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镜面反射与漫反射 精选

已有 7334 次阅读 2018-11-22 09:51 |个人分类:物理学史|系统分类:教学心得

初中物理里就有介绍镜面反射和漫反射。这似乎是很简单的物理现象。

镜面反射的规律不难发现。汉代初期《淮南万毕术》中曾经记载了利用镜面反射原理制造潜望镜的方法:“取大镜高悬,置水盆于下,则见四邻矣。”相信其他文明也能够独立发现镜面反射的规律。

利用镜面反射,取三个彼此垂直的镜面,就可以构造一个retroreflector。从任意方向入射的光均被以与原入射方向平行但相反的方向反射回去。

这种装置在激光测距上有应用。阿波罗登月计划中,美国人曾把这样的装置扔在月球表面,然后从地球上打一束激光,通过测量激光脉冲往返一趟的时间确定月球与地球之间的距离。

在航海中,一些民用船只也会挂一些这样的corner reflector在桅杆上,以便于搜救人员发现自己。

在军事上,漫反射是传统飞机和军舰能够被雷达发现的原因,而镜面反射是隐形飞机隐形军舰采用的最简单但也许是最有效的技术。下图是美国的F117隐形战机。其外形跟一般的飞机大不同。一般的飞机外形整体不规则,对入射的雷达电磁波实现漫反射,因此无论敌方雷达从哪个方向入射,敌方在其发射处均能收到较强的反射信号。这就好比拿手电筒照射墙壁,拿手电筒的人总能看到一个亮斑一样。但是如果手电筒照在一面镜子上,拿手电筒的人就会发现他其实看不到任何亮点,光都被镜面反射到很窄的方向上去了。基于这个原理,F117外形有棱有角,由若干平面构成,这些平面对入射电磁波实现镜面反射。我们还可以看出,这些平面的取向非常有限,其目的无外乎让飞机反射的电磁波集中在非常有限的几个方向上。

隐身军舰也利用同样的原理。这是美国的某型号的隐形军舰:

作为对比,我们可以看看传统军舰。乱七八糟的外形能够充分地实现漫反射。

那么,对一个通过外形设计,有效减小了雷达反射截面的飞机或者舰船,侦查方是不是就没有办法了呢?当然不是。用手电筒照镜子,拿手电筒的人看不到亮点,但是站在反射方向的人可以看到啊。于是,人们开始考虑所谓的multistatic雷达,其示意图如下

多个雷达站密切合作,每个雷达站不仅收集自身发射的脉冲的反射波,还收集其他雷达站发出的脉冲的反射波。按照这个思想,有人提出可以利用手机基站来探测隐形飞机。


注1:容易看出,隐形飞机的局限性也是显著的。别的不说,棱角分明的飞机气动性能上肯定牺牲很大,事实上F117甚至都不能实现超音速飞行。当然你可以说只要对方雷达发现不了我,我飞慢点也无所谓。

注2:可以从一些简单的标度率上看出为什么实现隐形是很困难的。雷达站发出的电磁波在空中随距离r的平方衰减,飞机反射回来的电磁波在空中也随距离r的平方衰减。于是雷达站收到的反射信号随距离r的四次方衰减。按照这个标度率,将飞机的雷达横截面减小100倍,其实也就将飞机的安全距离缩小3倍而已。

注3:粗糙表面不一定意味着漫反射。100多年前Rayleigh就指出这点了。可以做这样一个实验,拿有一块毛玻璃,以掠入射角度看过去,这块毛玻璃就像一块光滑的镜子可以给远处的景物成像。

注4:从解maxwell方程的角度看,漫反射是个很大的课题。有一个理论问题博主比较感兴趣但是不知道答案。考虑一束平行光照在一个平面上。如果平面光滑,只有镜面反射成分。现在让平面粗糙度逐渐增加,在粗糙度有限但是较小的时候,镜面反射成分是否依然存在?也就是,在反射光的角分布中,是否存在一个delta函数?是否存在一个临界的粗糙度,在这个粗糙度之外,镜面反射成分完全消失? 



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