电磁波与粒子散射吸收

电磁波与粒子散射吸收

电磁波在雨、雾、雪、尘等悬浮粒子介质中传播时，会与粒子发生相互作用，主要表现为散射与吸收。二者共同决定电磁波能量的衰减与回波特征。

散射

散射是电磁波入射到粒子后，粒子作为二次辐射源向各方向重新辐射能量的现象。入射波在粒子处激励起振荡电荷或电流，这些振荡源再向外辐射，形成散射波。

散射的强弱与粒子尺寸和波长之比有关。设粒子特征尺寸为 $a$，波长为 $\lambda$，常用尺度参数 $x=2\pi a\mathrm{/}\lambda$ 描述：

• 当 $x\ll 1$（粒子远小于波长）时，为瑞利散射，散射强度近似与 ${\lambda }^{-4}$ 成正比，与粒子体积的平方成正比。
• 当 $x\approx 1$ 时，为米氏散射，散射强度随尺度参数振荡，方向性明显。
• 当 $x\gg 1$ 时，接近几何光学，散射截面趋近粒子的几何投影面积。

散射截面 ${\sigma }_s$ 定义为：粒子向各方向散射的总功率 $P_s$ 与入射波功率密度 $S_i$ 之比，

其量纲为面积。类似地，吸收截面 ${\sigma }_a$ 描述粒子吸收的功率 $P_a$ 与入射功率密度之比：

消光截面为二者之和：

吸收

吸收是电磁波能量转化为粒子内能（通常为热）的过程。吸收与粒子的复介电常数、复磁导率及尺寸有关。水、冰等介质在微波频段具有特定吸收特性，因此雨雾对电磁波既有散射衰减也有吸收衰减。

雷达截面积

雷达截面积（RCS）是目标散射回波能力的等效面积，记为 $\sigma$。对于单站雷达，它定义为：目标在接收方向单位立体角内散射的功率与入射功率密度之比，再乘以 $4\pi$：

其中 $R$ 为目标到接收点的距离，$S_r$ 为接收点散射功率密度，$S_i$ 为入射功率密度。RCS 与目标尺寸、形状、材料及入射波频率、极化有关。

对于悬浮粒子群，回波强度与粒子数密度、单个粒子散射截面及 RCS 有关。粒子小、散射截面小，则回波弱；粒子大或数密度高，则散射和吸收增强，导致传播衰减增大。

必要关系

• 散射截面、吸收截面、消光截面均具有面积量纲，可叠加。
• 瑞利区散射随波长增大迅速减弱，故长波对小雨滴散射较弱。
• 吸收使电磁波能量衰减，散射使能量偏离原方向，二者共同造成雨雾天气下的传播损耗。
• 雷达截面积越大，同距离同功率下回波越强；行人等小目标 RCS 小，回波弱，检测困难。

以上概念是理解电磁波在悬浮粒子介质中传播、衰减及雷达探测的基础。