一種波導(dǎo)界面反射波臨界角的近似計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及絕對(duì)和相對(duì)反射臨界角的計(jì)算方法、。涉及專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)G01測(cè)量；測(cè)試 G01N借助于測(cè)定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)來(lái)測(cè)試或分析材料G01N21/00利用光學(xué)手段，即利 用紅外光、可見(jiàn)光或紫外光來(lái)測(cè)試或分析材料G01N21/17入射光根據(jù)所測(cè)試的材料性質(zhì)而 改變的系統(tǒng)G01N21/41折射率；影響相位的性質(zhì)，例如光程長(zhǎng)度。
【背景技術(shù)】
[0002] -、波導(dǎo)成因和波的反射臨界角特性結(jié)構(gòu)
[0003] 在任何不同介質(zhì)界面，只要兩種介質(zhì)對(duì)波傳播有波速差，哪怕很小波速差，都會(huì)形 成波導(dǎo)現(xiàn)象。波導(dǎo)成因取決于這個(gè)界面或過(guò)渡帶在什么角度的入射波會(huì)被反射。
[0004] 為了說(shuō)明波何時(shí)能被反射，反射波臨界角特性結(jié)構(gòu)，以光波出入水來(lái)舉例說(shuō)明。
[0005] 對(duì)空氣介質(zhì)而言，如圖1所示：
[0006] 為了說(shuō)明波何時(shí)能被反射，反射波臨界角特性結(jié)構(gòu)，這里還是以光波出入水來(lái)舉 例說(shuō)明。
[0007] 對(duì)空氣介質(zhì)而言，如圖1所示：
[0008] 當(dāng)入射角θλ大于79°時(shí)，光波被界面反射回空氣中呈絕對(duì)陷獲，絕對(duì)陷獲。當(dāng)入 射角53° <θλ〈79°時(shí)，此時(shí)光波既有折射入水的波能又有反射回空氣波能。反射波能多 少隨著入射角度呈線性變化。
[0009] 當(dāng)入射角θλ小于53°時(shí)，光波為折射波，大部分能量折射入水。
[0010] 同樣對(duì)水介質(zhì)而言，如圖2所示：
[0011] 當(dāng)入射角θλ大于47°時(shí)，光波呈反射波形態(tài)回水中，光波被絕對(duì)陷獲。
[0012] 當(dāng)入射角36° <θλ〈47°時(shí)，為共振區(qū)，此時(shí)光波既有反射波也有折射到空氣中 的波能。反射波能從36°角開(kāi)始隨著角度增加逐漸增大直至47°角時(shí)，入射波能全部反 射。
[0013] 當(dāng)入射角θλ小于36°時(shí)，波能全部折射到空氣中。
[0014] 上述可知，在任何界面或過(guò)渡帶形成波導(dǎo)現(xiàn)象，都存在兩個(gè)波導(dǎo)陷獲區(qū)，
[0015] -個(gè)是絕對(duì)波能陷獲區(qū)，臨界角為絕對(duì)臨界角
[0016] -個(gè)是相對(duì)或部分波能陷獲區(qū)，臨界角為相對(duì)臨界角。
[0017] 陷獲波能多少取決于入射角與陷獲臨界角和共振臨界角關(guān)系。
[0018] 二、在自然環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)大氣波導(dǎo)和海洋聲波導(dǎo)等現(xiàn)象，其對(duì)船載雷達(dá)和聲納 超視距探測(cè)有著絕定性作用。
[0019] 在實(shí)際的航道工程實(shí)踐中，經(jīng)常看以觀察到，由于航道開(kāi)挖，當(dāng)入射浪向與航道夾 角過(guò)小時(shí)，波浪就會(huì)被反射，并在防波浪堤前與直接入射波浪疊加堆積，形成異常大波況。 同樣航道里的波浪，也會(huì)在航道另一側(cè)反射堆積。因此說(shuō)從淺水射向深水波有反射堆積現(xiàn) 象，從深水射向淺水波也有反射堆積現(xiàn)象。
[0020] 類(lèi)似的現(xiàn)象，也出現(xiàn)在隨后大氣波導(dǎo)研究中，研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定層結(jié)的大氣結(jié) 構(gòu)中出現(xiàn)逆溫層時(shí)，從海面上船載雷達(dá)平行與水平海面射出的電磁波，由于地球曲率效應(yīng)， 水平射來(lái)的電磁波以一個(gè)很小角度（大約0.Γ左右）與逆溫層界面相交，導(dǎo)致電磁波被反 射回海面，從而船載雷達(dá)能夠探測(cè)到視距以外的超視距目標(biāo)，這就是大氣波導(dǎo)效應(yīng)。
[0021] 大氣波導(dǎo)是電磁波從低氣溫空氣層向高氣溫空氣層入射，而沙漠中海市蜃樓現(xiàn)象 形成波導(dǎo)效應(yīng)是從高氣溫空氣層向低氣溫空氣層入射。
[0022] 同樣海洋中聲傳播也有同樣效應(yīng)的海洋聲波導(dǎo)和盲區(qū)現(xiàn)象。當(dāng)近海局部海域出現(xiàn) 季節(jié)性躍層（如夏季中國(guó)黃渤海冷水團(tuán)），由于躍層作用，此時(shí)海面聲納很難探測(cè)到數(shù)百米 之外水中躍層下目標(biāo)，而水中躍層下聲納或水聽(tīng)器也很難聽(tīng)到數(shù)百米外的海面船只所發(fā)出 的聲響。這與正常的聲納作用距離大于10公里相差甚遠(yuǎn)。
[0023] 因此不論是水波還是電磁波、聲波，只要有波的傳播速度差異界面存在，哪怕差值 很小，實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)入射波與界面夾角足夠小時(shí)，就會(huì)有反射波存在。不論是從波速率小介 質(zhì)層向波速率大介質(zhì)層傳播，還是從波速率大介質(zhì)層向波速率小介質(zhì)層傳播，都存在一個(gè) 反射臨界角。
[0024] 而傳統(tǒng)Snell定理（1663年）計(jì)算波的反射臨界角時(shí)，要求折射角為90°時(shí)的出 物質(zhì)光波的入射角為波的反射臨界角，而向物質(zhì)入射的光波無(wú)反射臨界角，所有波能都折 射進(jìn)物質(zhì)中。這是一個(gè)錯(cuò)誤概念，雖然人們一直在使用，并寫(xiě)進(jìn)了中學(xué)課本廣泛普及。但從 水中入射到空氣折射波，永遠(yuǎn)達(dá)不到折射角為90°的折射波，就是說(shuō)人們從水中從來(lái)也看 不到海面上遠(yuǎn)處船只和海面目標(biāo)。對(duì)于波動(dòng)而言，只要入射波與界面夾角足夠小，界面兩邊 都會(huì)有"打水漂效應(yīng)"（stoneskimming)的反彈波存在。
[0025] 電磁波和聲波在波導(dǎo)中能否全部被陷獲或部分被陷獲以及被陷獲能量多少，取決 于波導(dǎo)界面波的反射臨界角的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026] 本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題的提出，而研制的一種波導(dǎo)界面反射波臨界角的近似計(jì)算方 法，包括如下步驟：
[0027] 一判定當(dāng)前入射波的傳播類(lèi)型；若波由高速度介質(zhì)（層）向低速度介質(zhì)（層）傳 播，即cx > ，其中C為傳播速度，cx為波在高速度介質(zhì)（層）中的傳播速度，為波在 低速度介質(zhì)（層）中的傳播速度；
[0028] -根據(jù)當(dāng)前波的類(lèi)型，獲取對(duì)于該波的界面折射率n，由該折射率η確定當(dāng)前波的 個(gè)數(shù)m;
[0029] -應(yīng)用如下公式計(jì)算得出所述高速介質(zhì)（層）絕對(duì)反射臨界角：
[0030]

[0031] 式中，m由折射率η確定，其中：當(dāng)η< 1. 25時(shí)， 取整數(shù)；若η彡1.25， m= 1 ;
[0032] 更進(jìn)一步的，若波由低速度介質(zhì)（層）向高速度介質(zhì)（層）傳播，絕對(duì)反射臨界角 計(jì)算方法如下：
[0033] 一應(yīng)用所述公式
[0034]
[0035] 計(jì)算得出所述高速介質(zhì)（層）絕對(duì)反射臨界角；
[0036] -然后利用Snell定理
[0037]
[0038]