利用地球卫星的无线电掩星技术 波动说处理法PDF电子书下载

第1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述 1

1.1引言 1

1.1.1掩星技术的历史 2

1.1.2利用地球卫星的掩星 2

1.1.3全球定位系统 7

1.1.4定时 9

1.1.5星历 10

1.2GPS掩星观测量中包含的信息 11

1.2.1连通的相位 11

1.2.2采样率与垂直分辨率的关系 11

1.2.3无线电掩星数据的反演 12

1.2.4无线电掩星数据的融合 14

1.2.5射线和平稳性 15

1.2.6附加多普勒 17

1.3GPS掩星观测的科学应用 19

1.3.1气象 20

1.3.2气候 23

1.4多径引起的问题和一些补救措施 23

1.4.1谱/全息技术 26

1.4.2后向传播 29

1.4.3正则变换技术 33

1.4.4碰撞参数空间曲线 33

1.4.5全波动说 35

1.5概述 38

1.5.1第2章 38

1.5.2第3章 39

1.5.3第4章 40

1.5.4第5章 40

1.5.5第6章 42

1.5.6附录 48

1.6局限性和简化 49

1.6.1电离层 49

1.6.2将被掩GPS卫星置于无穷远处 49

1.6.3时间 50

1.6.4球对称 51

1.6.5共面性 51

1.6.6圆形 51

1.6.7将GPS信号当作谐波 51

1.7对后面章节的建议 52

参考文献 53

第2章用薄相屏模型和标量衍射理论分析来自球形边界的电磁波散射 62

2.1引言 62

2.1.1多径情形 63

2.1.2第2章概述 66

2.2球形介质中的几何光学 67

2.2.1几何光学所谓的多径、阴影区和焦散 70

2.2.2稀薄大气条件 72

2.3薄相屏模型 74

2.3.1亥姆霍茨-基尔霍夫积分定理 75

2.3.2碰撞参数的空间曲线 75

2.3.3菲涅耳相位屏 80

2.3.4用薄屏模型进行衍射分析的适宜性 81

2.3.5薄屏的相位剖面 82

2.3.6弯曲角扰动 83

2.3.7情况A：折射率不连续性 84

2.3.8情况B：标高的不连续性 86

2.3.9情况C：温度垂直梯度的不连续性 87

2.4用一个薄相屏模型的多径 87

2.5标量衍射：瑞利-谢曼菲尔德积分 91

2.6平稳相位法 93

2.6.1几何光学法有效的必要条件 96

2.7利用薄屏/标量衍射的数值结果 98

2.7.1对温度下降速率不连续性的菲涅耳响应 100

2.7.2对折射率不连续性的菲涅耳响应 103

2.7.3边界层 105

2.8探测电离层中的边界 106

2.8.1边界上的菲涅耳效应 108

2.8.2边界上的振幅影响 112

2.8.3射线分裂 113

2.8.4边界上的多普勒信息 117

2.8.5用改进的电子密度模型分析菲涅耳效应 118

2.9菲涅耳相位扰动造成的复原折射率误差 122

2.10菲涅耳变换技术 124

2.10.1伴随约束A（u）≡1 126

2.10.2带多径的衍射积分 126

2.10.3数值例子 127

2.10.4菲涅耳混叠 129

2.10.5数值结果 129

参考文献 133

第3章基于麦克斯韦方程的来自大透明球的散射：米氏散射理论 136

3.1引言 136

3.2标量势 139

3.2.1标量势的级数展开 140

3.3多次内部反射 142

3.4反射和透射波振幅的菲涅耳公式 144

3.4.1守恒原理 146

3.4.2散射角和散射强度 146

3.4.3焦散 149

3.5米氏散射理论：获得边界上的散射系数 151

3.5.1外部入射波的透射和反射系数 151

3.5.2内部入射波的透射和反射系数 154

3.5.3总散射 155

3.6慢收敛问题 157

3.7谢曼菲尔德-沃森变换 158

3.8用渐近展开式计算散射系数 159

3.9以相位复矢量表示的散射系数 164

3.10在近地卫星处计算汉克函数和勒让德函数的渐近形式 167

3.11米氏散射理论的几何光学解释 169

3.12利用积分散射相位复矢量来计算米氏散射 170

3.13使用平稳相位技术解释散射 172

3.13.1平稳相位 172

3.13.2与峰脊造成的衍射相比较 174

3.13.3散射积分的平稳相位点 175

3.13.4残留彩虹效应 178

3.13.5透明折射球的渐近解 181

3.13.6谱数的平稳相位值与斯涅耳折射定律之间的对应关系 184

3.13.7散射相位的稳态值 185

3.13.8用平稳相位技术计算散射积分 187

3.14电动力学和几何光学中平稳相位概念的对偶性 189

3.15利用米氏散射理论的来自透明大折射球的衍射 190

3.15.1数值积分 190

3.15.2与薄屏/标量衍射结果的比较 191

3.16寻找彩虹 194

3.16.1折射球上的彩虹效应 194

3.16.2低地球轨道距离上的彩虹效应 196

3.16.3用三阶平稳相位技术估计彩虹效应 197

3.17极限情况 200

3.17.1全反射球 200

3.17.2几何光学解释 205

3.17.3极限情况：强吸收球 206

3.17.4极限情况：来自无穷半径球的反射 209

参考文献 209

第4章波在分层介质中的传播：薄膜法 211

4.1引言 211

4.2薄膜概念 211

4.2.1笛卡儿分层 212

4.3特征矩阵 215

4.4分层介质当作离散层的堆叠 216

4.4.1n（x）=常数时的特征矩阵 216

4.4.2n（x）为分段常数时多个均匀层堆叠 217

4.4.3有效范围 220

4.4.4TM情况 220

4.5爱里层的特征矩阵 221

4.6外来和外出波及其转向点 224

4.6.1程路径和同相法路径 228

4.6.2散焦 230

4.7串接爱里层 232

4.8密切参数 236

4.8.1在转向点上 240

4.9作为基本函数的爱里函数 241

4.10波在柱形分层介质中的传播 242

4.11波在球形分层介质中的传播 247

4.12笛卡儿分层和球形分层爱里层的特征矩阵的对应关系 252

参考文献 254

第5章在球形分层折射介质中的传播和散射 256

5.1引言 256

5.2分层线性介质中的麦克斯韦方程 259

5.2.1标量势函数 260

5.3修正的球形贝塞尔函数 262

5.4渐近形式 265

5.5在球形分层介质中修正的米氏散射 266

5.5.1外来波 269

5.5.2计算分层介质中的谱系数 273

5.5.3外出波 277

5.5.4在笛卡儿和球形分层相位量之间的对应关系 278

5.5.5吸收 279

5.6其他几何光学概念：累积弯曲角、布格定律和散焦 279

5.6.1散焦 281

5.7其他渐近形式 284

5.7.1dG[ρ+（v），v]/dv等于?（v，v），d2G[ρ+（v），v]/dv2等于d?（v，v）/dv 289

5.7.2通过渐近线匹配确定?y＞0时g（?y)的形式 290

5.7.3在转向点上WKB解的特性 293

5.7.4确定ρ≤ρ+（v）时的G[ρ,v] 293

5.8在球形分层介质中电磁波的谱表达式 294

5.8.1?G?v的特性 296

5.8.2密切参数法的精度 298

5.8.3数值比较 302

5.8.4在爱里层中来自波动说和几何光学的相位延迟的比较 308

5.8.5渐近匹配外来波和外出波的谱系数 309

5.9用平稳相位法解释折射介质中的波动说 312

5.9.1相位复矢量的几何解释 313

5.9.2平稳相位条件 314

5.9.3ψ(士,士）的平稳性 315

5.9.4平面波 315

5.9.5外来波的电磁场 317

5.9.6用平稳相位法计算电场矢量 319

5.9.7外出电场 322

5.9.8LEO处的电场 323

5.10几何光学和波动说的比较 324

5.10.1波动说和几何光学的比较 325

5.10.2系统间的对偶性 328

5.10.3计及发射信号GPS卫星距离有限波前弯曲的修正 329

5.11转向点上的电场 330

5.11.1爱里函数的傅里叶变换 332

5.11.2爱里函数的菲涅耳变换 334

5.12焦散和多径 335

5.12.1多径和焦散的数值例子 336

5.12.2多径的几何光学解释 342

5.12.3几何光学导出的振幅变化 344

5.12.4三阶理论 344

5.12.5散焦使多径谱宽度减小 351

5.12.6水蒸气和干燥空气的联合折射模型 352

5.13嵌有不连续性的球形折射介质中的谱系数 356

5.13.1折射梯度含不连续性的介质 357

5.13.2透明球嵌入折射介质 364

5.14来自嵌入折射介质全反射球的散射场 365

5.14.1平稳相位分析 369

5.14.2波动说的结果 375

5.14.3反射定律 377

参考文献 379

第6章反演问题：用谱理论复原大气折射剖面 380

6.1引言 380

6.2GPS接收机的工作情况 381

6.2.1信号不利条件 384

6.2.2惯性外推 389

6.2.3来自单射线概念的折射率误差 391

6.3LEO处场的谱表示法 392

6.3.1LEO处停止的场 394

6.3.2倾斜因子 394

6.3.3多普勒的变化 396

6.4折射率复原 398

6.4.1超折射 404

6.4.2提高G+（v）的精度 407

6.4.3分辨率问题 409

6.5小结 410

参考文献 411

附录A多项推导 413

A.1弯曲角和布格定律，式（2.2-2） 413

A.2散焦 415

A.3附加多普勒 415

A.4标量衍射理论 420

A.5第一菲涅耳区 421

A.6阿贝尔变换 422

A.7复原的折射率对误差源的敏感性 423

A.8边界附近弯曲角剖面的扰动 423

A.9弯曲角扰动 426

A.10折射率不连续性（情况A）引起的弯曲角扰动 427

A.11菲涅耳变换对 428

A.12射线路径相位延迟 429

参考文献 430

附录B焦散面 432

参考文献 435

附录C多射线路径的分离高度 436

C.1类型C：不连续的温度下降速率 436

C.2类型B：不连续的标高 437

C.3类型A：不连续折射率 438

附录D三阶平稳相位理论 441

D.1最大闪烁 441

D.2阴影区内最小信号振幅 444

D.3平稳相位法的精度 447

参考文献 448

附录E高斯电子密度分布引起的弯曲 449

附录F跳周对复原折射率的影响 451

附录G使用谢曼菲尔德-沃森变换 454

G.1引言 454

G.2用于全反射球 457

G.3用于折射球 458

G.4总散射 461

参考文献 462

附录H爱里层堆叠中的特征矩阵 463

附录I分层介质中的场方程 468

附录J ?α（v，v）和dG+（v）/dv以及d?α（v，v）/dv和d2 G+（v）/dv2之间近等价的条件 470

数学符号 473

缩略语 478