Ufimtsev P. Fundamentals of the physical theory of diffraction (Wiley 2007)(348s) PEo
.pdf13.1 Acoustic Waves 273
13.1.2 Backscattering Produced by the Nonuniform Component j (1)
There are three types of nonuniform components j(1) of the scattering sources on a finite cylinder. The edge/fringe component jfr(1) concentrates near the edges. The component jcr(1) associated with creeping waves concentrates near the shadow boundary on the cylindrical part of the object and exponentially attenuates away from this boundary. The third component jdif(1) is caused by the transverse diffusion of the wave field between the adjacent rays reflected from the cylindrical surface. This component jdif(1) exists on the illuminated part of the cylindrical surface away from the shadow boundary. Among these components of j(1), a main contribution to the backscattering is provided by the fringe component jfr(1) and this contribution is investigated here. Notice also that the field generated by jdif(1) is comparable with that produced by jfr(1), but this situation occurs only in the direction of the specular rays reflected from the cylindrical surface. This topic is considered in the next chapter.
First we analyze the field generated by the fringe component located near the left
'
edge (z = −l, x2 + y2 = a). According to Equation (8.3) it is determined as
(1)left |
= u0 |
a |
i2kl cos ϑ eikR |
2π |
(1) |
(ϕ )e |
i2ka sin ϑ sin ϕ |
|
. |
|
||
us,h |
|
e |
|
|
|
Fs,h |
|
dϕ |
(13.16) |
|||
2π |
|
R |
0 |
|
In the direction ϑ = π , functions Fs,h(1) transform into functions f (1) and g(1) as shown in Equations (7.120) and (7.121). Recall that these functions are defined in Section 4.1. Hence for this direction,
us(1)left |
|
f (1) |
|
eikR |
|
|
|
uh(1)left |
|
= u0a g(1) |
e−i2kl |
|
, |
(ϑ = π ). |
(13.17) |
R |
|||||||
For other directions ϑ , which satisfy the condition 2ka sin ϑ |
1, the integral |
in Equation (13.16) is evaluated asymptotically by the stationary-phase technique. There are two stationary points (ϕst,1 = π/2 and ϕst,2 = 3π/2) in the integrand of Equation (13.16). At these points, functions Fs,h(1) also transform into functions f (1) and g(1). The resulting asymptotic approximations for the field (13.16) are given as
(1)left |
|
a |
i2kl cos ϑ eikR |
1 |
|
|
|||||||
us |
= u0 |
|
|
e |
|
|
|
√ |
|
|
|
||
2 |
|
R |
|
||||||||||
|
|
π ka sin ϑ |
|
|
|||||||||
|
× [ f (1)(1)ei2ka sin ϑ −iπ/4 + f (1)(2)e−i2ka sin ϑ +iπ/4] |
(13.18) |
|||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
(1)left |
= u0 |
a |
i2kl cos ϑ eikR |
1 |
|
|
|||||||
uh |
|
e |
|
|
|
√ |
|
|
|
||||
2 |
|
R |
|
||||||||||
|
|
π ka sin ϑ |
|
|
|||||||||
|
× |
[g(1)(1)ei2ka sin ϑ −iπ/4 + g(1)(2)e−i2ka sin ϑ +iπ/4]. |
(13.19) |
TEAM LinG
13.1 Acoustic Waves 275
expression is extended to all directions π/2 < ϑ < π and provides the following approximations to the field (13.24):
us(1)right = u0 |
a |
f (1)(3) |
[J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )]e−i2kl cos ϑ |
|
eikR |
|
(13.26) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
R |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
and |
|
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a |
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eikR |
|
|
||||||||||
uh(1)right = u0 |
|
|
g(1)(3) [J0(2ka sin ϑ ) |
− iJ1(2ka sin ϑ )]e−i2kl cos ϑ |
|
|
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|
|
. |
(13.27) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
R |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thus, in the first approximation, the total field produced by the component |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
jfr(1) equals |
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a eikR |
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||||||||||||||
us(1) |
= u0 |
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0f (1)(1) [J0(2ka sin ϑ ) + iJ1(2ka sin ϑ )]ei2kl cos ϑ |
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||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
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|
R |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
+ [ f (1)(2)ei2kl cos ϑ + f (1)(3)e−i2kl cos ϑ ][J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )] , |
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(13.28) |
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1 |
|
and |
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a eikR |
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||||||||||||
uh(1) |
= u0 |
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0g(1)(1) [J0(2ka sin ϑ ) + iJ1(2ka sin ϑ )]ei2kl cos ϑ |
|
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|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
R |
|
|
|
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|
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|
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|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
+ [g(1)(2)ei2kl cos ϑ + g(1)(3)e−i2kl cos ϑ ][J0(2ka sin ϑ ) − iJ1(2ka sin ϑ )] . |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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(13.29) |
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1 |
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The functions f (1) and g(1) are determined according to Section 4.1 as |
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sin |
π |
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|||||||
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|
1 |
|
|
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|
1 |
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1 |
|
cos ϑ |
|
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f (1)(1) |
|
|
|
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|
n |
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, |
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(13.30) |
|||||||||||||||
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|
π |
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|||||||||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
|
1 |
− cos |
|
π |
|
cos |
π − 2ϑ |
|
|
+ |
2 sin ϑ |
|
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||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
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|
n − |
|
|
− |
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
n |
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|||||||||||||||
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|
n |
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|
|
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|
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||||||||||
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|||
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sin |
π |
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|||||||
|
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|
1 |
|
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|
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|
1 |
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1 |
|
cos ϑ |
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|||||||||||||||||||||
g(1)(1) |
|
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|
n |
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, |
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(13.31) |
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|
π |
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|||||||||||||||
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|
= |
|
|
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
|
1 |
+ cos |
|
π |
|
cos |
π − 2ϑ |
|
|
− |
2 sin ϑ |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
n − |
|
|
− |
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|
n |
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|||||||||||||||
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|
n |
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|
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||||||||||
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|
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|
|||
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|
sin |
π |
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||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 cos ϑ |
|
|
|
1 sin ϑ |
||||||||||||||||||||||
f (1)(2) |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||
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|||||||||||||||||||||||||
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|
, |
|||||||||
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|
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|
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|
π |
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|
|
π |
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|
2ϑ |
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|
||||||||
|
|
|
|
= |
|
|
|
n |
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
− cos |
|
|
− cos |
|
|
|
− |
2 sin ϑ − |
|
2 cos ϑ |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
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|||||||||||
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(13.32) |
||
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|
sin |
π |
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|||||
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
cos ϑ |
|
|
|
1 sin ϑ |
|||||||||||||||||||||
g(1)(2) |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||
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, |
|||||||||||
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π |
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|
π |
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2ϑ |
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||||||||
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|
= |
|
|
|
n |
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
+ cos |
|
|
− cos |
|
|
|
+ |
2 sin ϑ + |
|
2 cos ϑ |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
|
|
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(13.33) |
TEAM LinG
276 Chapter 13 |
|
|
Backscattering at a Finite-Length Cylinder |
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|
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|
|
|
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|||||||||||||||||||||||
|
|
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
sin ϑ |
|
|
|
||||||||
f (1)(3) |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(13.34) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
− |
|
|
|
|
|
n − |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
− cos |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
and |
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
|
1 |
|
π |
|
|
cos |
π + 2ϑ |
|
|
|
|
|
2 cos ϑ |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
sin ϑ |
|
|
||||||||||
g(1)(3) |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(13.35) |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
− |
|
|
|
|
|
n − |
|
|
n |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
+ cos |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
n |
|
|
|
cos |
|
|
|
1 |
π |
|
cos |
π + 2ϑ |
|
|
|
|
2 cos ϑ |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
with n = 3/2.
Although certain terms in these functions are singular in the directions ϑ = π/2 and ϑ = π , these singularities always cancel each other, and the functions f (1), g(1) remain finite. In the direction ϑ = π/2 they have the values
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
π |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
f (1)(1) = 0, |
|
|
|
f (1)(2) = f (1)(3) = |
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
+ |
|
cot |
(13.36) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
cos |
π |
|
− 1 |
2n |
|
n |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
π |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
g(1)(1) = |
n |
|
|
|
|
n |
|
g(1)(2) = g(1)(3) = |
|
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
− |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
cot |
|
, (13.37) |
||||||||||||||||||||
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
2n |
n |
|||||||||||||||||||||
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
n |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
and in the direction ϑ = π they are determined as
|
|
|
|
|
|
|
1 |
sin |
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
f (1)(1) = f (1)(2) = |
|
|
n |
|
|
|
n |
|
|
+ |
|
cot |
, |
|
|
|
|
f (1)(3) = 0 |
|
|
|
|
|
(13.38) |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
cos |
π |
− 1 |
2n |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
and |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
sin |
|
π |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
g(1)(1) = g(1)(2) = |
n |
|
n |
|
|
− |
|
|
|
|
|
g(1)(3) = |
|
n |
|
n |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
cot |
|
, |
|
|
|
|
|
|
. |
(13.39) |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
π |
|
|
|
|
2n |
n |
|
|
|
|
|
π |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
cos |
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
− 1 |
|
|||||||||||||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|||||||||||||||||||||||||
We also obtain the expressions for the functions f (1)(4) and g(1)(4) related to the |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
stationary point 4 (Fig. 13.1), which |
becomes visible in the directions ϑ |
= |
π/2 and |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ϑ = π . For both directions, functions f |
|
|
(4) and g |
|
(4) have the same values, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
sin |
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
f (1)(4) = 0 |
|
|
and |
|
|
|
g(1)(4) = |
n |
|
n |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(13.40) |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos |
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
As the contribution from point 4 equals zero for the soft cylinder, the approximation (13.28) can be used in the entire region π/2 ≤ ϑ ≤ π . In the case of
TEAM LinG
13.2 Electromagnetic Waves 279
Figure 13.7 Backscattering at a hard cylinder. According to Equation (13.46), the PO curve here also displays the backscattering of electromagnetic waves (with Hx -polarization) from a perfectly conducting cylinder.
13.2ELECTROMAGNETIC WAVES
The original PTD of electromagnetic waves scattered from a finite perfectly conducting cylinder was published in the work of Ufimtsev (1958a, 1962). Below, we present in brief a revised version based on the concept of EEWs.
13.2.1 E-Polarization
The incident wave is defined as
Exinc = E0x eik(z cos γ +y sin γ ), |
Eyinc = Ezinc = Hxinc = 0. |
(13.42) |
The uniform component (1.97) of the induced surface current is determined by |
||
jx(0)disk = 2Y0E0x cos γ e−ikl cos γ eikρ sin γ sin ψ |
|
|
and |
|
|
jy(0)disk = jz(0)disk = 0 |
(13.43) |
|
on the left base of the cylinder (Fig. 13.1), and by |
|
jx(0)cyl = −2Y0E0x sin γ sin ψ eik(z cos γ +a sin γ sin ψ ), jy(0)cyl = 2Y0E0x sin γ cos ψ eik(z cos γ +a sin γ sin ψ ),
and
TEAM LinG
280 Chapter 13 Backscattering at a Finite-Length Cylinder
jz(0)cyl = 2Y0E0x cos γ cos ψ eik(z cos γ +a sin γ sin ψ ) |
(13.44) |
on the cylindrical part of the surface (−l ≤ z ≤ l , π ≤ ψ ≤ 2π ). Here, Y0 = 1/Z0 is the admittance of free space (vacuum).
(0) (0)
The field Ex generated by the current j is found with the help of Equa-
m m =
tions (1.92) and (1.93), where one should drop off the terms Aϕ,ϑ , because j
−[ˆ × |
E |
] = |
|
(1) |
|
|
|
|
|
n |
|
0 due to the boundary condition on a perfectly conducting surface. The |
|||||||
|
|
|
(1) |
|
|
= − |
) and right (z |
= |
l) |
noununiform (fringe) currents j concentrate near the left (z |
|
|
|||||||
edges. The field Ex |
radiated by these currents is calculated in accordance with the |
||||||||
theory developed in Section 7.8. The total scattered field is the sum |
|
|
|||||||
|
|
|
Ex = Ex(0)disk + Ex(0)cyl + Ex(1)left + Ex(1)right . |
(13.45) |
|||||
One can show that |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Ex(0)disk = us(0)disk , |
Ex(0)cyl = us(0)cyl. |
(13.46) |
The quantities us(0)disk and us(0)cyl are defined in Section 13.1.1, where one should set u0 = E0x . Therefore, the PO curves in Figures 13.4 and 13.6 for the backscattering of acoustic waves from a soft cylinder also display the backscattering of electromagnetic
waves from a perfectly conducting cylinder.
The fields Ex(1)left and Ex(1)right are calculated by the integration of EEWs, which are the functions of the local spherical coordinates with the origin at an edge point x = a cos ψ , y = a sin ψ . To avoid the possible confusion with the basic coordinates R, ϑ , ϕ of the observation point, we re-denote the local coordinates as r, θ , φ. The necessary preliminary work is to define the local coordinates in terms of the basic coordinates ϑ , ψ .
First, notice that one can use the following approximations
rleft = R + a sin ϑ sin ψ + l cos ϑ , |
rright = R + a sin ϑ sin ψ − l cos ϑ , |
|||||
|
|
|
Rˆ |
|
|
(13.47) |
rleft |
rright |
≈ |
y sin ϑ |
z cos ϑ |
(13.48) |
|
ˆ |
≈ ˆ |
|
= −ˆ |
+ ˆ |
|
|
for the observation point (x = 0, y = −R sin ϑ , z = R cos ϑ ) in the far zone (R |
ka2, |
Rkl2). Then, we introduce the unit vectors
|
|
|
|
|
θ |
= ˆ |
|
+ ˆ |
|
|
+ ˆ |
|
, |
|
φ |
= ˆ |
φ |
+ ˆ |
φ |
|
+ ˆ |
φ |
z, |
|
(13.49) |
||||||
|
|
|
|
|
|
x θ |
y θ |
y |
z θ |
z |
|
|
x |
y |
y |
z |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
ˆ |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
ˆ |
|
|
x |
|
|
|
|
|
||||||||
and find their components from the equations |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Rˆ |
· |
ˆ |
= |
|
ˆ |
· |
[ ˆ |
× ˆ] = |
|
|
ˆ |
· |
|
ˆ |
= − |
( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ |
= |
(13.50) |
|||
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin2 ϑ cos2 ψ , |
|
ˆ |
× ˆ |
||||||||||||||||
|
|
θ |
|
0, |
θ |
|
R |
t |
|
0, |
t |
|
|
θ |
|
1 |
|
|
φ |
|
R |
θ , |
TEAM LinG
13.2 Electromagnetic Waves 281
where ˆt = xˆ sin ψ − yˆ cos ψ is the tangent to the edge. According to these equations,
θx = − |
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|
sin ψ |
θy = |
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|
cos ψ cos2 ϑ |
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||||||||
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, |
|
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, |
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||||||
|
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|
|
|
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|
||||||||
|
|
|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|
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|||||||||||||
|
|
cos ψ sin ϑ cos ϑ |
|
' |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
θz = |
|
' |
|
, |
|
|
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(13.51) |
||||||||
|
|
|
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||||||
' |
1 |
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|
sin2 ϑ cos2 ψ |
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||||||||
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− cos ψ cos ϑ |
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|
sin ψ cos ϑ |
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|||||||
φx = − |
|
|
|
|
|
, |
φy = − |
|
|
|
|
, |
|||||||
' |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
1 − sin2 ϑ cos2 |
ψ |
|||||||||||||||||
φz = − |
sin ψ sin ϑ |
|
|
|
' |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
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|
. |
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(13.52) |
||||||
|
|
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||||||||
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|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
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||||||||
The angle θ is |
defined by the equation |
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|||||||||
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' |
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||||
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|
Rˆ · ˆt = cos θ = sin ϑ cos ψ . |
(13.53) |
In order to define the angles φ and φ0, one should note that they are measured from the illuminated face of the edge in the plane perpendicular to the tangent ˆt to the edge.
By projecting the vectors R |
y sin ϑ |
|
z cos ϑ and Q |
|
ki |
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|
y sin γ |
z cos γ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
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ˆ = −ˆ |
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|
+ ˆ |
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|
ˆ |
= −ˆ |
= −ˆ |
− ˆ |
|||||||||||||
on this plane, one obtains |
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||||||||||||||
|
sin φ = − |
|
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|
cos ϑ |
|
|
|
, |
|
|
|
cos φ = |
|
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|
|
|
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|
sin ϑ sin ψ |
(13.54) |
||||||||||||||||
|
|
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||||||||||||||||||||||
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
and |
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|
|
|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
sin φ0 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
cos γ |
|
|
, |
|
|
|
cos φ0 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
sin γ sin ψ |
(13.55) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
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|||||||||||||||||||||
|
|
1 |
− |
sin2 ϑ cos2 ψ |
|
|
1 |
− |
sin2 ϑ cos2 ψ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
for the left edge'(z |
|
|
l), and |
|
|
|
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|
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|
' |
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||||||||||||||||
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= − |
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|
|
cos ϑ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
and sin φ = − |
|
|
|
|
|
|
sin ϑ sin ψ |
|
|
, |
|
|
|
cos φ = − |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
(13.56) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
' |
|
|
|
|
|
|
' |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|
|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
sin φ0 = − |
|
|
|
|
|
|
sin γ sin ψ |
|
|
|
|
, |
|
|
|
cos φ0 = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos γ |
|
|
|
|
|
(13.57) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
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|
|
|
' |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
|
|
|
1 − sin2 ϑ cos2 ψ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
for the right |
edge (z l). |
|
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|
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|
|||||||||||||||||||
|
|
' |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
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|
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|
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|
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|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Now, according to Section 7.8, one obtains |
|
|
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|
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|
|
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|
|
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|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
eikR |
|
2π |
0sin ψ Fθ(1)(ψ , θ , φ) · θx |
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||||||||||||||||||||||||
Ex(1)left = E0x |
|
|
|
|
ei2kl cos ϑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
2π |
|
R |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
(ψ , θ , φ) |
· |
θ |
|
G(1)(ψ , θ , φ) |
· |
φ |
|
ei2ka sin ϑ sin ψ dψ , |
||||||||||||||||||||||
|
|
+ cos |
ϑ cos ψ [Gθ |
|
|
|
|
|
|
|
|
x + |
φ |
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
x |
]1 |
|
|
|
|
(13.58) |
|||||||||||||
Ey(1,z)left = Hx(1)left |
= 0, |
|
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|
|
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|
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(13.59) |
TEAM LinG