[论文解读] Theory of diffusive light scattering cancellation cloaking

Mohamed Farhat, Pai‐Yen Chen+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2016

Random lasers and scattering media参考文献 40被引用 7

一句话总结

本文提出了一种针对浑浊介质中漫射光子密度波（DPDW）的散射消除隐身技术，采用具有定制扩散率的球形壳层或具有工程化表面阻抗的罩层隐身衣。数值结果表明，此类隐身衣可将散射降低至接近零水平，使物体在宽频带范围内对DPDW完全不可见，模拟中散射抑制最高达-45 dB。

ABSTRACT

We report on a new concept of cloaking objects in diffusive light regime using the paradigm of the scattering cancellation and mantle cloaking techniques. We show numerically that an object can be made completely invisible to diffusive photon density waves, by tailoring the diffusivity constant of the spherical shell enclosing the object. This means that photons' flow outside the object and the cloak made of these spherical shells behaves as if the object were not present. Diffusive light invisibility may open new vistas in hiding hot spots in infrared thermography or tissue imaging.

研究动机与目标

• 开发一种适用于高度散射介质（如生物组织）中漫射光子密度波（DPDW）的隐身机制。
• 解决在扩散光区域中使吸收性或散射性物体不可探测的挑战，该问题与医学成像和热成像密切相关。
• 将此前用于电磁波和声波的散射消除与罩层隐身技术扩展至由类赫姆霍兹方程控制的扩散光区域。
• 分析散射系数与吸收系数在隐身衣性能中的作用，并识别最优参数区域。
• 通过解析与数值方法证明DPDW宽带、非侵入式隐身的可行性。

提出的方法

• 基于具有复波数 $\kappa^2 = (i\omega - \upsilon\mu_a)/D$ 的光子扩散方程，推导出时谐类赫姆霍兹方程以描述DPDW的传播。
• 通过设计具有工程化扩散率 $D$ 和光子寿命的球形壳层，应用散射消除技术，以抵消总散射截面。
• 利用准静态近似，基于目标与壳层的散射和吸收系数，推导出散射消除的解析条件。
• 通过数值模拟验证多阶散射下的散射减少效果，采用代表生物组织的参数。
• 提出一种基于超薄壳层的罩层隐身方法，通过定制表面扩散阻抗（感抗）实现宽带散射抑制。
• 通过比较远场散射图案与波幅分布图，证明被隐身物体周围DPDW传播近乎均匀，模拟自由空间中的扩散行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 散射消除技术能否有效应用于浑浊介质中的漫射光子密度波？实现完全隐身的必要条件是什么？
• RQ2 隐身壳层的散射系数 $\mu_s'$ 与吸收系数 $\mu_a$ 如何影响散射截面的减少？
• RQ3 通过工程化表面阻抗实现的罩层隐身能否在DPDW中实现宽带隐身？其与扩散率调制壳层方法相比表现如何？
• RQ4 通过这些技术可实现的散射抑制定量极限是什么？是否可在所有角度与频率下实现？
• RQ5 隐身衣的物理参数（如扩散率、厚度、阻抗）如何影响波前畸变与整体隐身性能？

主要发现

• 通过优化壳层的扩散率与光子寿命，球形物体的散射截面（SCS）可降低至接近零水平，在 $\mu_s' = 7\ \text{cm}^{-1}$ 与 $\mu_a = -0.25\ \text{cm}^{-1}$ 处达到最小值。
• 数值模拟显示，在多阶散射下散射抑制可达约-45 dB，表明在扩散区域中实现近乎完全隐身。
• 当目标为散射体时，隐身衣性能对壳层散射系数高度敏感；当目标为吸收体时，则对吸收系数敏感，参数空间中SCS极小值呈现拉长形状，表明此影响显著。
• 远场散射图案证实，当使用优化参数时，散射与吸收物体在所有角度下均几乎不可探测。
• 采用定制表面阻抗的罩层隐身在宽频带范围内实现强散射抑制，波幅分布图中观察到极小的前向与后向散射。
• 本研究揭示了DPDW隐身中此前在热扩散或其他波场中未见的新数学与物理特性，表明为基于变换的隐身衣提供了独特的设计机遇。