电磁影身技术..docx

这些年我们的电磁隐身梦最近看到Physical Review X上发了一篇电磁隐身的论文，颇为新颖，于是想起来写一篇电磁隐身的文章好了。首先把一些基本概念缕清楚。这里讲的是电磁隐身，频段落在微波内，不谈光学隐身。不过说起隐身，大家最熟悉的就是光学的隐身，也是最容易理解的，因为是直接的视觉效果嘛，穿上斗篷就看不见了神马的。但是电磁隐身想要欺骗的对象不是人眼，而且雷达，雷达的话就有了另外一个判别标准，这就是RCS，雷达散射截面。雷达散射截面，说简单点就是衡量目标散射电磁波的能力。RCS又分单站RCS和双站RCS，毕竟雷达也算一个相对独立的专业分支，我本科也木有选雷达原理，就不多讲雷达了。那么，自从雷达发明之后，如果避免被雷达发现就被搬上了日程。最终的成果就是现在的各种隐身飞机啊，舰船什么的。飞机上比较常见的就是涂料+几何。比如F-22。[图片来源：wikipedia]涂料的话，就是能够直接吸收电磁波的涂料，吸收了一部分入射波的话，自然散射出去的就少了，很简单的道理。几何的话就是采用棱角，大的倾斜面，将电磁波散射到其他的方向，这样的做法对单站雷达很有效，但是对双站或者多站的效果就不是那么好了。大家可以仔细看一下F-22的机头，从颜色来看就能看出那里的涂装和机身不同。因为机头里面是飞机自己的雷达，外面如果涂上吸波材料的话，就把自己弄瞎了。机头也不能用金属，那样就直接把自己的雷达屏蔽掉了。如果用非金属材料，不影响电磁波的传播的话，可惜雷达本身的RCS会很大，对于整体的隐身就破坏掉了。这里的解决方法放到后面说。还有一个是等离子体隐身，就是运用了等离子体对电磁波的吸收，具体的实现方法我就没研究了，嗯。以上说的都是目前大家比较熟悉的一些电磁隐身的实例，特别是对军事感兴趣的朋友很有可能比我更熟悉。不过实际上现在学术界对电磁隐身的研究都是一些另外的方法，而我们所隐身的物体通常都是一个金属圆柱。这些研究可能看起来实际用处不大，不过随着不断的发展，以后总会亮瞎我们的双眼的。在开始讲各种圆柱体隐身方法前，把F-22机头的讲完先。要解决这个问题，用频率选择表面（Frequency Selective Surface: FSS）就能搞定，FSS倒正好是我硕士研究课题呢。[图片来源：东南大学罗国清博士论文]一张图简单说明。所谓FSS，就是对空间中传播的电磁波进行滤波的一种无源器件（今天写开题报告的第一句话）。那么，如果用一个带通的FSS覆盖在机头上，是雷达的工作频段的电磁波能够透射出去，而其他频段的电磁波被反射掉，就解决了雷达RCS的问题。虽然这里是反射掉，但是因为F-22的几何外形是设计的很好的，所以RCS会比一个裸雷达小很多~那么，接下来，开始对圆柱体的电磁隐身吧~首先，请出人工电磁材料（Metamaterial）和变换光学法（Transformation Optics）。关于人工电磁材料，可参照我的这篇帖子：/post/211951/ （总是能不停的自我引用真好），这里一句话总结一下，人工电磁材料就是通过使用周期性排列的特定金属结构在一定的频段内实现普通物质无法拥有的独特电磁特性的一种“材料”。其实那篇帖子里就提到了隐身的东西。至于变换光学法，有条件的同学可以看一下这篇文献《Calculation of material properties and ray tracing in transformation media》[1]，我在这里用论文里的图大概说一下：图A就是普通的卡迪尔坐标系空间，中间横着的蓝线代表电磁波的传播路径。图B就是经过几何变换的坐标系空间，在这个空间下中间的一圈是不存在的，那么电磁波就会绕过中心在扭曲的空间中沿”直线”传播。最后，图C，通过将空间的坐标系变换映射为一圈介质（浅蓝色）的电磁参数的变换，就实现了在卡迪尔坐标系下，通过特殊的介质来扭曲电磁波传播了。这样一来你在中间那一圈随意放什么东西都无所谓了。那么为什么要用到人工电磁材料呢，因为计算出来的相对介电常数和相对磁导率都是各向异性的，而且有0-1之间的取值，自然界的物质是无法做出来的。后来在《Metamaterial Electromagnetic Clock at Microwave Frequencies》[2]这篇文献中就报道了使用SRR环构成的人工电磁材料实现了这一隐身：这里的C图和D图就分别是实测的纯金属柱和金属柱加人工电磁材料的情况下的电场分布。至于为什么效果不是那么理想，是因为在实际实现中也还是做了一些简化，要完全按照计算出来的参数做的话太复杂了。那么下面介绍另一种方法，也是我个人认为非常巧妙的一例。这种方法的根本思想是相位补偿。如果仅仅通过某些方法让电磁波绕过金属柱传播过去，虽然没有反射波，但是红色的路径长度会大于蓝色的路径，于是沿红色路径的电磁波的相位就比蓝