Electromagnetic Scattering from Random Media

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出版者:
作者:Field, Timothy R.
出品人:
页数:200
译者:
出版时间:2008-12
价格:$ 141.25
装帧:
isbn号码:9780198570776
丛书系列:
图书标签:
  • 电磁散射
  • 随机介质
  • 散射理论
  • 无线电传播
  • 微波
  • 统计电磁学
  • 随机过程
  • 数值方法
  • 电磁兼容性
  • 雷达交叉截面
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具体描述

The book develops the dynamical theory of scattering from random media from first principles. Its key findings are to characterize the time evolution of the scattered field in terms of stochastic differential equations, and to illustrate this framework in simulation and experimental data analysis. The physical models contain all correlation information and higher order statistics, which enables radar and laser scattering experiments to be interpreted. An emphasis is placed on the statistical character of the instantaneous fluctuations, as opposed to ensemble average properties. This leads to various means for detection, which have important consequences in radar signal processing and statistical optics. The book is also significant also because it illustrates how ideas in mathematical finance can be applied to physics problems in which non-Gaussian noise processes play an essential role. This pioneering book represents a significant advance in this field, and should prove valuable to leading edge researchers and practitioners at the postgraduate level and above.

《电磁波与随机介质的相互作用:理论与应用》 本书深入探讨了电磁波在复杂、不规则介质中传播和散射的物理现象,以及由此产生的广泛应用。我们聚焦于“随机介质”这一核心概念,它涵盖了从大气湍流、海洋表面波、地表粗糙度,到生物组织、多孔材料等各种真实世界中普遍存在的散射体。理解这些介质如何影响电磁波的传播,是许多现代科学技术领域不可或缺的基石。 本书首先系统性地阐述了电磁散射的基本理论。我们将从麦克斯韦方程组出发,逐步推导和介绍各种近似方法和精确方法,用于描述电磁波与单体散射体以及多体散射体之间的相互作用。这包括但不限于: 远场与近场散射理论: 详细解析散射体在不同距离尺度下对电磁波的影响,介绍米氏散射、瑞利散射等经典理论,并深入探讨其适用范围和局限性。 几何光学与物理光学近似: 阐述在特定频率和尺度条件下,如何利用几何光学和物理光学原理来简化复杂的散射问题,尤其是在描述大尺度粗糙表面或非球形散射体时的有效性。 积分方程方法: 介绍方法散射理论(Method of Moments, MoM)、多重散射理论(Multiple Scattering Theory)等基于积分方程的数值方法,这些方法能够处理更为复杂的散射场景,并提供高精度的解决方案。 波动方程的统计描述: 针对随机介质的特性,我们将引入概率论和统计学工具,如概率密度函数、自相关函数、功率谱密度等,来描述介质的随机性,并分析这些统计特性如何影响散射场。 随后,本书将重点关注随机介质的建模与表征。一个精确的随机介质模型是准确预测电磁散射行为的关键。我们将讨论: 粗糙表面模型: 介绍描述表面粗糙度的各种模型,例如根据高斯随机过程生成的表面、分形表面模型等,以及如何量化表面的均方根粗糙度、相关长度等参数。 体积散射体模型: 深入研究介质内部包含散射粒子的模型,如粒子尺寸分布、粒子浓度、粒子介电常数等参数如何影响散射。例如,我们将讨论大气中的云、雨、雪等粒子以及生物组织中的细胞、蛋白等作为体积散射体的建模方法。 非均质性与各向异性: 探讨介质在空间上不均匀(非均质)以及在不同方向上性质不同(各向异性)的情况下,对电磁散射的影响,并介绍相应的建模和分析技术。 在理论和模型构建的基础上,本书将详细介绍用于解决随机介质电磁散射问题的计算方法和技术。这些方法能够让我们在计算机上模拟复杂的散射过程,从而进行设计和优化。 时域与频域方法: 介绍有限时域差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)等数值方法,并分析它们在处理不同类型随机介质问题时的优劣。 蒙特卡洛模拟: 阐述如何利用蒙特卡洛方法,通过随机采样和大量统计计算来模拟随机介质的散射特性,特别是对于具有复杂几何和统计特性的场景。 近似解与解析解的结合: 在一些特定条件下,我们将探讨如何利用解析解(如瑞利散射)与数值方法相结合,以提高计算效率和精度。 本书的最后部分将聚焦于电磁散射在随机介质中的实际应用,展示理论研究的价值和意义。 遥感与目标探测: 分析如何利用不同频率的电磁波(如微波、毫米波、红外线)对地表、大气、海洋进行探测。例如,合成孔径雷达(SAR)如何利用电磁波与地表粗糙度的散射来成像,以及如何利用雷达信号分析降水、云层等大气现象。 通信与导航: 探讨无线通信信号在复杂环境中(如城市街道、森林、多径传播)的散射特性,以及如何通过理解散射来优化信号传输和接收,提高通信可靠性。GPS信号在大气中的传播也受到随机效应的影响。 医学成像与治疗: 介绍超声波、射频、微波等在生物组织中的散射特性,以及如何利用这些散射信息进行医学诊断(如超声成像、生物组织散射谱分析),以及在微创治疗中的应用(如射频消融)。 材料科学与设计: 分析电磁波与多孔材料、纳米复合材料、生物材料等散射体的相互作用,为设计具有特定电磁性能的新材料提供理论指导。 军事与国防: 讨论隐身技术、目标识别、电子对抗等领域中,如何理解和控制电磁散射。 通过对电磁散射理论、介质建模、计算方法及广泛应用的系统性介绍,本书旨在为读者提供一个全面而深入的理解框架,帮助他们在各自的研究和工程领域中解决复杂问题,推动相关技术的进步。无论您是物理学家、工程师、材料科学家,还是生命科学研究人员,本书都将为您提供有价值的知识和工具。

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用户评价

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从阅读体验上来说,这本书的排版和图表质量简直是业界标杆。要知道,涉及到随机介质和散射理论,大量的统计图、截面图以及三维可视化是必不可少的,这本书在这方面做得极其出色。例如,书中关于不同散射强度下“背散射增强效应”的模拟结果图,色彩区分精确,坐标轴的标注清晰无歧义,使得原本抽象的物理现象变得直观可感。我特别欣赏作者在引言中提到的“理论源于观测,最终回归观测”的理念,这使得整本书的基调非常务实,而非纯粹的数学游戏。它不像某些理论书籍那样高高在上,而是时时刻刻都在提醒读者,我们所做的这些复杂计算,最终都是为了更好地解释卫星遥感、医学成像或先进雷达探测中的实际观测数据。这种理论与实践紧密结合的风格,极大地增强了阅读的动力。

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总结起来,这是一部份量极重、信息密度极高的专业著作。如果以满分五星来评价,我会毫不犹豫地给出四星半的评价。那一星半的扣分点并非内容上的缺失,而是源于其极高的专业门槛。这本书的语言风格是高度学术化的,充斥着大量的希腊字母和专业术语,初学者可能会感到气馁。然而,对于那些已经具备了扎实的电磁场与波基础,并致力于在随机介质散射领域深耕的学者而言,这本书的价值是无可估量的。它不仅仅是一本参考书,更像是一位严谨的导师,它会引导你穿越理论的迷雾,直抵问题的核心。它所提供的知识深度和广度,足以支撑一个博士级别的研究课题。希望未来的版本中能增加一些关于量子散射在随机介质中应用的章节,那就更加完美了。

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我花了整整一个下午,沉浸在这本厚厚的专业著作中,尤其是对其中关于多重散射问题的处理方式感到由衷的赞叹。这本书并没有满足于表面的线性理论描述,而是大胆地深入到了高阶矩和能量输运方程的复杂领域。作者在处理复杂边界条件和非均匀性对波场影响时,引入了一些非常新颖的数值模拟框架,这部分内容对于解决实际工程问题具有极高的指导意义。记得有一次我在处理一个关于湍流大气中激光传播的难题时,冥思苦想不得其解,翻阅到书中关于“相干传输矩阵”的章节时,豁然开朗,那些教科书上往往一笔带过的细节,在这里被剖析得淋漓尽致。坦白说,阅读这本书需要极大的耐心和专注力,它要求读者不仅要有扎实的数学功底,更要有将抽象物理概念转化为实际计算模型的思维能力,它挑战了我的认知边界,迫使我不断地去质疑和重新构建我对“随机”这一概念的理解。

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这本《Electromagnetic Scattering from Random Media》的封面设计颇具匠心,深邃的蓝色调和复杂的数学符号交织在一起,立刻就给人一种专业且引人入胜的感觉。初翻开这本书,首先映入眼帘的是对随机介质电磁散射理论基础的详尽阐述。作者似乎花费了大量篇幅来梳理从麦克斯韦方程组到特定散射模型的过渡,那种循序渐进的逻辑推导,让人仿佛置身于一个严谨的学术研讨会中。特别是关于“均方根”和“相关函数”在描述介质不均匀性时的应用,讲解得尤为透彻,即便是对背景知识略感生疏的读者,也能逐步跟上思路。书中对各种近似方法,如Born近似和Rytov近似的适用条件与局限性的对比分析,更是体现了作者深厚的功底,这绝非一本泛泛而谈的入门读物,它更像是一份为进阶研究人员准备的宝典,每一个公式的推导都仿佛在诉说着物理世界的奥秘。对于那些希望深入理解微波、光学与随机结构交互作用机理的研究生或工程师来说,这本书无疑提供了一个坚实的理论基石。

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这本书最吸引我的地方,在于它对“尺度效应”的深刻探讨。在处理不同尺度(如颗粒大小远小于波长、接近波长或远大于波长)的随机散射体时,不同的物理模型会展现出截然不同的适用性。作者巧妙地构建了一个“尺度参数映射表”,清晰地展示了何时应该采用瑞利散射、米氏散射还是更复杂的扩散理论。我过去一直混淆于这些模型的切换点,但通过书中对洛伦兹-洛伦兹关系和有效介电常数概念的细致阐述,我的理解得到了极大的深化。这种对物理情境敏感度的培养,是任何快速教程都无法提供的。它教会的不仅仅是公式,更是一种面对未知物理系统时,如何选择正确分析工具的科学素养。读完后,我对如何设计出具有特定散射特性的超材料,也有了全新的灵感和思考方向。

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