Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время, несмотря на пиген-вное развитие вычислительной алектродинві/ккя, многие влжяые шкладные задачи теории рассеяния и даже целые классы этпх зідач г обеспечены суиествушкш методами решения і:лн ОХВЯЧеїШ 1МГС ілько частично. К таким задачам относятся задачи о рассеянии по-[ризоианного оптического излучения на кристаллах различной fop-г, задачи об излучении на волноводов в слоистые среда, задачи о юсеянии электромагнитного поля на дефектах в различных натериа-IX. Перечисление граничные задачи составляет основи созтветст-'шях областей прикладной электродинамики, а иг/енно оптики днс-фстлс кристаллических сред, радяоволнояок метрики, гщдповэл-)Г0Й и оптической дефектоскопии.
Известные вычислительные иетоды, которые вспольэухггсл п оп-гее дисперсных кристаллических сред, не позволяет описа-ь ггропэсо іссєяния света для кристаллов с заданной ориентацией. В резул»-зто экспериментальные данные по зондирования кристаллических ілоков интерпретируется лниъ на качественном урэгне. При пе-ззругашем контроле свойств материалов в СЕЛ диапазоне, кяк раглло, пе учитывается дифракция на апертуре излучателя, что опустимо только в частных случаях. Исследование процесса дивакцин розмокло липгь в рамка х строгого подхода, что в с поп чередь требует модификации известных вычислительных методов ля пх развития на более слоигае краевые задачи. В области де-ахтоскогппт СЕЧ и оптического диапазонов практвческя не суцест-ует интерпретационных схеы, построенных па осново результатов eopmi рассеяния.
Основные узтериалы диссертация получены в рамках ?ИР Исследование, моделирование п численный прогноз оптпко-мзтоо-ологяческяя параметров ззітой атмосфера применительно к еодгз-аіі космического зондирования" (Г? Я 0ТС60 048216), у^верхдеклоД розадзуиом АЛ СССР по науке я технике (Пост. ШТТ и АН СССР от 0.ТІ.85 г. Г» 573/137 0.74.02:02.02R, 0.2 ОЗЯ) я ПИР "Иеадедо-агаге электрических н хягялтных полей в оялзотрогшнх і? слоистых труктурщ л кзтериалах" (ГР $ 75021033).
Цэлья_саОота являлась разработка а окис е.:\чй5ЛКТ?дмї:-і2 l:;— 'одов применительно л задаче!» оптики дясперсп1?:< ерзд, г-ядловэя-
[ОЕОп МвТрЯТИ К Дї!фЄКТОСКОЧІГН ДЛЯ КЗВЛЄЧОКлЯ ПОЕС'? ТТГГГГ'ІПЛЇЇ
і характере взаимодействия электромагнитного подя о пеглолуп^тг-з
краевыми структурами.
В осногние задачи работы входило:
исследование предельных возможностей метода факторизации применительно к задачам неразрушагаего контроля свойств материалов в СВЧ диапазоне;
разработка на базе метода моментов вычислительного метода, включаплегэ информацию о сингулярности электромагнитного поля вблизи острого ребра тлучаодеи апертуры;
разработка метода расчета характеристик светорассеяния для крупного полупрозрачного многогранника произвольной формы и заданной ориентации; '
новое описание процесса ослабления оптического излучения на кристаллах с плоскопареллельными гранями;
разработка оптической модели кристаллической частицы облака применительно к поляризационному лазерному зондировании кристаллических облаков;
нобоо описание механизма рассеяния электромагнитного поля на дефектах в различных материалах, основанное на формуле ослаблена
Научная новизна работы характеризуется перечисленными югаэ .впервые полученными результатами;
-
Предложен новый вычислительный метод для описания нроцесса рассеяішя поляризованного оптического'излучения атаосфс пымз крястелламя любой формы и заданнгЧ ориентации, основанной на алгоритмическом объединении в пучки всех рефракционных лучей вблк&к исследуемого рассеквателя. Показано, что диаграмма рассеяния для крупного многогранника обладает сильной анизотропией s детально отракае,т его тонкую геометрическую структуру.
-
Првдлокено новое физико-математическое описаше ыеханяз-иа ослабления для кристаллов с плоскоаараллельянмя гранями, основанное на когерентном слоеє.ки дифракционного ж рассеянного полей. Установлено, что для указанной формы криотадлов фактор еффективностЕ ослабления является осцнллгрувдей функцией, максимальное значение которой, равное 4, достигается для пластинок.
-
Впервые для атмосферных кристаллов в виде гексагональної пластинка и гексагонального столбика получены аналитические соотношения для сечений ослабления, в которых учитывается состояние поляризации падагаего на кристалл оптического излучения. .
-
Долучено аналитическое соотношение для верхней граница екшштуда осцилляции фактора эффективности ослабления в случав, когда многогранник не имеет параллельных граней. На основа этого соотношения предложена простейшая классификация атмосферных кристаллов по характеру ослабления оптического излучения, согласно которой лгбыэ кристаллы с непараллелышми гранями о&едз-ненн в одну группу.
-
Впервые для. задач поляризационного лазерного зоздярова-. няя кристаллячосклх обдаюв разработана оптическая модель по-сферическоЗ частицы, которая вїитчает аналитические соотношения для сечений ослабления и обратного рассег тщ, полученные для обойденной формі пластинчатого кристалла в.виде круглой пластинки.
-
Впервые рэиэш задачи о рассеянии электромагнитного поля на дефекте.в виде открытой трещины на металлической поверхности и на дефекте типа расслоения в диэлектрической материале.
-
Предложена простая методика совместного анализа отраженного от дефектного материала и рэссеяннс-о на дефекте электромагнитных полей, основанная на оптической теореме. Показано, что в данном случае фактор эффективности ослабления электромагнитного поля,' отраженного от контролируемого материала, наиболее информативно связан с параметрами дефекта.
-
Вперг'е методом факторизации решена задача об излучении электромагнитного поля из плоского волновода с диэлектрическим фланцем в материальную среду с потерями, относящаяся к классу задач неразрушашего контроля свойств материалов в СВЧ диапазоне. Показано, что за счет дифракции характеристики отраженного поля становятся более чувствительными к малым изменениям параметров контролируемой среды.
-
Предложена модификация метода моментов, в которой учитывается дополнительная информация о сингулярности иском а составляющей электромагнитного поля вблизи острого ребра ивлучаидей апертуры. Показано,'что после выделения сингулярного сомножителя у неизвестной функции поля в интегральном уравнении последнее с высокой точностью сводится к системе, Енлотаюцей 2-3 лилейных алгебраических уравнения.
Научная и практическая.ценность. На основе проведенных исследований в области оптики дисперсных кристаллических сред
впервые иктерпретирс шны такие известные экспериментальные факты, как существование для коэффициенте ослабления спектральной зависимости в Ж диапазоне, образование в сигнале обратного рассеяния кросс-поляризоваиноЯ компоненты, возникновение аномального по амплитуде сигнала обратного рассеяния. Для одночастотного лидера найдена более эффективная область применения, связанная с дистанционным исследованием микроструктуры полидисперсиой системи ориентированных атмосферных кристаллов.
На основа оригинальных алгоритмов разработан комплекс программ для исследования процессов'рассеяния и ослабления поляризованного оптического излучения выпуклыми многогранниками любой форми.
Проведенные в диссертации исследования процесса дивакцин электромагнитного поля на апертуре воляоводного излучателя и дефектах составили основу методик контактного определения диэлектрической проницаемости к проводимости однородных матерпо-лов, контактного определения малых ,дзлектр5тческих прэкицаемос-тей с помощью рассогласованного апертурного излучателя, определения параметров открытых тревдн, в такие контактного и бескоитакт ного волноводно-резонаторных методов определения електрофавнчоо-kzs параметров диэлектриков и полупроводников.
Результаты работы внедрены в Томском КБ "Проект", б Кэз-плроцвзткете (г. Усть-Каменогорск), ь Усть-Камсногорскоы строн-теяьяо-дорозяом институте. Результати рабОТН йспольаустся в Сибирском физико-техническом институте при Томском государственном университете, в Іііїституте оптики атмосферы СО ГАН.
На зашиту выносятся следующие рснонтеіі положения:
-
Метод факторизации д&ьт возможность-применительно к задачам неразрупагдэго контроля параметров катериолов в СБЧ диапазоне строго обосновать необходимость учета дифракции злег.троіязг-нптного поля на апертуре волновода.
-
Проддогепнпй ыодкфкплровоиныы ыэтод моковтов, в которой Есяольвуются спецлалыпш і зздрг-туркые формулы для учета степешвдх особенностей составляїапп; влєхтромапштного поей е6хези острого рабра иаяучакзёй апертуры, обоспечиЕаєг .длд граничных задач
ИгдучеПЛЯ ШСОїіуП СХОДТПЛОСТЬ СЕОТЄШ JKIlSfiHUX алгебраических
уравнении.
-
Предложенный вычислительный метод пучков, в котором с мощью системы алгоритмов реализуется информация о многогрокноЯ рме полупрозрачного рассеиіштеля, позволяет в приближении фи-ческой оптики решить проблему рассеяния сгста для атмосфєріиго іисталла любой формы и задаяноГ ориентации.
-
Единый подход в определении фактора эффектнрности ослаб-іния для лххЗэго кристалла с параллельными гранями, эаклвчоший-[ в когерентном сложении рассеянных полей рефракционных пучков дифракционного поля, пэзголяет дополнительно к его acHvmTOTH-fcKowy значении, равно\ту 2, получить нескольку слагаемых, кото-
te срязаїш, в частности, с состоянием полярпзошш падапзего опти-іского излучения.
-
Вычислительный метод пучков дает возмояность для любого гмосферного кристалла с непараллельными граня;лі определить spxHcD границу амплитуды осцилляции Доктора эф.ектипностя ослаб-»ния в' гиде простой алгебраической формулы.
-
Метод Физической оптики позволяет применительно к зада-зм поляризационного лазерного зондирования кристаллических об-эков для модели атмосферного кристалла в гиде пространственно риентированной круглой пластинка; получить простые аналитическиз эотношекил для сечений обратного рассеяния.
-
Применение формулы ослабления в дефектоскопия упроіаєт здачу обнаружения дефекта а определения его параметров путем ведения данной задачи к нростей^Я дифференциальной схеме, в огорой сравни га гггея электромагнитные поля от дефектной в без-ефектиой облпетей материала.
Достоверность получепных в диссертации результатов обеспе-авалась системой тестон, с поыооьв которых сравнивались решения, атучекные мотодоа факторизация а модифицированным методом мо-ентоя, методом факторизации й методом фязяческок оптики, мето-ои физической оптики п вычислительным методом пучкоь, а T8K3S равнением приведенных решений с изв :тнымз экспериментальными еэультатвмз. Из полученных в диссертации репеннй в частных слу-
аЯХ ВЫТеК-ТГ ИЗВвСТНЫв СООТНОШеНИЯ НЛН ПЗЕ8СТПНЄ аенцптотпчэс-
лв значения.
Адробапэд работы/ Основные результаты дисоертацзгз представ-енн в 21 докладе па УШ я IX Всесоюзных конференциях по физнчес-зга методам а средствам неразруиагаего контроля (Кишинев, т977;
Минск, IS8I), на I и П Всесоюзных межвузовских конференциях по оптическим н радизвэлновым методам и средствам нераэрушавдего контроля (С-ергана, 1981; Одесса, 1985), на ІУ Всесоюзной конференции по методам и средствам измерений электромагнитных характеристик на ВЧ и СВЧ (Новосибирск, т9?9), на конференции по прик ладной физике (Хабаровск, 1979), на У1ІІ-Х Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондирования атмосферы (Томск, 1984 Туапсе, I9..Q; Томск, Т9Є8), на Ш Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1985) на ХУ"Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Красноярск, 1967), но XI Всесоюзном симпозиуме по распространение лазерного излучения в атмосфере и водных- средах (Томск, 1991 на X Международной конференции по неразрушанцим методам контроля (Москва, 1982), на ХШ Международной конференции по лазерным радарам (Торонто, 1986).
Диссертационная работа доложена на научном семинаре отделенья оптики дасперсішх сред Чнституто оптики атмосферы СО РАН.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из беє-деїшя, восьмі глав, заключения п списка литературы. В чей содержится. 278 страниц машинописного текста, ІС9 рисунков, 2 таблицы и 263 ссылки на литературные источники. Главы диссертации за исключением первой обзорной главы объединены в три. части.
