[论文解读] The Theoretical Proof for GLHUA EM Invisible Double Layer Cloak By Using GL No Scattering Modeling and Inversion

Jianhua Li, Feng Xie+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文提出了一种GLHUA电磁（EM）隐身双层罩的理论证明，采用GL无散射建模与反演方法，证明由于内边界处相速度趋于零，电磁波无法穿透至被遮蔽区域。该罩使用相对介电常数和磁导率参数≥1，确保亚光速波传播与完美隐身，无任何散射，通过严格的数学定理与解析的电磁波解得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we proposed the GLHUA double layer cloak; proved the properties of GLHUA double layer cloak; Using GL no scattering inversion and the pre cloak condition 6.1 to 6.4 in paper [1], we create GLHUA outer layer cloak radial relative parameter and angular relative parameter theoretically. We proved theorem 4.1 to theorem 4.4 that the phase velocity of the electromagnetic wave in GLHUA outer layer cloak is less than light speed and tends to zero at the boundary $r=R_1$, the EM wave tends to zero at $r=R1$; When source $r_s > R_2$ in the outside of the cloak and observer $r_o < R_o$ in the concealment, then $\vec E(\vec r_o)=0$ and $\vec H(\vec r_o)=0$ that is proved in theorem 5.1 and 5.3. We prove that the EM wave excited in outside of the cloak can not propagation penetrate into the concealment. In theorem 5.4 to 5.6, we rigorously proved the EM wave excited in outside of the cloak can not be disturbed by the cloak. In theorem 6.1 to theorem 6.6, we prove that the EM wave excited in the concealment can not propagate to outside of GLHUA inner cloak. we prove that the EM wave excited in the concealment can not be disturbed by the cloak. We theoretically prove that the GLHUA double cloak is invisible cloak with concealment and with relative parameter not less than 1; the GLHUA double layer cloak is practicable. In December of 2016, we submitted 3 papers to arXiv for GLHUA double layer cloak with relative parameters not less than 1. This is the third paper. The task and content of the three paper are different from each other. The second paper [1] and this Paper are theoretical base and proof of the subjects in paper arXiv:1612.02857. We find an exact analytical EM wave field of Maxwell EM equation in GLHUA cloak and mirage bridge wave. Patent of the GLHUA EM cloaks,GLHUA sphere and GL modeling and inversion methods are reserved by authors in GL Geophysical Laboratory.

研究动机与目标

• 理论证明双层电磁罩的存在性及其隐身特性，其相对参数不小于1。
• 建立基于GL无散射反演的各向异性、非均匀介质中电磁波行为的严格数学框架。
• 证明外部源产生的电磁波因在内边界处相速度趋于零，无法穿透至被遮蔽区域。
• 验证罩不散射入射波，且内部源无法向外辐射，确保完全隐藏。
• 为GLHUA罩提供完整的理论基础，证明其为可行、非奇异且物理可实现的隐身罩。

提出的方法

• 提出一种新型GLHUA外层罩，通过GL无散射反演导出径向与角向的相对介电常数和磁导率参数。
• 应用先前工作中提出的预罩条件（6.1–6.4），以确保电磁参数在边界处连续且无奇点。
• 引入一种新型GL变换 $ r_p = R_1 + A e^{-B/r} $，用于构建外层罩中的角向电磁参数。
• 采用广义正则化方法分析 $ r = R_1 $ 附近波的行为，该处相速度趋于零。
• 建立并求解GL全波电磁模型，使用三维球形各向异性介质中麦克斯韦方程的精确解析解。
• 通过GL电磁射线方程验证结果，显示在 $ r = R_1 $ 处波前不连续且射线传播非几何化。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有相对参数≥1的双层电磁罩是否能在不超越光速的前提下实现完美隐身？
• RQ2 当电磁波趋近内边界 $ r = R_1 $ 时，其相速度如何行为？是否阻止波的穿透？
• RQ3 外部电磁源是否能激发被遮蔽区域 $ r < R_1 $ 内可检测的场？抑或由于波被抑制，场强为零？
• RQ4 该罩是否散射入射波？内部源是否能向外辐射，从而违反隐藏原理？
• RQ5 是否存在三维麦克斯韦方程在GLHUA罩中的严格解析解，可证实隐身与亚光速传播？

主要发现

• GLHUA外层罩中电磁波的相速度小于光速，且当 $ r \to R_1 $ 时趋于零，阻止波向被遮蔽区域传播。
• 在任意观测点 $ r_o < R_1 $ 处，电场与磁场满足 $ \vec{E}(\vec{r}_o) = 0 $ 与 $ \vec{H}(\vec{r}_o) = 0 $，证明来自外部源的完全隐身。
• 外部电磁波不被该罩散射，如定理5.4–5.6严格证明，确认无任何可检测的相互作用。
• 内部电磁源无法激发向外传播的波，如定理6.1–6.6所示，确保外部观察者无法察觉。
• GLHUA解析电磁波解对三维麦克斯韦方程的求解结果表明，有限时间内无波传播到达 $ r = R_1 $，验证了罩的隐身性。
• 模拟中观察到的GLHUA幻象桥效应进一步证实非光速波行为与 $ r = R_1 $ 处波前不连续性，支持理论模型。