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金属介电常数对雷达目标散射截面的影响

阅读次数：1835 发布时间：2017/4/1 15:21:47

金属介电常数对雷达目标散射截面的影响

　　金属目标的雷达散射截面除了与目标的大小、形状、入射角等有关外还与目标的电磁特性有关，电磁特性的核心就是金属的相对介电常数随频率的变化。低频情况下介电常数是复数，电磁波在导体表面产生感应电流会产生散射场，同尺寸非金属目标的雷达散射截面要远小于金属目标雷达散射截面；高频情况下，介电常数变为实数，金属不再是导体而是电介质了，可以像绝缘体一样反射和透射电磁波，同尺寸的非金属目标的激光雷达散射截面的数值可以大于金属目标的激光雷达散射截面。

引言

　　理论研究表明微波、激光对于同一尺寸、同一材料的金属平面和金属球其雷达散射截面的数值是有很大差异的。微波雷达散射截面( RCS) 一般与入射电磁波的频率有直接关联，而波长位于红外的激光雷达散射截面( LRCS) 通常与入射电磁波的频率没有直接关联，而决定于表面粗糙程度。微波与红外波都属于电磁波，二者又都是借助于统一的雷达方程来推导出雷达散射截面的表达式，但同一目标的微波领域与激光雷达散射截面确会出现很大的差异，这种差异来自金属的相对介电常数频率变化的特性，在从低频到高频的过程中介电常数有时会为实数，有时会为虚数，有时会为正，有时会为负，正是这些特性对不同频率下金属目标的雷达散射截面的大小产生了重要影响。

2、不同频率下的金属介电常数

　　导体与介质的差别主要是导体内部有一部分电子是“自由的”，它不束缚于一个原子中，而可以在离子晶格中“自由”运动，实际上”自由电子”并不完全自由，因为它仍受到离子的作用，按照电动力学中电磁场与介质的相互作用的有关理论，将绕核运动的电子视为一个简单的谐振束缚电子模型，每个电子被恢复力所束缚着，且受到唯象阻尼力，这样就可得介质中电子在外场作用下的运动方程为：

介质中电子在外场作用下的运动方程

　　式中，ω0为电子的固有束缚频率；m 为电子质量；ω为外场的频率；γ 为阻尼系数。

　　依据上述谐振束缚电子模型的运动方程的解及金属中的电子位移极化的有关知识，导出了金属中相对介电常数的表达式：

金属中相对介电常数的表达式

　　式中，设定每个原子中有f0个电子是自由的，并将这部分对介电常数贡献分离出来，式中γ0是自由电子在外场作用下的阻尼系数，有关资料显示γ0≈10¹³ Hz 左右。这一结果表明，通常情况下，εr是外场频率ω的函数，且是一个复数。我们对式( 2) 深入研究可以得出结论:在入射电磁波频率比较低得情况下( ωγ0) ，一般取ω < 10¹¹ Hz，就可以作为“低频”处理，如无线电波，微波，此时金属的相对介电常数是一个复数，金属的相对介电常数将很大，表明金属对电磁波的吸收在金属中不断产生焦耳热，而此时绝缘体中的相对介电常数为实数，金属与绝缘体差异很大；在入射电磁波频率在10¹³ < ω < 10¹⁵ Hz 范围时，如红外光、可见光，此时相对介电常数是一个负数，折射率n 是一个虚数，这种情况下电磁波基本不进入金属内部，电磁波几乎全部被金属反射回去，金属显示出镜子般反射特性，称为金属发射区，此时金属与与绝缘体没有本质区别；当频率更高的情况下( ω >10¹⁵Hz) ，如紫外、X 射线，相对介电常数是一个正数，折射率n 是一个实数，此时金属具有等离子体的特性，金属导体象“透明”体一样透射电磁波，而不产生焦耳热。

3、同一金属导体目标激光雷达与微波雷达不同散射截面的理论解释

　　雷达散射截面是一个用以表述目标截获回波功率能力的物理量，它在目标识别、目标成像中具有重要作用。无论激光雷达还是微波雷达，甚至太赫兹雷达的散射截面的推导均来自雷达方程，其雷达散射截面的定义也是相同的。

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