Refleksion

Den refleksionsevne er forholdet af elektromagnetisk energi reflekteret ved overfladen af et materiale med en sådan tykkelse, at reflektansen ikke ændrer ved at forøge dets tykkelse. Reflektionsevnen på en overflade kan variere afhængigt af længden af bølgerne, der rammer den. Denne mængde udtrykkes generelt i decibel eller i procent.

Dette koncept anvendes i vid udstrækning inden for fysik , kemi , telekommunikation og radar til at måle signalet, der returneres af genstande på bølgebanen. Det er et specielt tilfælde af reflektans (som hovedsagelig bruges til at studere forholdet mellem indfaldende og reflekteret lys).

Definition

Når en bølge reflekteres på et mere eller mindre reflekterende materiale, returneres en del af bølgen til emitteren, og en del fortsætter. Den refleksionskoefficienten er forholdet mellem amplituderne (A) mellem den reflekterede bølge og den indfaldende bølge:

R_ {c} = A_ {r} / A_ {i}

Ifølge Fresnel-koefficienter . Denne værdi kan være et komplekst tal .

Den refleksionsevne (Ref) er den reflekterede energi i forhold til den indfaldende energi. Da energien er proportional med kvadratet af bølgenes amplitude, tilfældigvis er det følgende forhold:

R {\ akut {e}} f = {\ frac {A_ {r} ^ {2}} {A_ {i} ^ {2}}} = R_ {c} ^ {2}

Reflektiviteten er derfor reflektionskoefficienten i kvadrat, altid positiv og et reelt tal .

Typer

Refleksion kan opdeles i diffus refleksion ( Beer-Lamberts lov ) og spekulær eller skinnende refleksion . Den effektive refleksion for en ideel Lambert-overflade er uafhængig af observatørens synsvinkel ( Rayleighs lov ). Den reflekterende refleksion er på sin side meget afhængig af, at synsvinklen er maksimal i retning af den indfaldende stråle og på dens modsatte ( Mie-teori ). De fleste objekter har en blanding af disse to typer refleksion.

Radarreflektionsevne

For en radar måler reflektionsevne effektiviteten, hvormed et mål opfanger og reflekterer RF-energi. Det afhænger af måloverfladens størrelse, form, aspektkoefficient og dielektriske egenskaber . Det inkluderer ikke kun effekterne af refleksion, men også effekterne af spredning og diffraktion.

Peg mål

Det defineres ved den ækvivalente radaroverflade σ med en permittivitet eller dielektrisk konstant, som ikke er nul. I tilfælde af en antenne eller maritim overvågningsradar, hvor målene er punktlignende, kan σ udtrykkes som:

\ sigma = {\ frac {4 \ pi r ^ {2} S_ {r}} {S_ {t}}}

eller

σ: målets kapacitet til tilbagespredning mod radaren i [m²]
r = kuglens radius svarende til målets tværsnitsbillede og genudsendelse i alle retninger [m]

S t : energi tilbagespredt af målet, i [W / m²]

S r : energi modtaget af målet på afstand r, i [W / m²]

Nogle mål har høje σ-værdier på grund af deres diameter og orientering. De backscatter derfor en stor del af hændelsesenergien. Andre har meget lave værdier på grund af det materiale, de er lavet af, eller synspunktet i forhold til radaren (set forfra, set fra siden osv.).

Reflektiviteten er derfor det radarækvivalente areal ganget med målets konstruktionskarakteristika.

Volumetriske mål

I tilfælde af en vejrradar støder strålen på et stort antal mål, der kan være af forskellige slags (regndråber, snefnug, hagl , slud osv.) Og på forskellige afstande. Reflektiviteten er summen af værdien af σ for hver af dem. Ifølge den Rayleigh lov , σ varierer som den 6 th magt af diameteren af en kugle med D i hver diameter hydrométéore at opnå en samlet refleksionsevne (kaldet Z):

Z = \ int _ {{0}} ^ {{Dmax}} N_ {0} e ^ {{- \ Lambda D}} D ^ {6} dD

At vide, at D, i tilfælde af en snefnug, er diameteren på den tilsvarende dråbe, der kommer fra smelten

Denne Z er i , hvilket resulterer i nogle ret usædvanlige enheder. Derudover tager denne formel ikke hensyn til målets art. For at opnå den tilsvarende refleksionsevne (Z e ) at radaren ser, er det nødvendigt at normalisere over distancen og ganges med kvadratet på den dielektriske konstant (K) af målet for at tage hensyn til sine overvejelser effektivitet: $mm ^ {6} m ^ {{- 3}}$

Z_ {e} = | K | ^ {2} \ left ({\ frac {Z} {Z_ {0}}} \ right) = \ left ({\ frac {| K | ^ {2}} {Z_ { 0}}} \ højre) \ venstre (\ int _ {{0}} ^ {{Dmax}} N_ {0} e ^ {{- \ Lambda D}} D ^ {6} dD \ højre)

$Z_ {0} = 1 mm ^ {6} m ^ {{- 3}}$ enten den tilsvarende retur af et volumen fyldt med dråber med $D = 1 mm$
$| K | ^ {2} = 0,93$ til vand og til sne $0,24$

Da det, der bemærkes på jorden, er en mængde nedbør, er det muligt at finde sammenhængen mellem reflektionsevne og det, der måles. Nedbørshastigheden (R) er lig med antallet af partikler, deres volumen og deres faldhastighed (v [D]):

R = \ int _ {{0}} ^ {{Dmax}} N_ {0} e ^ {{- \ Lambda D}} (\ pi D ^ {3} / 6) v (D) dD

Z e og R har en lignende formulering og ved at løse ligninger vi ankommer til en relation, kaldet ZR, af typen:

\, Z_ {e} = aR ^ {b}

\ qquad {\ begin {cases} \ end {cases}}

Hvor a og b afhænger af typen af nedbør (regn, sne, konvektiv eller stratiform ), som har forskellige , K, N 0 og v

\ Lambda

Den mest kendte af denne familie er Marshall-Palmer ZR-forholdet, som giver a = 200 og b = 1,6. Det er stadig en af de mest anvendte, fordi det er gyldigt for synoptisk regn i mellembreddegraderne, et meget hyppigt tilfælde. Andre forhold er fundet i situationer med sne, regn under tordenvejr , tropisk regn osv.

Røntgenreflektionsevne

De røntgenstråler afspejles også af visse materialer og fænomenet anvendes i interferometri at analysere strukturen af tynde lag og indskud flere lag i kemi og fysik. Dette er en komplementær teknik til ellipsometri . Ideen er at måle den spejlreflektion af røntgenstråler på en overflade og se enhver afvigelse fra Fresnel-koefficienterne . Det blev udviklet af professor Lyman G. Parratt fra Cornell University i De Forenede Stater og offentliggjort i en Physical Review- artikel i 1954. Når overfladen ikke er helt glat, men snarere har en elektrondensitet givet af , kan reflektionsevnen tilnærmes ved $\ rho _ {e} (z)$

$R (Q) / R_ {F} (Q) = \ left | {\ frac {1} {\ rho _ {\ infty}}} {\ int \ limits _ {{- \ infty}} ^ {\ infty} {e ^ {{iQz}} \ left ({\ frac {d \ rho _ {e}} {dz}} \ right) dz}} \ right | ^ {2}$

Eller

$R (Q) / R_ {F} (Q)$ er reflektionsevne
$Q = 4 \ pi \ sin (\ theta) / \ lambda$
$\ lambda$ er røntgenbølgelængden
$\ rho _ {\ infty}$ dybden af elektrondensiteten i materialet
$\ theta$ er indfaldsvinklen.

For flere lag kan reflektionsevnen vise svingninger med varierende bølgelængde anvendt som i et Fabry-Perot-interferometer, som kan bruges til at måle lagtykkelsen og deres egenskaber.

Se også

Noter og referencer

Oversættelsesbureau, " Reflectivity, " om Termium , Public Works and Government Services Canada (adgang til 11. maj 2013 )
" Refleksionskoefficient " , stor terminologisk ordbog , på Office québécois de la langue française (adgang til 12. maj 2013 )
(i) E. Hecht, Optik , Pearson Education,2001, 4 th ed. ( ISBN 0-8053-8566-5 )
Verdens meteorologiske organisation , “ Radarreflektionsevne , ” Eumetcal (adgang 11. maj 2013 )
Christian Wolff og Pierre Vaillant, " Surface Equivalent Radar " , på Radartutorail.eu (adgang til 11. maj 2013 )
Christian Wolff og Pierre Vaillant, “ Réflectivité ” , på Radartutorail.eu (adgang 11. maj 2013 )
(fr) " Måling af nedbørshøjde ved hjælp af radarreflektionsevne " , Météo-France (adgang 21. juli 2011 )
(da) National Weather Service , " Reflectivity factor Z " , NOAA (adgang 21. juli 2011 )
(fr) Euromet , " Meteorological radar " , Understanding meteorology , Météo-France (adgang 21. juli 2011 )
(en) National Weather Service , " Reflectivity Factor Z " , NOAA (adgang 21. juli 2011 )
J. Als-Nielsen og D. McMorrow , Elements of Modern X-Ray Physics , Wiley ,2001, s. 83
LG Parratt, Phys. Rev. 95 , 359 (1954).