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颗粒物电磁散射性质的求解是大气科学、无线电物理、医学、生物学等学科关注的基本问题。本书系统介绍了不同结构、表面带电的球体及椭球体颗粒电磁散射性质求解的基本方法，并讨论了沙尘暴对电磁波传播过程的影响，尤其是详细给出了不同结构小粒子电磁散射性质求解的等效介质理论推导过程及结果，并讨论了微波段雷达（以风廓线雷达为例）在沙尘暴遥感中的应用。本书理论公式推导严谨、详细，可作为从事电磁散射、电磁波传播、气溶胶遥感、功能材料设计、隐身技术、大气辐射学等研究的技术人员、研究生及其他各类科研工作者的参考书。

第1章  绪论	1
1.1  沙尘暴对电磁波的衰减影响	3
1.2  外加强电场对介质光学性质的影响	6
1.3  等效介质理论	7
1.4  本书主要内容	8
参考文献	9
第2章  不同媒质中的电磁场和电磁波方程	17
2.1  均匀各向同性媒质中的电磁场与电磁波	18
2.1.1  Maxwell方程组及其场的边界条件	18
2.1.2  均匀各向同性线性媒质中的电磁波动方程	20
2.2  均匀、线性各向异性媒质中的电磁波动方程	22
2.3  不同媒质中的静电场方程及其边界条件	23
2.3.1  线性各向同性媒质中的静电场	23
2.3.2  电各向异性介质中的静电场	24
2.3.3  静电学求解中的边界条件	25
2.4  平面分层介质中的电磁波传播	25
2.4.1  基本方程	25
2.4.2  在沙尘暴浓度测量方面的应用	26
参考文献	29
 
第3章  圆球颗粒的Mie散射	31
3.1  不带电圆球颗粒的Mie散射理论	32
3.1.1  均质各向同性圆球颗粒散射的Mie解	32
3.1.2  均质各向同性核壳球体颗粒散射的Mie解	38
3.2  带电均质、各向同性圆球颗粒散射的Mie解	40
3.3  带电分层各向同性圆球颗粒散射的Mie解	45
3.3.1  带电同心核壳颗粒的电磁散射	45
3.3.2  带电同心多层球体颗粒的电磁散射	52
3.3.3  带电偏心多层球体颗粒的电磁散射	60
3.4  各向同性颗粒散射的T矩阵解	62
3.5  各向异性球体颗粒散射的T矩阵解	67
3.6  颗粒系统的多次散射研究	71
3.6.1  Twersky理论的多次散射过程	71
3.6.2  基于T矩阵的多次散射理论	73
3.6.3  基于辐射传输理论的多次散射过程计算	82
3.7  总结	83
参考文献	84
第4章  小粒子电磁散射求解的Rayleigh近似	87
4.1  经典小球颗粒散射的Rayleigh近似	87
4.2  带电均质、各向同性圆球颗粒的Rayleigh近似	89
4.3  带电均质、各向异性圆球颗粒的Rayleigh近似	93
4.4  非均匀带电圆球颗粒的电磁散射	105
4.5  带电均质、各向同性弱导体颗粒的电磁散射	108
4.6  外加强电场条件下带电圆球颗粒的电磁散射	108
4.6.1  极化电荷的影响	108
4.6.2  电光效应的影响	122
4.7  总结	124
参考文献	125
 
第5章  非均质粒子的等效介质理论	127
5.1  不带电多层圆球粒子的等效介电常数	128
5.1.1  涂覆球体颗粒	128
5.1.2  多层结构的核壳粒子	131
5.1.3  模型的有效性及其适用范围	133
5.2  各向异性涂层颗粒的等效介电常数	134
5.3  带电多层球体的等效介电常数	138
5.3.1  带电各向同性分层球体	138
5.3.2  局部带电含各向异性涂层颗粒	142
5.4  匀强电场中弱导体颗粒的等效介电常数	143
5.4.1  弱导体球状颗粒	144
5.4.2  界面带电的弱导体球壳颗粒	145
5.5  夹杂颗粒介质层的等效介电常数	146
5.6  椭球等效球体的介电常数张量	147
5.7  分层颗粒的等效磁导率	149
5.8  总结	150
参考文献	151
第6章  沙尘暴对电磁波的衰减	153
6.1  沙尘颗粒的成分	153
6.2  湿沙等介质的介电常数	154
6.2.1  纯水的介电常数	154
6.2.2  盐水的介电常数	155
6.2.3  湿沙的介电常数	155
6.3  沙尘暴中沙粒的粒径分布函数	156
6.4  考虑环境电场及沙粒表面带电时沙尘暴对电磁波的衰减	159
6.5  沙尘暴的雷达反射率及其应用	163
6.6  沙尘暴中微波的探测距离	170
参考文献	174
 
第7章  基于风廓线雷达的沙尘暴探测分析与应用	177
7.1  沙尘暴监测方法概述	177
7.2  风廓线雷达探测原理	179
7.2.1  基本探测原理	179
7.2.2  信号处理	180
7.2.3  数据处理	181
7.2.4  风廓线雷达的探测特点	183
7.2.5  风廓线雷达与多普勒天气雷达、激光雷达的区别	183
7.3  风廓线雷达探测沙尘暴外场试验	184
7.3.1  设备及主要技术参数	184
7.3.2  风廓线雷达探测沙尘暴外场试验实例	185
7.4  风廓线雷达探测沙尘暴的基本特征	186
7.4.1  风廓线在沙尘暴天气分析中的应用	187
7.4.2  反射率因子特征	190
7.5  基于风廓线雷达的沙尘暴质量浓度定量反演估算	193
7.5.1  沙尘谱的反演	193
7.5.2  沙尘质量浓度定量估算	197
7.5.3  反射率因子Z和沙尘质量浓度M的关系	197
7.5.4  实例分析	198
7.6  总结	203
参考文献	203

前言


近几十年来，遥感技术因其特殊的优势在大气遥感、地球资源勘查、环境监测、国土军事安全等领域得到了长足的发展。在这些应用中，一个最基本的科学问题就是，对电磁波在介质中的传播特性进行准确的预测和仿真，而针对不同结构的球体和椭球体颗粒物电磁散射性质的准确求解，是更为基础的科学问题。
同时，沙尘暴、雾霾等灾害性天气事件给人类生活、区域气候、海洋生态带来了许多直接和间接的影响。这类灾害性天气现象的监测和预警，对颗粒物电磁散射特性的求解这一科研领域带来了更多新的科学问题。例如，气溶胶颗粒运动过程的带电现象是否会影响其电磁散射性质？由带电气溶胶诱发的强度高达数百千伏每米的静电场是否会对颗粒电磁散射性质产生影响？气溶胶颗粒的带电现象是否会对其自身的物理化学性质产生影响？气溶胶颗粒在运动过程中与大气环境的化学反应和物理性改变对其光学性质有何影响？这些影响对气溶胶环境下的目标物遥感测量结果又有何影响？这些基本问题的回答，有助于促进气溶胶环境下遥感反演、图像恢复等科技领域的发展，从而对人类社会的发展、遥感监测、复杂环境下的目标识别和无线通信系统设计产生重要而又积极的作用。
本书主要总结了作者们近年来从事颗粒物电磁散射性质求解建模与仿真、基于风廓线雷达的沙尘暴遥感监测等方面的主要研究成果，并引入了部分文献中的相关内容。书中重点介绍了Mie理论、Rayleigh近似、T矩阵法在颗粒物电磁散射性质求解中的应用，并首次详细介绍了复杂结构颗粒的等效介质理论，以及环境电场对颗粒物电磁散射性质影响的求解方法。通过对以上内容的学习，读者能了解这一领域相关研究的基本理论、方法及其进展。当然，这些内容还有大量工作亟待完善，这也是我们今后共同努力的方向，也期望本书能起到抛砖引玉的作用。
本书内容安排如下。
第1章概述了沙尘暴对电磁波的衰减作用、环境电场对介质光学性质的影响、等效介质理论等内容，以期读者对相关研究现状有所了解。
第2章汇总了基本电磁理论方程和不同介质中的电磁波方程，是本书相关理论和方法的基础知识。
第3章给出了Mie理论和T矩阵法在求解各向同性均质圆球和分层圆球颗粒电磁散射性质中的应用，以及不同结构、局部带电、球体颗粒电磁散射性质的求解方法和仿真结果；同时也讨论了颗粒系统中多次散射过程的求解方法，重点介绍了带电颗粒的T矩阵建立过程，并基于此讨论了带电颗粒系统对入射电磁波多次散射过程的求解。
第4章介绍了Rayleigh近似在求解不同结构、带电和不带电小球体粒子电磁散射过程的基本应用，并基于Rayleigh近似讨论了环境电场对颗粒光学性质的影响。本章重点介绍了各向同性、各向异性球体带电颗粒电磁散射性质的求解，并讨论了表面电荷非均匀分布时颗粒物电磁散射特性的变化。
第5章讨论了非均质圆球颗粒等效介质理论的建立过程，及其在颗粒电磁散射性质求解中的应用，同时也给出了静电场近似下椭球颗粒等效球体理论的建立过程。
第6章探讨了沙尘暴对微波雷达的影响，主要讨论沙尘暴对微波的散射和吸收作用、沙尘暴中微波的传输距离等内容，并给出了基于微波雷达反射率反演沙尘暴过程中风沙静电场强度的基本方法。
第7章概述了基于风廓线雷达反演沙尘暴结构参数的基本方法和基本结果。
通过以上内容的学习，我们希望读者可以扎实掌握现有颗粒物电磁散射特性建模的基本理论和方法，以及复杂介质等效介质理论的建立方法，以尽快进入这一领域开展自己的特色研究，为祖国科技的发展与进步贡献自己的力量。

                                             作者     
                                           2016年9月 
 
  


致  谢  
 

本书涉及的部分研究成果是在国家自然科学基金项目（10872082、11302111、11562017、41305035、41305027、41575008、61463043）、教育部科学技术研究重大项目（308022）、国家重点基础研究计划（2009CB421304）、国家科技部国际合作项目（2011DFA11780）、兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室开放课题、中国沙漠气象科学研究基金课题（Sqj2014003）、半干旱气候变化教育部重点实验室开放课题、上海交通大学先进光通信系统和网络国家重点实验室开放课题（2013GZKF031306）、宁夏自然科学基金（NZ12117）、宁夏科技支撑计划项目、宁夏科协青年科技人才托举工程专项经费的资助下完成的，对此表示真诚感谢。
本书作者李兴财博士想在此特别感谢研究生阶段的导师——中国科学院院士、西安电子科技大学校长郑晓静院士和兰州大学谢莉教授一直以来的帮助和指导，是她们带领他进入科学的大门；感谢百年名校兰州大学的培养；感谢年迈仍在农村辛苦劳作的父亲李建仓、母亲张淑霞的养育之恩，也感谢妻子王娟女士一直以来的陪伴、鼓励和支持。

                                           作者
                                           2016年9月

气象科学—气象电子

李兴财，宁夏中卫市人，生于1984年3月。于2001年9月至2011年6月在兰州大学土木工程与力学学院学习，获得工学博士学位。主要从事风沙电现象的理论建模与实验测量、颗粒介质中的电磁波传播建模等研究。已发表学术论文10篇，其中SCI收录4篇。研究方向为：（1）风沙电现象机理及其在沙尘暴监测预警中的应用；（2）颗粒带电对电磁波传播过程的影响；（3）沙尘暴过程重构及预测等。

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小粒子电磁散射与沙尘暴微波遥感