利用地球卫星的无线电掩星技术--波动说处理法

《利用地球卫星的无线电掩星技术-波动说处理法》的主要宗旨是推导一非列司云期改盟补种纯波动说方法。给定点来自上某一谐波的振幅和相位用复谱级数形式来表示，其谱系数取决于介质的折射梯度、谱数和360百科波的初始条件。因此，因为折射梯度不为零，谱系数在介质中随位置而变化，但是在各向同性介质中它们不变。给定点处电磁场的总贡献可通过派村雨更策将频谱序列与所有频谱数相加来获得。频谱中的固定广相位点表示有助于场计算的主要邻域。

• 书名 利用地球卫星的无线电掩星技术--波动说处理法
• 出版时间 2011年5月
• 页数 479 页
• 定价 86 元
• ISBN 9787302232728

基本信息

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图书介绍

　　这里我们的目标是从观测到的接收波振幅和相位的时间序列复原谱系数。谱系数的量值与大气层的吸收有关，它相对于各向同性介质中分天乡如够架军着皇械即保持定常相位的相移与对波的该谱分量上大气折射远至副梯度的累积效应相关。谱系皮路念数的相移由折射率梯度引起的相位顺求混美建延迟谱密度函数给出。通过复原这既火式友团种谱密度函数，由这些量的形式积分关系式可得到折射梯度的剖面。尽管此类耐品承进首求且掌仅问题的全波动法因其复杂和麻烦而声名狼藉，但仍然可通过明智地使用渐近技术和平稳相位概念等方法将其数学部分变成易于处理菜情究关张束曲的提前省的形式。这里将在波动说范畴下处理射线理论中众所周知的一些专题，如射线、焦散、折射、散焦和多径，等等。

前言内容

来自　　精确地定量描搞京测直功界族述波穿过复杂介质的传播仍然是当代较困难的数学问题之一。20世纪，电动力学更试站十扬球眼中出现了麦克斯韦方程那威州胶歌感段云握困该的多种求解法，都包含这种或那种形式的近似。这些方法涵盖了从方程自身的近似(如WKB、扰动理论、抛物线方程、有限元、动态规划、用亥姆霍茨?基尔霍夫定理的标量衍射多相屏传播，等接海收等)，到适当辅以波/光混合和各种谱技术的纯射线理论法。而且，特别在波长相对于折射介质尺度为小量时，不得不进行解析的和几何的简化来使问题容易360百科处理。对声学、电动力学和地震学等不同领域的波传播文献进行比较，会发现难以计数的解析方法，有时还会发现同一种技术在不同领域应用时取不同的符号。

　　在波传播处理和推断介质日调包封证强某些物理特性的反演问联混点喜跳预两别万题中，用航天器探测折射介质的无线电掩星技术相对来说还是一个新事物。第一次感胜用航天器开展的行星掩星是在大约独研很激40年前利用NASA专宁飞死搞每里/JPL水手4号航天器经过火星背面完成的。在水手号与火星发生掩星的掩始期间，地面接收到的水手号无线电信号首次横切火星电离层和大气层。在水手号从火星降促那建稳水执今笔背面掩终时，水手号无线电信号再次穿过这些夫基六化装介质。使用射线理论技术(部分借用地震学技术)，这次初步试验成功获得了精确经营纸些体河的火星大气层垂直折射剖面以及元误溶材价站材相关密度和压力信息。

　　这些早期的射线理论技术在火星大气层那样的稀薄介质和其他行星大气层(如地球大气层)的上部区域中工作良好。但是，正如每个认真研究日出和日落的人都可以预见到的那样，且不说那些更加复杂的结构，怎吸六即使是简单的中等尺度分层结构的稠密大气，使用基础射线理论技术也会导致反演问讲世备菜题遇到困难。从发射机经不同路景化销轮龙妒日固犯厂径穿过大气层到达接收机的多条射生表裂可室规苗获线算顶线以及大气使各射线谱线加宽住销员周资愿铁，导致纯射线理论方法产生模糊问题和分析困难。而且，在至少不借助标量衍射理论的辅助时，射线理论在垂直于视线方向的空间维上强加了某种分辨率限制，即所谓第一菲涅耳区，该区类似于光学仪器中用来调整分辨率性能的爱里斑。由于基础射线理论的这些局限性，无线电掩星技术的研究者们早就转向了波/光学技术来解多径模糊度，并利用接近波动说所提供的极限合成孔径概念来增强分辨率。类木行星的厚大气层和加强这些行星环观测分辨率的愿望，导致了大约始于25年前的旅行者探测器执行的掩星试验中的一系列波/光学技术创新。近期出现携带有掩星测量GPS接收机(过去10年约6台，未来10年将大约翻倍)的低轨地球轨道器，导致了无线电掩星科学、分析技术的研究开发以及新仪器、数据信息系统的技术开发等方面的显著发展。地球的大气层远比我们太阳系中的邻居们的大气层易于进入。

　　这些现代反演技术在如地球对流层下部那样不利信号条件下基本上能工作得相当好，大致可分为基于谱/全息的或者基于标量衍射的技术。它们都使用一些与波相关的概念来复原接收射线的折射弯曲角，再通过某种射线理论反演处理来复原大气层垂直折射剖面。这种波?射线混合方法通常称为波/光学分析法。

目录

　　第1章利用地球卫星进行无线电掩星的背景和概述

　　1.1引言

　　1.1.1掩星技术的历史

　　1.1.2利用地球卫星的掩星

　　1.1.3全球定位系统

　　1.1.4定时

　　1.1.5星历

　　1.2GPS掩星观测量中包含的信息

　　1.2.1连通的相位

　　1.2.2采样率与垂直分辨率的关系

　　1.2.3无线电掩星数据的反演

　　1.2.4无线电掩星数据的融合

　　1.2.5射线和平稳性

　　1.2.6附加多普勒

　　1.3GPS掩星观测的科学应用

　　1.3.1气象

　　1.3.2气候

　　1.4多径引起的问题和一些补救措施

　　1.4.1谱/全息技术

　　1.4.2后向传播

　　1.4.3正则变换技术

　　1.4.4碰撞参数空间曲线

　　1.4.5全波动说

　　1.5概述

　　1.5.1第2章

　　1.5.2第3章

　　1.5.3第4章

　　1.5.4第5章

　　1.5.5第6章

　　1.5.6附录

　　1.6局限性和简化

　　1.6.1电离层

　　1.6.2将被掩GPS卫星置于无穷远处

　　1.6.3时间

　　1.6.4球对称

　　1.6.5共面性

　　1.6.6圆形

　　1.6.7将GPS信号当作谐波

　　1.7对后面章节的建议

　　参考文献

　　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

　　2.1引言

　　2.1.1多径情形

　　2.1.2第2章概述

　　2.2球形介质中的几何光学

　　2.2.1几何光学所谓的多径、阴影区和焦散

　　2.2.2稀薄大气条件

　　2.3薄相屏模型

　　2.3.1亥姆霍茨基尔霍夫积分定理

　　2.3.2碰撞参数的空间曲线

　　2.3.3菲涅耳相位屏

　　2.3.4用薄屏模型进行衍射分析的适宜性

　　2.3.5薄屏的相位剖面

　　2.3.6弯曲角扰动

　　2.3.7情况A: 折射率不连续性

　　2.3.8情况B: 标高的不连续性

　　2.3.9情况C: 温度垂直梯度的不连续性

　　2.4用一个薄相屏模型的多径

　　2.5标量衍射: 瑞利谢曼菲尔德积分

　　2.6平稳相位法

　　2.6.1几何光学法有效的必要条件

　　2.7利用薄屏/标量衍射的数值结果

　　2.7.1对温度下降速率不连续性的菲涅耳响应

　　2.7.2对折射率不连续性的菲涅耳响应

　　2.7.3边界层

　　2.8探测电离层中的边界

　　2.8.1边界上的菲涅耳效应

　　2.8.2边界上的振幅影响

　　2.8.3射线分裂

　　2.8.4边界上的多普勒信息

　　2.8.5用改进的电子密度模型分析菲涅耳效应

　　2.9菲涅耳相位扰动造成的复原折射率误差

　　2.10菲涅耳变换技术

　　2.10.1伴随约束A(u)≡1

　　2.10.2带多径的衍射积分

　　2.10.3数值例子

　　2.10.4菲涅耳混叠

　　2.10.5数值结果

　　参考文献

　　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

　　3.1引言

　　3.2标量势

　　3.2.1标量势的级数展开

　　3.3多次内部反射

　　3.4反射和透射波振幅的菲涅耳公式

　　3.4.1守恒原理

　　3.4.2散射角和散射强度

　　3.4.3焦散

　　3.5米氏散射理论: 获得边界上的散射系数

　　3.5.1外部入射波的透射和反射系数

　　3.5.2内部入射波的透射和反射系数

　　3.5.3总散射

　　3.6慢收敛问题

　　3.7谢曼菲尔德沃森变换

　　3.8用渐近展开式计算散射系数

　　3.9以相位复矢量表示的散射系数

　　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

　　3.11米氏散射理论的几何光学解释

　　3.12利用积分散射相位复矢量来计算米氏散射

　　3.13使用平稳相位技术解释散射

　　3.13.1平稳相位

　　3.13.2与峰脊造成的衍射相比较

　　3.13.3散射积分的平稳相位点

　　3.13.4残留彩虹效应

　　3.13.5透明折射球的渐近解

　　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

　　3.13.7散射相位的稳态值

　　3.13.8用平稳相位技术计算散射积分

　　3.14电动力学和几何光学中平稳相位概念的对偶性

　　3.15利用米氏散射理论的来自透明大折射球的衍射

　　3.15.1数值积分

　　3.15.2与薄屏/标量衍射结果的比较

　　3.16寻找彩虹

　　3.16.1折射球上的彩虹效应

　　3.16.2低地球轨道距离上的彩虹效应

　　3.16.3用三阶平稳相位技术估计彩虹效应

　　3.17极限情况

　　3.17.1全反射球

　　3.17.2几何光学解释

　　3.17.3极限情况: 强吸收球

　　3.17.4极限情况: 来自无穷半径球的反射

　　参考文献

　　第4章波在分层介质中的传播: 薄膜法

　　4.1引言

　　4.2薄膜概念

　　4.2.1笛卡儿分层

　　4.3特征矩阵

　　4.4分层介质当作离散层的堆叠

　　4.4.1n(x)=常数时的特征矩阵

　　4.4.2n(x)为分段常数时多个均匀层堆叠

　　4.4.3有效范围

　　4.4.4TM情况

　　4.5爱里层的特征矩阵

　　4.6外来和外出波及其转向点

　　4.6.1程路径和同相法路径

　　4.6.2散焦

　　4.7串接爱里层

　　4.8密切参数

　　4.8.1在转向点上

　　4.9作为基本函数的爱里函数

　　4.10波在柱形分层介质中的传播

　　4.11波在球形分层介质中的传播

　　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

　　参考文献

　　第5章在球形分层折射介质中的传播和散射

　　5.1引言

　　5.2分层线性介质中的麦克斯韦方程

　　5.2.1标量势函数

　　5.3修正的球形贝塞尔函数

　　5.4渐近形式

　　5.5在球形分层介质中修正的米氏散射

　　5.5.1外来波

　　5.5.2计算分层介质中的谱系数

　　5.5.3外出波

　　5.5.4在笛卡儿和球形分层相位量之间的对应关系

　　5.5.5吸收

　　5.6其他几何光学概念: 累积弯曲角、布格定律和散焦

　　5.6.1散焦

　　5.7其他渐近形式

　　5.7.3在转向点上WKB解的特性

　　5.8在球形分层介质中电磁波的谱表达式

　　5.8.1G/ν的特性

　　5.8.2密切参数法的精度

　　5.8.3数值比较

　　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

　　5.8.5渐近匹配外来波和外出波的谱系数

　　5.9用平稳相位法解释折射介质中的波动说

　　5.9.1相位复矢量的几何解释

　　5.9.2平稳相位条件

　　5.9.4平面波

　　5.9.5外来波的电磁场

　　5.9.6用平稳相位法计算电场矢量

　　5.9.7外出电场

　　5.9.8LEO处的电场

　　5.10几何光学和波动说的比较

　　5.10.1波动说和几何光学的比较

　　5.10.2系统间的对偶性

　　5.10.3计及发射信号GPS卫星距离有限波前弯曲的修正

　　5.11转向点上的电场

　　5.11.1爱里函数的傅里叶变换

　　5.11.2爱里函数的菲涅耳变换

　　5.12焦散和多径

　　5.12.1多径和焦散的数值例子

　　5.12.2多径的几何光学解释

　　5.12.3几何光学导出的振幅变化

　　5.12.4三阶理论

　　5.12.5散焦使多径谱宽度减小

　　5.12.6水蒸气和干燥空气的联合折射模型

　　5.13嵌有不连续性的球形折射介质中的谱系数

　　5.13.1折射梯度含不连续性的介质

　　5.13.2透明球嵌入折射介质

　　5.14来自嵌入折射介质全反射球的散射场

　　5.14.1平稳相位分析

　　5.14.2波动说的结果

　　5.14.3反射定律

　　参考文献

　　第6章反演问题: 用谱理论复原大气折射剖面

　　6.1引言

　　6.2GPS接收机的工作情况

　　6.2.1信号不利条件

　　6.2.2惯性外推

　　6.2.3来自单射线概念的折射率误差

　　6.3LEO处场的谱表示法

　　6.3.1LEO处停止的场

　　6.3.2倾斜因子

　　6.3.3多普勒的变化

　　6.4折射率复原

　　6.4.1超折射

　　6.4.2提高G(ν)的精度

　　6.4.3分辨率问题

　　6.5小结

　　参考文献

　　附录A多项推导

　　A.2散焦

　　A.3附加多普勒

　　A.4标量衍射理论

　　A.5第一菲涅耳区

　　A.6阿贝尔变换

　　A.7复原的折射率对误差源的敏感性

　　A.8边界附近弯曲角剖面的扰动

　　A.9弯曲角扰动

　　A.10折射率不连续性(情况A)引起的弯曲角扰动

　　A.11菲涅耳变换对

　　A.12射线路径相位延迟

　　参考文献

　　附录B焦散面

　　参考文献

　　附录C多射线路径的分离高度

　　C.1类型C: 不连续的温度下降速率

　　C.2类型B: 不连续的标高

　　C.3类型A: 不连续折射率

　　附录D三阶平稳相位理论

　　D.1最大闪烁

　　D.2阴影区内最小信号振幅

　　D.3平稳相位法的精度

　　参考文献

　　附录E高斯电子密度分布引起的弯曲

　　附录F跳周对复原折射率的影响

　　附录G使用谢曼菲尔德沃森变换

　　G.1引言

　　G.2用于全反射球

　　G.3用于折射球

　　G.4总散射

　　参考文献

　　附录H爱里层堆叠中的特征矩阵

　　附录I分层介质中的场方程

　　之间近等价的条件

　　数学符号

　　缩略语