利用地球衛星的無線電掩星技術：波動說處理法（簡體書）

《利用地球衛星的無線電掩星技術:波動說處理法》的主要宗旨是推導一種純波動說方法。給定點上某一諧波的振幅和相位用復譜級數形式來表示，其譜系數取決于介質的折射梯度、譜數和波的初始條件。因此，因為折射梯度不為零，譜系數在介質中隨位置而變化，但是在各向同性介質中它們不變。將譜級數在所有譜數上相加，就得到給定點上電磁場的總貢獻。譜數中的平穩相位點表示對場計算有貢獻的主要鄰域。這里我們的目標是從觀測到的接收波振幅和相位的時間序列復原譜系數。譜系數的量值與大氣層的吸收有關，它相對于各向同性介質中保持定常相位的相移與對波的該譜分量上大氣折射梯度的累積效應相關。譜系數的相移由折射率梯度引起的相位延遲譜密度函數給出。通過復原這種譜密度函數，由這些量的形式積分關系式可得到折射梯度的剖面。盡管此類問題的全波動法因其復雜和麻煩而聲名狼藉，但仍然可通過明智地使用漸近技術和平穩相位概念等方法將其數學部分變成易于處理的形式。這里將在波動說范疇下處理射線理論中眾所周知的一些專題，如射線、焦散、折射、散焦和多徑，等等。

作者：（美國）梅爾本（William G.Melbourne） 譯者：北京跟蹤與通信技術研究所 劉迎春 合著者：張濟生

第1章 利用地球衛星進行無線電掩星的背景和概述
1.1 引言
1.1.1 掩星技術的歷史
1.1.2 利用地球衛星的掩星
1.1.3 全球定位系統
1.1.4 定時
1.1.5 星歷
1.2 gps掩星觀測量中包含的信息
1.2.1 連通的相位
1.2.2 采樣率與垂直分辨率的關系
1.2.3 無線電掩星數據的反演
1.2.4 無線電掩星數據的融合
1.2.5 射線和平穩性
1.2.6 附加多普勒
1.3 gps掩星觀測的科學應用
1.3.1 氣象
1.3.2 氣候
1.4 多徑引起的問題和一些補救措施
1.4.1 譜/全息技術
1.4.2 后向傳播
1.4.3 正則變換技術
1.4.4 碰撞參數空間曲線
1.4.5 全波動說
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 附錄
1.6 局限性和簡化
1.6.1 電離層
1.6.2 將被掩gps衛星置于無窮遠處
1.6.3 時間
1.6.4 球對稱
1.6.5 共面性
1.6.6 圓形
1.6.7 將gps信號當作諧波
1.7 對后面章 節的建議
參考文獻

第2章 用薄相屏模型和標量衍射理論分析來自球形邊界的電磁波散射
2.1 引言
2.1.1 多徑情形
2.1.2
第2章 概述
2.2 球形介質中的幾何光學
2.2.1 幾何光學所謂的多徑、陰影區和焦散
2.2.2 稀薄大氣條件
2.3 薄相屏模型
2.3.1 亥姆霍茨基爾霍夫積分定理
2.3.2 碰撞參數的空間曲線
2.3.3 菲涅耳相位屏
2.3.4 用薄屏模型進行衍射分析的適宜性
2.3.5 薄屏的相位剖面
2.3.6 彎曲角擾動
2.3.7 情況a：折射率不連續性
2.3.8 情況b：標高的不連續性
2.3.9 情況c：溫度垂直梯度的不連續性
2.4 用一個薄相屏模型的多徑
2.5 標量衍射：瑞利謝曼菲爾德積分
2.6 平穩相位法
2.6.1 幾何光學法有效的必要條件
2.7 利用薄屏/標量衍射的數值結果
2.7.1 對溫度下降速率不連續性的菲涅耳響應
2.7.2 對折射率不連續性的菲涅耳響應
2.7.3 邊界層
2.8 探測電離層中的邊界
2.8.1 邊界上的菲涅耳效應
2.8.2 邊界上的振幅影響
2.8.3 射線分裂
2.8.4 邊界上的多普勒信息
2.8.5 用改進的電子密度模型分析菲涅耳效應
2.9 菲涅耳相位擾動造成的復原折射率誤差
2.10 菲涅耳變換技術
2.10.1 伴隨約束a(u)≡1
2.10.2 帶多徑的衍射積分
2.10.3 數值例子
2.10.4 菲涅耳混疊
2.10.5 數值結果
參考文獻

第3章 基于麥克斯韋方程的來自大透明球的散射：米氏散射理論
3.1 引言
3.2 標量勢
3.2.1 標量勢的級數展開
3.3 多次內部反射
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 散射角和散射強度
3.4.3 焦散
3.5 米氏散射理論：獲得邊界上的散射系數
3.5.1 外部入射波的透射和反射系數
3.5.2 內部入射波的透射和反射系數
3.5.3 總散射
3.6 慢收斂問題
3.7 謝曼菲爾德沃森變換
3.8 用漸近展開式計算散射系數
3.9 以相位復矢量表示的散射系數
3.10 在近地衛星處計算漢克函數和勒讓德函數的漸近形式
3.11 米氏散射理論的幾何光學解釋
3.12 利用積分散射相位復矢量來計算米氏散射
3.13 使用平穩相位技術解釋散射
3.13.1 平穩相位
3.13.2 與峰脊造成的衍射相比較
3.13.3 散射積分的平穩相位點
3.13.4 殘留彩虹效應
3.13.5 透明折射球的漸近解
3.13.6 譜數的平穩相位值與斯涅耳折射定律之間的對應關系
3.13.7 散射相位的穩態值
3.13.8 用平穩相位技術計算散射積分
3.14 電動力學和幾何光學中平穩相位概念的對偶性
3.15 利用米氏散射理論的來自透明大折射球的衍射
3.15.1 數值積分
3.15.2 與薄屏/標量衍射結果的比較
3.16 尋找彩虹
3.16.1 折射球上的彩虹效應
3.16.2 低地球軌道距離上的彩虹效應
3.16.3 用三階平穩相位技術估計彩虹效應
3.17 極限情況
3.17.1 全反射球
3.17.2 幾何光學解釋
3.17.3 極限情況：強吸收球
3.17.4 極限情況：來自無窮半徑球的反射
參考文獻

第4章 波在分層介質中的傳播：薄膜法
4.1 引言
4.2 薄膜概念
4.2.1 笛卡兒分層
4.3 特征矩陣
4.4 分層介質當作離散層的堆疊
4.4.1 n(x)=常數時的特征矩陣
4.4.2 n(x)為分段常數時多個均勻層堆疊
4.4.3 有效范圍
4.4.4 tm情況
4.5 愛里層的特征矩陣
4.6 外來和外出波及其轉向點
4.6.1 程路徑和同相法路徑
4.6.2 散焦
4.7 串接愛里層
4.8 密切參數
4.8.1 在轉向點上
4.9 作為基本函數的愛里函數
4.10 波在柱形分層介質中的傳播
4.11 波在球形分層介質中的傳播
4.12 笛卡兒分層和球形分層愛里層的特征矩陣的對應關系
參考文獻

第5章 在球形分層折射介質中的傳播和散射
5.1 引言
5.2 分層線性介質中的麥克斯韋方程
5.2.1 標量勢函數
5.3 修正的球形貝塞爾函數
5.4 漸近形式
5.5 在球形分層介質中修正的米氏散射
5.5.1 外來波
5.5.2 計算分層介質中的譜系數
5.5.3 外出波
5.5.4 在笛卡兒和球形分層相位量之間的對應關系
5.5.5 吸收
5.6 其他幾何光學概念：累積彎曲角、布格定律和散焦
5.6.1 散焦
5.7 其他漸近形式
5.7.1 dg［ρ+(ν)，ν］/dν等于α～(ν，ν),d2g［ρ+(ν)，ν］/dν2等于dα～(ν，ν)/dν
5.7.2 通過漸近線匹配確定y^＞0時g（y^）的形式
5.7.3 在轉向點上wkb解的特性
5.7.4 確定ρ≤ρ+(ν)時的g［ρ，ν］
5.8 在球形分層介質中電磁波的譜表達式
5.8.1 g/ν的特性
5.8.2 密切參數法的精度
5.8.3 數值比較
5.8.4 在愛里層中來自波動說和幾何光學的相位延遲的比較
5.8.5 漸近匹配外來波和外出波的譜系數
5.9 用平穩相位法解釋折射介質中的波動說
5.9.1 相位復矢量的幾何解釋
5.9.2 平穩相位條件
5.9.3 ψ(±，±)的平穩性
5.9.4 平面波
5.9.5 外來波的電磁場
5.9.6 用平穩相位法計算電場矢量
5.9.7 外出電場
5.9.8 leo處的電場
5.10 幾何光學和波動說的比較
5.10.1 波動說和幾何光學的比較
5.10.2 系統間的對偶性
5.10.3 計及發射信號gps衛星距離有限波前彎曲的修正
5.11 轉向點上的電場
5.11.1 愛里函數的傅里葉變換
5.11.2 愛里函數的菲涅耳變換
5.12 焦散和多徑
5.12.1 多徑和焦散的數值例子
5.12.2 多徑的幾何光學解釋
5.12.3 幾何光學導出的振幅變化
5.12.4 三階理論
5.12.5 散焦使多徑譜寬度減小
5.12.6 水蒸氣和干燥空氣的聯合折射模型
5.13 嵌有不連續性的球形折射介質中的譜系數
5.13.1 折射梯度含不連續性的介質
5.13.2 透明球嵌入折射介質
5.14 來自嵌入折射介質全反射球的散射場
5.14.1 平穩相位分析
5.14.2 波動說的結果
5.14.3 反射定律
參考文獻

第6章 反演問題：用譜理論復原大氣折射剖面
6.1 引言
6.2 gps接收機的工作情況
6.2.1 信號不利條件
6.2.2 慣性外推
6.2.3 來自單射線概念的折射率誤差
6.3 leo處場的譜表示法
6.3.1 leo處停止的場
6.3.2 傾斜因子
6.3.3 多普勒的變化
6.4 折射率復原
6.4.1 超折射
6.4.2 提高g+(ν)的精度
6.4.3 分辨率問題
6.5 小結
參考文獻

附錄A 多項推導
A.1 彎曲角和布格定律，式(2.2 -2)
A.2 散焦
A.3 附加多普勒
A.4 標量衍射理論
A.5 第一菲涅耳區
A.6 阿貝爾變換
A.7 復原的折射率對誤差源的敏感性
A.8 邊界附近彎曲角剖面的擾動
A.9 彎曲角擾動
A.10 折射率不連續性(情況a)引起的彎曲角擾動
a.11 菲涅耳變換對
a.12 射線路徑相位延遲
參考文獻
附錄B 焦散面
參考文獻
附錄C 多射線路徑的分離高度
C.1 類型C：不連續的溫度下降速率
C.2 類型B：不連續的標高
C.3 類型A：不連續折射率
附錄D 三階平穩相位理論
D.1 最大閃爍
D.2 陰影區內最小信號振幅
D.3 平穩相位法的精度
參考文獻
附錄E 高斯電子密度分布引起的彎曲
附錄F 跳周對復原折射率的影響
附錄G 使用謝曼菲爾德沃森變換
G.1 引言
G.2 用于全反射球
G.3 用于折射球
G.4 總散射
參考文獻
附錄H 愛里層堆疊中的特征矩陣
附錄I 分層介質中的場方程
附錄J α～(ν，ν)和dg+(ν)/dν以及dα～(ν，ν)/dν和d2g+(ν)/dν2之間近等價的條件
數學符號
縮略語