵌产生幻觉区域，即可在整个幻觉隐身装置上方等效的得到一个隐身斗篷，利用这个幻觉产生的隐身斗篷，隐藏空间中的目标物体，改变产生幻觉区域的位置和朝向，即可幻觉的产生不同位置与朝向的隐身装置，就可以隐身不同位置的目标物体，大大扩大了被隐身物体可以放置的空间。在本发明的第二核心区域镶嵌产生幻觉区域，在本幻觉隐身装置的上方幻觉产生的隐身装置是一个较大的隐身装置，因此可以隐身较大的目标物体，即可以利用小的装置隐身较大的目标物体。本发明的幻觉隐身装置在垂直于轴向的面上，具有全方向上的隐身效果。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的三个核心区域和互补介质区域的横截面示意图；

图2是本发明的产生幻觉区域的横截面示意图；

图3是本发明的第一种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的第二种实施方式的结构示意图；

图5是本发明的第一种实施方式隐身目标物体的结构示意图；

图6是本发明的第二种实施方式隐身目标物体的结构示意图；

图7是本发明产生的等效的隐身装置在直角坐标系下的坐标变换示意图；

图8是本发明的三个核心区域与互补介质区域在直角坐标系下的坐标变换示意图；

图9是电磁波通过本发明时的隐身效果示意图；

图10是隐身装置尺寸与目标物体尺寸近似时的电磁隐身效果图；

附图标记说明：1、第一核心区域；2、第二核心区域；3、第三核心区域；4、互补介质区域；5、第五区域；6、第六区域；7、第七区域；8第八区域。

具体实施方式

本发明所设计的电磁隐身装置，所限制的工作频率，要求其波长与装置自身的尺寸近似。本发明所设计电磁隐身装置是全方向上的电磁隐身，即与入射电磁波的入射方向无关。物体的材料参数包括介电常数ε和磁导率μ，本发明设计的电磁装置是由各向异性的超颖材料构成。本发明的幻觉隐身装置整体横截面是一个等边梯形，沿轴线方向上具有相同的材料参数。

如图1至图6所示，本发明提供了一种幻觉电磁隐身装置，包括第一核心区域1，第二核心区域2，第三核心区域3，互补介质区域4以及一个镶嵌在第二核心区域2的产生幻觉区域，所述第一核心区域1，第二核心区域2以及第三核心区域3储存了整个变换空间的电磁波；第一核心区域1是横截面为三角形的三棱柱，第二核心区域2是横截面为矩形的四棱柱，第三核心区域3也是一个横截面为三角形的三棱柱，互补介质区域4是一个横截面为等腰梯形的四棱柱；

所述第一核心区域1和第三核心区域3具有相同的几何尺寸，第一核心区域1和第三核心区域3的横截面都是钝角三角形，即∠AEB和∠DFC为钝角，第二核心区域2的横截面为矩形，该矩形其中一条短边BE所对应的侧面与第一核心区域1的BE边对应的侧面相接，另一条短边FC所对应的侧面与第三核心区域3的FC对应的侧面相接；

三角形ABE与三角形DCF为全等三角形，其中边BE＝CF，AE＝DF,AB＝DC；边BE与CF均与第二核心区域2的矩形横截面的两个短边相等；

互补介质区域4的包含其梯形横截面上底EF的侧面与第二核心区域2的包含其矩形横截面长边EF的侧面相接，梯形横截面的腰AE所在的互补介质区域4侧面与AE所在的第一核心区域1侧面对应相接；梯形横截面的腰DF所在的互补介质区域4侧面与DF所在的第三核心区域3侧面对应相接；

第一核心区域1，第二核心区域2，第三核心区域3以及互补介质区域4共同组成了一个横截面为等腰梯形ABCD的四棱柱；

如图2和图3所示，第五区域5、第六区域6、第七区域7以及第八区域8共同组成了产生幻觉区域，该产生幻觉区域镶嵌于第二核心区域2中，第五区域5是横截面为矩形的四棱柱，第六区域6为横截面是等腰梯形的四棱柱，第七区域7和第八区域8是几何尺寸相等的横截面为三角形的三棱柱，其中第五区域5的右侧面与第六区域6的右侧面的尺寸相同，且这两个侧面重叠相接，第七区域7位于第五区域5和第六区域6的上方，且其面向第五区域5和第六区域6的两个侧面分别与第五区域5和第六区域6相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第八区域8位于第五区域5和第六区域6的下方，且其面向第五区域5和第六区域6的两个侧面分别与第五区域5和第六区域6相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第五区域5、第六区域6、第七区域7以及第八区域8共同组成了一个横截面为等腰梯形的四棱柱。

上述第一核心区域1，第二核心区域2，第三核心区域3，互补介质区域4以及产生幻觉区域的材料由具有不同材料参数并且具有各向异性性质的超颖材料制成，所述幻觉电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。

上述第一核心区域1，第二核心区域2，第三核心区域3，互补介质区域4以及产生幻觉区域具体的材料参数可以利用坐标变换的原理计算得到；

上述任一区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)   (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)   (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε’和μ’是所计算区域的介电常数和磁导率；Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ij}}=\∂{p^{\′}}_i/{\∂p}_j---\left(3\right)$

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系；

若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

第一核心区域1的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样三角形的压缩变换，能看作将原空间的三角形的三个顶点映射到第一核心区域1的三角形的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出对应的待定系数A、B、C、D、E和F。

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，代入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得本区域的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε′＝ε′_r·ε₀，μ′＝μ′_r·μ₀

ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米),即可求得第一核心区域1的材料参数；

第二核心区域2的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样矩形的坐标变换，能看作将原空间的矩形的任意三个顶点映射到第二核心区域2矩形的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F。

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得第二核心区域2的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可求得第二核心区域2的材料参数；

第三核心区域3的材料参数，计算方法与第一核心区域1相同；

互补介质区域4的材料参数的具体计算过程：

该区域进行的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样的坐标变换，能看作将原空间的任意三个顶点映射到互补介质区域4的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得互补介质区域4的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可求得互补介质区域4的材料参数；

幻觉产生区域的材料参数的具体计算过程：

幻觉产生区域镶嵌于第二核心区域2中，其由第五区域5、第六区域6、第七区域7以及第八区域8四个部分组成，该四个部分材料参数都可利用ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)，μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)计算得到，此处的ε和μ是产生的幻觉装置的介电常数和磁导率；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需的介电常数和磁导率的人工超颖材料。

上述幻觉电磁隐身装置的工作电磁波的波长与其尺寸基本相同。

在本发明中，设计合适的产生幻觉区域，可以在整个幻觉隐身装置外部，等效的产生一个幻觉装置，此幻觉装置本身并不真实存在，只是在装置空间等效的具有幻觉装置的材料参数，即虽然真实空间中没有放置该装置，但是通过本发明的幻觉隐身装置，可以等效的在空间中产生一个幻觉装置，使电磁波通过该区域时，就像是通过真实的装置一样；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需介电常数和磁导率的人工超颖材料；

如图1所示，第一核心区域1是一个钝角三棱柱，与钝角∠AEB相邻的两侧面分别与第二核心区域2和互补介质区域4的侧面相接，即区域1的边BE与第二核心区域2的边BE相接，区域1的边AE与区域4的边AE相接，第三核心区域3的边CF与区域2的边CF相接,区域3的边DF与区域4的边DF相接。与互补介质区域4的边EF对应侧面相接的是第二个核心区域2的长边EF对应侧面，互补介质区域4的另一侧面是产生等效隐身装置的区域，也即是空气区域；此结构本身就可以作为一个电磁隐身装置单独工作，若被隐身物体放置于互补介质区域4另一侧面的空气区域，则只需要在互补介质区域4中镶嵌被隐身物体的镜像反物体，就可以隐身装置外部的目标物体，只是直接用区域4只能隐身区域死上部空气区域的目标物体，对其斜上方区域的目标物体无法隐身。因而在本发明中并不直接用互补介质区域4去隐身目标物体，而是用幻觉装置隐身目标物体。如果在区域2内部镶嵌某一个物体，就可以在空气区域中产生一个等效的幻觉物体，该幻觉物体与第二核心区域2内部镶嵌的物体具有不同的材料参数，但是其材料参数同样满足试(1)和(2)的计算公式。利用这个原理，在区域2中镶嵌合适材料参数的产生幻觉区域，即可在互补介质区域上方产生所需的等效的幻觉隐身装置，产生的幻觉装置朝向和位置不同，就可以隐身不同位置的目标物体，这就扩展了目标物体可以存在的区域范围。这种电磁隐身装置，被隐身物体放置在装置的外部，可以与外部进行良好的通信。

图8是本发明的电磁幻觉隐身装置三个核心区域与互补介质区域在直角坐标系下的坐标变换示意图，即图1所示装置在直角坐标系下的坐标变换示意图，点N(-x7,-y4)和P(-x6,-y5)是第一核心区域1与互补介质区域4相接面的顶点，点K(x5,-y6)是第二核心区域2与第三核心区域3的一个交点，L(x4,-y4)是第三核心区域3与互补介质区域4的一个交点，知道这四个点的坐标，即可确定了图1所示装置的尺寸。图8中IV代表外部空气区域，V代表图1中的互补介质区域4，VI代表图1中的三个核心区域。M(-x6,y3)是外部空气区域边界上的一个顶点。

对外部空气区域IV到互补介质区域V的坐标变换是一个折叠变换，将IV区域折叠变换到区域V，空气区域的外边界映射到区域V与VI的交接面(即点M映射到点P)，线段NL映射到NL。假设其坐标变换方程如式(4)所示：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F   (4)

则根据式(3)，雅克比矩阵为式(5)

$\mathrm{\Λ}=\left(\begin{array}{ccc}A& B& 0\\ D& E& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(5\right)$

如果原变换空间为空气，将式(5)代入式(1)和(2)，得到变换后空间的介电常数和磁导率为如下式(6)；

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)---\left(6\right)$

若知道坐标变换方程(4)中的待定系数A、B、D和E，即可以求解得到变换后空间的材料参数。对互补介质区域V，点M映射到点P，点N映射到点N，点L映射到点L，已知三个点的映射关系，代入到式(4)中，即可求出未知的待定系数，从而由式(6)计算出区域V的相对介电常数与磁导率。

又材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀   (7)

ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米)，将所求得的相对介电常数与相对磁导率带入式(7)中，即可求得区域V的材料参数。

同理，核心区域VI是一个将区域IV、V和VI组成的整个区域压缩到区域VI的压缩变换，点M映射到点P，点N、L和K映射到点N、L、K。利用上述过程，将相关的映射点代入到坐标变换方程(4)，求得待定系数，再由式(6)得到区域VI中的相对介电常数和磁导率，再带入式(7)中即可求得核心区域VI的材料参数。由于区域VI是由三个核心区域组成，因而，在进行坐标变换的时候也是分为三个区域进行变换。

从上述坐标变换过程来看，由于IV到V的变换是一个折叠变换，那么放置在区域IV的目标物体就可以被放置于互补介质区域V的镜像物体隐身。同时整个变换区域到区域VI是一个压缩变换，因而在区域VI的物体可以再整个区域产生等效的幻觉物体，镶嵌在区域VI的物体放置在合适的位置，就可以控制幻觉物体只是位于区域IV中。

图3是本发明第一种实施方式结构示意图，产生幻觉区域沿水平方向放置，虚线所示是产生的等效的幻觉装置的结构示意图，等效产生的幻觉装置同样具有三个核心区域与互补介质区域。

图5是本发明的第一种实施方式隐身目标物体的结构示意图，左下角实线所示就是本发明所公布的电磁幻觉隐身装置，利用所示装置，在其上方可以产生另一个幻觉装置，此幻觉装置同时又是一个沿着另一方向上的，可以隐藏目标物体的外部电磁隐身装置。因而，幻觉装置是朝哪个方向，本装置就可以隐身相应方向上的目标物体。这大大增加了外部隐身装置可以隐身目标物体的空间范围，使被隐身物体的空间范围具有任意性。左下方实线所示装置可以进一步划分为两个区域，一个是由正下方矩形区域和左右两侧三角形组成的核心区域，另一个是位于核心区域上方的梯形互补介质区域。在矩形核心区域中，放置具有一定材料参数的产生幻觉区域，既可以得到另一个幻觉隐身装置。如图中所示，幻觉隐身装置的方向可以用矩形核心区域中镶嵌的传声幻觉区域来控制。

隐身目标是位于右上角的实线所绘横截面为三角形的三棱柱，为了隐身目标物体，在等效的隐身装置的互补介质区域需要有一个镜像三棱柱，来抵消目标物体的散射，达到隐身目标三棱柱的效果，即在产生幻觉区域的区域6中同时需要镶嵌用于产生等效的镜像三棱柱的介质区域，即图5中第区域6内实线所绘的三角形区域。

图7是本发明产生的等效的隐身装置在直角坐标系下的坐标变换示意图；被隐身物体放置在区域III，互补介质区域为区域II，核心区域为区域I，区域III为空气，区域I和II的材料参数可以用计算图1装置的方法求出。由此算出的材料参数只是幻觉装置的材料参数，即图5中虚线所示装置各个区域的材料参数。要得到图2中产生幻觉区域各个子区域的材料，还需要对其按照图8所示变换进行压缩，压缩的坐标变换方程与计算第二核心区域2的坐标变换相同。需要注意的是，由于此时区域IV中的等效幻觉装置的材料参数不是真空的参数，因而在计算过程中式(1)与(2)中ε和μ不是空气的介电常数和磁导率，而是等效装置的电常数与磁导率。

图9是电磁波通过本发明的隐身效果示意图；该图中，对应于图7与图8中的个点坐标：x₁＝0.4m,x₂＝0.4m,x₃＝0.2m,y₁＝0.1m,y₂＝0.2m，x₄＝0.2m,x₅＝0.1m,x₆＝0.5m,x₇＝0.6m,y₃＝0.3m,y₄＝0.3m,y₅＝0.4m以及y₆＝0.6m。平面电磁波从左往右入射，经过本发明装置，在装置右边仍然呈现稳态的平面波性质，使得在外部观察者看来，目标物体和隐身装置都是不可见的。

图10是隐身装置尺寸到目标物体尺寸近似时的电磁隐身效果图。该图中，平面电磁波从左往右入射，经过本发明装置，在装置右边仍然呈现稳态的平面波性质，使得在外部观察者看来，目标物体和隐身装置都是不可见的。

本发明公布的这种幻觉电磁隐身装置，用于隐身目标物体，是在互补介质隐身装置的基础上，产生一个幻觉的外部隐身装置，并且利用幻觉产生的外部隐身装置来隐藏目标物体，而不是直接利用互补介质隐身装置隐藏目标物体。任意设计所产生的幻觉装置的方向位置，就可以隐身任意方向上的目标物体，突破了传统的互补介质隐身装置只能隐身斗篷特定方向目标物体的缺陷。

本发明结构简单，装置的材料参数具有各向异性的性质。产生幻觉装置的方法，实际上是利用了在另一个方向上进行第二次的坐标变换，这样既可以在两个方向上同时减小装置的尺寸，节约成本和空间，同时又可以通过改变幻觉装置的方向，改变本发明装置能够隐身目标物体的空间范围，使其空间范围具有任意性。这种增大了被隐身物体空间范围的优点具有重要的实际意义。

图4是本发明装置第二种实施方式结构示意图，产生幻觉区域斜向放置，虚线所示是产生的等效隐身装置的结构示意图，等效产生的隐身装置具有三个核心区域与互补介质区域。

图6是第二种实施方式的隐身目标物体结构示意图；左下角实线所示就是本发明所公布的幻觉电磁隐身装置，利用所示装置，在其上方可以产生另一个幻觉装置，此幻觉装置同时又是一个沿着另一方向上的，可以隐藏目标物体的外部电磁隐身装置。因而，幻觉装置是沿着朝着方向上的坐标变换，本装置就可以隐身相应方向上的目标物体。这大大增加了外部隐身装置可以隐身目标物体的空间范围，使其空间范围具有任意性。

本发明所公布幻觉电磁隐身装置，其各个区域的材料参数可以通过坐标变换方程进行计算得到，并且利用人工电磁新材料实现。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种幻觉电磁隐身装置，其特征在于：包括第一核心区域(1)，第二核心区域(2)，第三核心区域(3)，互补介质区域(4)以及一个镶嵌在第二核心区域(2)的产生幻觉区域，所述第一核心区域(1)，第二核心区域(2)以及第三核心区域(3)储存了整个变换空间的电磁波；第一核心区域(1)是横截面为三角形的三棱柱，第二核心区域(2)是横截面为矩形的四棱柱，第三核心区域(3)也是一个横截面为三角形的三棱柱，互补介质区域(4)是一个横截面为等腰梯形的四棱柱；

所述第一核心区域(1)和第三核心区域(3)具有相同的几何尺寸，第一核心区域(1)和第三核心区域(3)的横截面都是钝角三角形，即∠AEB和∠DFC为钝角，第二核心区域(2)的横截面为矩形，该矩形其中一条短边BE所对应的侧面与第一核心区域(1)的BE边对应的侧面相接，另一条短边FC所对应的侧面与第三核心区域(3)的FC对应的侧面相接；

三角形ABE与三角形DCF为全等三角形，其中边BE＝CF，AE＝DF,AB＝DC；边BE与CF均与第二核心区域(2)的矩形横截面的两个短边相等；

互补介质区域(4)的包含其梯形横截面上底EF的侧面与第二核心区域(2)的包含其矩形横截面长边EF的侧面相接，梯形横截面的腰AE所在的互补介质区域(4)侧面与AE所在的第一核心区域(1)侧面对应相接；梯形横截面的腰DF所在的互补介质区域(4)侧面与DF所在的第三核心区域(3)侧面对应相接；

第一核心区域(1)，第二核心区域(2)，第三核心区域(3)以及互补介质区域(4)共同组成了一个横截面为等腰梯形ABCD的四棱柱；

所述产生幻觉区域由第五区域(5)、第六区域(6)、第七区域(7)以及第八区域(8)共同组成，该产生幻觉区域镶嵌于第二核心区域(2)中，第五区域(5)是横截面为矩形的四棱柱，第六区域(6)为横截面是等腰梯形的四棱柱，第七区域(7)和第八区域(8)是几何尺寸相等的横截面为三角形的三棱柱，其中第五区域(5)的右侧面与第六区域(6)的右侧面的尺寸相同，且这两个侧面重叠相接，第七区域(7)位于第五区域(5)和第六区域(6)的上方，且其面向第五区域(5)和第六区域(6)的两个侧面分别与第五区域(5)和第六区域(6)相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第八区域(8)位于第五区域(5)和第六区域(6)的下方，且其面向第五区域(5)和第六区域(6)的两个侧面分别与第五区域(5)和第六区域(6)相对应的侧面尺寸相同，且重叠相接；第五区域(5)、第六区域(6)、第七区域(7)以及第八区域(8)共同组成了一个横截面为等腰梯形的四棱柱。

2.如权利要求1所述的一种幻觉电磁隐身装置，其特征在于：所述第一核心区域(1)，第二核心区域(2)，第三核心区域(3)，互补介质区域(4)以及产生幻觉区域的材料由具有不同材料参数并且具有各向异性性质的超颖材料制成，所述幻觉电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。

3.如权利要求2所述的一种幻觉电磁隐身装置，其特征在于：所述第一核心区域(1)，第二核心区域(2)，第三核心区域(3)，互补介质区域(4)以及产生幻觉区域具体的材料参数能利用坐标变换的原理计算得到；

上述任一区域的材料参数能用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)   (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)   (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε’和μ’是所计算区域的介电常数和磁导率；Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ij}}=\∂{p^{\′}}_i/{\∂p}_j---\left(3\right)$

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系；

若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

第一核心区域(1)的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样三角形的压缩变换，能看做将原空间的三角形的三个顶点映射到第一核心区域(1)的三角形的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出对应的待定系数A、B、C、D、E和；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，代入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得本区域的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε′＝ε′_r·ε₀，μ′＝μ′_r·μ₀

其中Λ是雅克比矩阵，p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米),即可求得第一核心区域(1)的材料参数；

第二核心区域(2)的材料参数的具体计算过程：

设该区域的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样矩形的坐标变换，能看作将原空间的矩形的任意三个顶点映射到第二核心区域(2)矩形的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得第二核心区域(2)的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可求得第二核心区域(2)的材料参数；

第三核心区域(3)的材料参数，计算方法与第一核心区域(1)相同；

互补介质区域(4)的材料参数的具体计算过程：

该区域进行的坐标变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝Ax+By+C

y'＝Dx+Ey+F

对于这样的坐标变换，能看作将原空间的任意三个顶点映射到互补介质区域(4)的相应的三个顶点，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出此时的待定系数A、B、C、D、E和F；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式坐标变化后区域的材料计算公式：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得互补介质区域(4)的相对介电常数和相对磁导率：

${{\mathrm{\ϵ}}^{\′}}_r={{\mathrm{\μ}}^{\′}}_r=\left(\begin{array}{ccc}\frac{A^2+B^2}{A}& \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& 0\\ \frac{\mathrm{AD}+\mathrm{BE}}{\mathrm{AE}}& \frac{D^2+E^2}{\mathrm{AE}}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{\mathrm{AE}}\end{array}\right)$

再根据ε'＝ε'_r·ε₀，μ'＝μ'_r·μ₀，即可求得互补介质区域(4)的材料参数；

幻觉产生区域的材料参数的具体计算过程：

幻觉产生区域镶嵌于第二核心区域(2)中，其由第五区域(5)、第六区域(6)、第七区域(7)以及第八区域(8)四个部分组成，该四个部分材料参数都可利用ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)，μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)计算得到，此处的ε和μ是产生的幻觉装置的介电常数和磁导率；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需的介电常数和磁导率的人工超颖材料。

4.如权利要求1所述的一种幻觉电磁隐身装置，其特征在于：所述幻觉电磁隐身装置的工作电磁波的波长与其尺寸基本相同。