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本书根据作者多年科研成果总结并参考国内外该领域的相关资料编写而成。
全书内容包括微波辐射基础、微波信号源、微波传感器、微波元件、介质特性微波测量、微波与物质相互作用、微波检测基本原理、微波检测主要方法、微波检测仪器设备、微波检测应用、微波成像及其在检测中的应用等。
全书取材先进，内容新颖，资料翔实，条理清晰，理论联系实际，既论及微波与物质相互作用机理，又重视微波检测方法及其应用实例。
本书的主要读者对象为化工、机械、电力、冶金、石油、地质、矿业、交通以及国防工业等从事无损检测、地球物理研究和复合材料工程质量安全控制的广大企事业工程技术人员。也可作为高等院校电子信息工程和测控与仪器仪表类的专业课程教材使用。
《光学散射与成像：前沿理论与应用》 图书简介 本书聚焦于现代光学散射理论的深度解析及其在各类成像技术中的前沿应用。全书结构严谨，内容深入浅出，旨在为光学、物理学、材料科学、生物医学工程等领域的科研人员、高级工程师以及研究生提供一本全面、权威的参考著作。 第一部分：光学散射的微观基础与理论模型 本部分深入探讨了光与物质相互作用的基本物理机制，为理解后续的散射理论奠定坚实的基础。 第一章：电磁波与物质的相互作用 1.1 麦克斯韦方程组的复习与介质响应函数： 详细回顾了宏观电磁场理论，重点分析了在时变电磁场作用下，物质的电极化率、磁化率以及介电常数和磁导率的频率依赖性。引入了线性与非线性响应理论，区分了各向同性与各向异性介质中的场分布特性。 1.2 散射的量子力学基础： 从量子电动力学的视角引入光子与电子的相互作用。讨论了费曼图在描述散射过程中的应用，并引入了光子散射截面的定义，区分弹性散射（如瑞利散射、米氏散射）和非弹性散射（如拉曼散射、康普顿散射）的微观机制差异。 1.3 波动光学中的散射理论（格林函数方法）： 详述了亥姆霍兹方程在无限大或有限尺寸散射体周围的解法。重点推导了亥姆霍兹格林函数在不同边界条件下的形式，并将其应用于描述平面波入射下散射场的远场渐近行为。 第二章：经典散射理论的定量描述 2.1 瑞利散射（Rayleigh Scattering）： 深入分析了尺寸远小于波长的散射体（如大气分子）的散射特性。详细推导了瑞利散射的角分布函数和偏振特性，并讨论了其在天空颜色形成中的作用。 2.2 米氏散射（Mie Scattering）： 提供了针对球形颗粒的精确解析解。本书着重于米氏系数（$i_1, i_2, i_3, i_4$）的物理意义及其与波长、颗粒尺寸参数（$x = 2pi r / lambda$）和复折射率的关系。通过大量图表展示了米氏散射在可见光和红外波段的复杂衍射和干涉现象。 2.3 弱散射与强散射的判据： 基于尺寸参数和折射率对比度定义了弱散射（可使用偶极子近似）和强散射（需采用多重散射或积分方程方法）的界限。 第三章：复杂介质中的多重散射与传输 3.1 辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE）： 建立了描述光子在随机介质中行进的宏观动力学方程。详细讨论了吸收、散射和发光项的物理内涵，并阐述了单次散射近似（SSA）的局限性。 3.2 扩散近似与有效介质理论： 在散射强度远大于吸收的条件下，推导了光子扩散方程。引入了平均自由程、散射相函数和吸收系数等关键参数，并探讨了各向异性散射对扩散过程的影响。 3.3 波动光学与传输理论的衔接： 探讨了如何从微观的波动散射理论过渡到宏观的传输理论，重点讨论了背景散射场与相干传输函数的关联。 第二部分：先进散射成像与反演技术 本部分将理论模型应用于实际的成像系统设计与数据处理，重点介绍如何利用散射特性来获取目标物体的结构信息。 第四章：相干散射成像（Coherent Scattering Imaging） 4.1 傅里叶光学与散射成像： 基于傅里叶变换光学原理，分析了散射场与目标物空间频谱之间的关系。讨论了散射引起的相干性衰减（相干时间与空间相干函数）。 4.2 数字全息显微技术（Digital Holography Microscopy, DHM）： 详细介绍了DH M记录散射场复振幅的方法，包括体外参考光和体外共轭参考光记录。重点分析了如何通过重建算法（如菲涅尔近似、夫琅禾费近似）获取样品的相位信息，并讨论了颗粒流体或活细胞成像中的应用。 4.3 偏振散射成像： 引入了斯托克斯矢量和穆勒矩阵来描述光场的偏振态在散射过程中的变化。详细分析了不同类型散射体（如纤维、生物组织）对偏振态的影响，并展示了如何利用偏振信息增强图像对比度和区分散射源。 第五章：时间分辨与超分辨散射成像 5.1 时间相关单光子计数（TCSPC）与门控成像： 介绍了利用光子到达时间信息来区分前向（Ballistic）光子、蛇形（Snake）光子和扩散（Diffuse）光子，从而提高散射介质穿透深度的技术。 5.2 弱值的概念与散射增强： 探讨了利用量子光学中的弱值增强（WVA）原理来提高对界面或微弱散射体的敏感度。分析了WVA在测量折射率变化或颗粒位置时的潜力。 5.3 基于散射的超分辨技术： 讨论了如何利用随机散射介质（如散射屏）作为“光场整形器”，实现突破衍射极限的成像。重点讲解了散射介质的转移矩阵（Transmission Matrix, TM）的测量、存储和反演过程。 第六章：光学反演与层析成像 6.1 逆散射问题（Inverse Scattering Problems）： 从数学上定义了从测量到的远场散射数据重构近场散射体分布的挑战。讨论了线性化近似（如Born近似、Rytov近似）的适用范围。 6.2 迭代反演算法： 详细介绍了常用的非线性迭代方法，如梯度下降法、共轭梯度法（CG）和混合梯度法。重点讨论了正则化技术（如Tikhonov正则化、L1范数正则化）在稳定病态反演问题中的关键作用。 6.3 散射层析成像（Optical Tomography）： 结合辐射传输理论，系统阐述了近红外扩散层析成像（DOT）和弹性光散射层析成像（E-OST）的原理。讨论了在生物组织成像中如何分离吸收和散射贡献，并展示了其在早期疾病检测中的进展。 第三部分：特定介质中的散射现象与应用 本部分将前述理论应用于几个关键的物理和工程领域，展示了散射技术解决实际问题的能力。 第七章：大气与遥感中的散射 7.1 气溶胶光学模型： 应用米氏和几何光学理论模型来描述云、雾和烟尘颗粒对太阳辐射和激光探测的影响。介绍了气溶胶光学厚度（AOD）的遥感反演方法。 7.2 激光雷达（LIDAR）中的后向散射： 详述了弹性激光雷达和拉曼激光雷达的工作原理。重点分析了水平能见度、混合层高度以及云层微物理参数（如水滴谱）的后向散射反演算法。 第八章：生物组织中的光散射特性 8.1 组织的光学异质性： 分析了细胞核、细胞器、胶原纤维等亚微米结构对光散射的贡献。区分了细胞尺度（瑞利/米氏混合）和组织尺度（扩散）的散射行为。 8.2 组织的光学参数测量： 介绍利用积分球系统、空间尺度扩展（SSE）技术和频域光谱学来准确测量活体组织的有效散射系数和各向异性因子。 8.3 基于散射的组织表征： 探讨了如何利用散射分析来评估组织病理状态，例如纤维化程度、肿瘤的细胞密度变化等，并将其与临床诊断技术相结合。 第九章：纳米颗粒与表面散射 9.1 等离激元散射（Plasmonic Scattering）： 深入探讨了金属纳米结构（如金、银纳米球和纳米棒）的表面等离激元共振现象。分析了局域表面等离激元（LSPR）如何极大地增强局部电磁场，及其在生物传感中的应用。 9.2 表面粗糙度对散射的影响： 阐述了基尔霍夫近似和佩德森近似在描述光束照射到具有随机粗糙表面的散射行为中的应用。分析了表面粗糙度参数（RMS高度和相关长度）如何影响镜面反射和后向散射的阈值。 本书配有大量的案例分析、仿真结果和实验数据，旨在帮助读者建立从基础物理到尖端工程应用的完整知识体系。
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