空間大地測量學(xué)中大氣折射理論

第1章 大氣折射理論概述

1.1 天文大氣折射

1.2 中性大氣折射延遲

1.3 近十年來大氣折射研究進展

1.4 大氣折射研究的一個可能方法

第2章 大氣折射物理學(xué)基礎(chǔ)

2.1 電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律

2.2 無界空間中的平面電磁波

2.3 電磁波的反射和折射

2.4 電磁波的散射和吸收及介質(zhì)的色散

2.5 電磁波的傳播形態(tài)

2.6 洛倫茲有效場和昂薩格有效電場

2.7 電介質(zhì)的極化機理

2.8 電介質(zhì)的介電系數(shù)及其溫度系數(shù)

2.9 電介質(zhì)損耗的基本概念

2.10 氣體的物態(tài)方程.

2.11 氣體分子運動論的基本概念

2.12 干潔大氣與水汽

2.13 大氣壓力、壓高公式和大氣模型

第3章 大氣折射理論基本概念

3.1 幾何光學(xué)的基本電磁理論

3.2 幾何光線的微分方程

3.3 幾何光學(xué)的幾個基本定理

3.4 雷達觀測技術(shù)中的大氣折射修正

3.5 子午環(huán)觀測中的大氣折射修正

3.6 人造地球衛(wèi)星目視觀測中的大氣折射修正

3.7 蒙氣差對天文觀測成果的影響

3.8 空間大地測量技術(shù)中的大氣折射修正

第4章 大氣折射指數(shù)及其IUGG決議

4.1 中性氣體色散的基本理論

4.2 電離氣體色散的基本理論

4.3 不同波段折射率差的原理性公式

4.4 光學(xué)和近紅外波段折射率差的IUGG模型

4.5 射電和微波波段折射率差的IUGG模型

第5章 天文大氣折射的級數(shù)展開理論

5.1 天文大氣折射的級數(shù)展開式

5.2 毫角秒理論精度的級數(shù)展開

5.3 大氣折射積分中的有關(guān)參數(shù)

5.4 天文大氣折射中的一個通用積分

5.5 有關(guān)數(shù)組的積分表達式

5.6 公式小結(jié)及其計算過程

5.7 數(shù)值計算與討論

5.8 水汽改正的級數(shù)展開式

5.9 低高度角的級數(shù)展開式

第6章 大氣折射延遲的級數(shù)展開理論

6.1 中性大氣折射延遲的級數(shù)展開式

6.2 亞毫米理論精度的級數(shù)展開

6.3 中性大氣折射延遲的一個通用積分

6.4 有關(guān)數(shù)組的積分表達式

6.5 公式小結(jié)及其計算過程

6.6 數(shù)值計算與討論

6.7 級數(shù)展開形式的映射函數(shù)

6.8 水汽改正的級數(shù)展開式

6.9 干大氣與水汽之間的耦合影響

6.10 低高度角的級數(shù)展開式

第7章 路徑彎曲改正的級數(shù)展開理論

7.1 路徑彎曲改正的原理性公式

7.2 路徑彎曲改正的級數(shù)展開式

7.3 亞毫米理論精度的級數(shù)展開

7.4 有關(guān)數(shù)組的積分表達式(I)

7.5 有關(guān)數(shù)組的積分表達式(Ⅱ)

7.6 數(shù)值計算與討論

7.7 薩斯塔莫伊寧1973公式

參考文獻2100433B

空間大地測量學(xué)中大氣折射理論內(nèi)容簡介

《空間大地測量學(xué)中大氣折射理論》是測繪科技專著出版基金資助。

空間大地測量學(xué)中大氣折射理論作者簡介

張捍衛(wèi)，河南理工大學(xué)教授，理學(xué)博士，博士生導(dǎo)師。河南省高校優(yōu)秀中青年骨干教師，河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，河南省科技創(chuàng)新人才杰出青年基金獲得者。主要從事空間大地測量學(xué)、動力大地測量學(xué)和天文地球動力學(xué)等方面的教學(xué)和研究工作。已出版專著3部，教材2部；在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文130余篇。

丁安民，河南理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。全國煤炭系統(tǒng)、教育部和河南省科技先進工作者，獲得國家科委、國家科技部頒發(fā)的全國技術(shù)市場金橋大獎各1次，獲得河南省科技進步一等獎1項、二等獎1項.河南省煤炭科技進步獎1項，河南省教委科技進步獎二等獎2項、三等獎1項。主要從事礦山塌陷區(qū)治理與測繪工程相關(guān)技術(shù)的教學(xué)和研究工作。已出版專著3部，教材1部；在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。

雷偉偉，河南理工大學(xué)測繪學(xué)院講師，碩士。主要為本科生講授《大地測量學(xué)基礎(chǔ)》、《誤差理論與測量平差》、《控制大地測量學(xué)》先后土持或參與完成省部級科研項目，地方政府或企業(yè)委托余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文與教改論文10余篇。

冰洲石的兩條折射光線中，一條光遵守普通的折射定律，稱作尋常光（或o光）；另一條光不遵守普通的折射定律，稱作非常光（或e光）。在冰洲石內(nèi)，尋常光的傳播速度與傳播方向無關(guān)，是一個常量；非常光的傳播速度則是與傳播方向有關(guān)的變量。冰洲石內(nèi)有一個特殊的方向，非常光沿這個方向傳播的速度等于尋常光的速度。這個方向稱作冰洲石的光軸。冰洲石的六個表面都是相同的菱形時，兩個鈍隅的連線便是光軸。

雙折射現(xiàn)象的明顯例子是方解石。透過方解石的菱面體就可以看到明顯重影。

產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象可作如下解釋：自然光射到冰洲石上的每一點，都會在冰洲石內(nèi)產(chǎn)生兩種子波：一種是球面波；另一種是以光軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球面波。根據(jù)惠更斯原理，子波的包絡(luò)面便是新的波面。因此，兩種子波便有兩種波面，即有兩種折射光。平行光斜入射到冰洲石的表面上，光軸在入射面內(nèi)，射到A點的光在冰洲石內(nèi)產(chǎn)生兩個子波面（球面和旋轉(zhuǎn)橢球面）；射到B點的光晚到一些，產(chǎn)生的兩個子波都小一些；這時射到C點的光剛到達冰洲石表面。作這些子波的包絡(luò)面CE和CF，則AE和AF就分別是A點產(chǎn)生的尋常光和非常光。

尋常光和非常光都是線偏振光。冰洲石內(nèi)光線和光軸構(gòu)成的平面稱作主平面。尋常光的振動（電場強度）垂直于尋常光的主平面；非常光的振動（電場強度）則在非常光的主平面內(nèi)。

如果地球是像月球這樣無氣的世界，上述計算將是準(zhǔn)確的。然而，地球有空氣的空氣，其密度和折射率根據(jù)溫度和壓力而有很大差異。這使得空氣在不同程度上折射光，影響地平線的外觀。通常，剛剛高于地球表面的空氣密度大于其在較高海拔處的密度。這使得其表面附近的折射率高于較高，這導(dǎo)致大致水平移動的光被向下折射。這使得到地平線的實際距離大于用幾何公式計算的距離。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，差值約為8%。這將上述使用的公制公式中的3.57因子改為約3.86。當(dāng)條件接近標(biāo)準(zhǔn)時，該校正可以并且經(jīng)常被應(yīng)用為相當(dāng)好的近似。當(dāng)條件不尋常時，這種近似失敗。屈光度受到溫度梯度的強烈影響，每天都會有很大變化，尤其是在水中。在極端情況下，通常在春季，當(dāng)溫暖的空氣覆蓋冷水時，折射可以使光線跟隨地球表面數(shù)百公里。相反的條件發(fā)生在例如沙漠中，其中表面非常熱，如此熱，低密度空氣在較冷的空氣下方。這導(dǎo)致光線向上折射，導(dǎo)致幻影效應(yīng)，使得地平線的概念有點無意義。因此，在異常條件下折射效應(yīng)的計算值僅為近似值。然而，已經(jīng)嘗試比上述簡單近似更準(zhǔn)確地計算它們。

在視覺波長范圍之外，折射將不同。對于雷達（例如，對于波長為300到3毫米，即1到100 GHz之間的頻率），地球的半徑可以乘以4/3，以獲得在公制公式中給出因子4.12的有效半徑，即雷達天線將是超過幾何水平15%或超過視覺7%。 4/3因子并不準(zhǔn)確，如視覺情況下折射取決于大氣條件。

負(fù)折射率（介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)）的問題是近年來國際上非?；钴S的一個研究領(lǐng)域。當(dāng)電磁波在負(fù)折射率材料中傳播時，電場E、磁場B和波矢k三者構(gòu)成左手螺旋關(guān)系，因而負(fù)折射率材料又稱為左手性材料(left-handed materials)。Veselago 1968 年首次在理論設(shè)想了左手型材料。Pendry在1996年與1999年分別指出可以用細(xì)金屬導(dǎo)線及有縫諧振環(huán)陣列構(gòu)造介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時為負(fù)的人工媒質(zhì)。2001年，Smith等人沿用Pendry的方法，構(gòu)造出了介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)的人工媒質(zhì)，并首次通過實驗觀察到了微波波段的電磁波通過這種人工媒質(zhì)與空氣的交界面時發(fā)生的負(fù)折射現(xiàn)象。盡管初期人們對Smith等人的實驗有許多爭論，但2003年以來更為仔細(xì)的實驗均證實了負(fù)折射現(xiàn)象。

產(chǎn)生負(fù)折射率現(xiàn)象有兩類材料。一類材料是由于局域共振機制導(dǎo)致介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)，既材料具有有效的負(fù)折射率。這類材料又被稱為特異材料（meta materials）。Smith等人的有縫諧振環(huán)陣列就屬于特異材料。但是有縫諧振環(huán)陣列結(jié)構(gòu)具有較大的損耗和較窄的負(fù)折射帶寬，在應(yīng)用中會受到許多限制。另一類材料是光子晶體，其本身并不具有有效的負(fù)折射率，但在某些特殊情況下光子能帶的復(fù)雜色散關(guān)系會導(dǎo)致負(fù)折射現(xiàn)象。在光子晶體中，電磁波在周期結(jié)構(gòu)中的Bragg散射機制起著主要作用。盡管局域共振機制和非局域的Bragg散射機制都會產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象，但兩種機制各有特點。對于Bragg機制，人們已經(jīng)了解的較為清楚，通過合適的光子晶體結(jié)構(gòu)選取以及光子能帶設(shè)計，可以得到所需的負(fù)折射通帶。但Bragg機制要求周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)要與能隙的電磁波波長相比擬，對微波波段將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過大從而限制器件應(yīng)用。另外，由于Bragg機制的非局域性，它對周期性結(jié)構(gòu)的不完整性（如存在結(jié)構(gòu)無序和缺陷）較為敏感。與Bragg機制相反，局域共振機制不要求周期結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)要與能隙的電磁波波長相比擬，而且對無序和缺陷不敏感。但目前人們對利用局域共振機制設(shè)計負(fù)折射率材料的一些關(guān)鍵問題了解不夠，例如如何增大負(fù)折射通帶帶寬、減小損耗等。提出另一種制備特異材料的方法，該方法利用在微波傳輸線中周期性加載集總電感-電容共振單元來實現(xiàn)有效負(fù)折射率。與Smith 等人的有縫諧振環(huán)陣列結(jié)構(gòu)比較，周期性集總電感-電容共振結(jié)構(gòu)不僅具有較小的損耗和較寬的負(fù)折射帶寬，而且容易實現(xiàn)外場調(diào)控。

在負(fù)折射率材料中，電磁波的相速度（波矢方向）與群速度（波印廷矢量方向）的傳播方向相反，很多光學(xué)現(xiàn)象，諸如折射、多普勒頻移、切倫科夫輻射、甚至光壓等都要倒逆過來。突破媒質(zhì)衍射極限的平面成像是負(fù)折射率材料的一個重要應(yīng)用，這方面的研究引起人們極大興趣。由于負(fù)折射材料在基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面的重要意義，它被美國《科學(xué)》雜志列為2003年十大重大突破之一。有關(guān)負(fù)折射率材料的研究目前正在從深度和廣度兩個不同的層面迅速展開，許多新奇的理論與實驗結(jié)果不斷出現(xiàn)。以下僅列舉與本申請書相關(guān)的3個方面新進展。

（1）有關(guān)光子在負(fù)折射率材料界面與表面的奇異傳播行為的數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光子從正折射率材料向負(fù)折射率材料傳播時，在界面上反射光與折射光并不是同時出現(xiàn)，而是反射光先出現(xiàn)，折射光經(jīng)過一個稱之為“電容充電”過程后再出現(xiàn)。類似的“電容充電”在光子勢壘隧穿過程中也存在，但兩者之間的是否有聯(lián)系目前不清楚。

（2）有關(guān)含負(fù)折射率材料光子晶體的奇異輸運行為發(fā)現(xiàn)，由正、負(fù)折射率材料組成的一維光子晶體中存在零平均折射率（n=0）能隙。該能隙不同于通常的Bragg能隙，即能隙的位置與晶格大小無關(guān)而且無序的影響很小。這方面的研究工作很活躍，將會拓寬人們對復(fù)雜人工結(jié)構(gòu)中光子輸運行為的認(rèn)識。

（3）利用局域共振機制設(shè)計負(fù)折射率材料?，F(xiàn)有的負(fù)折射率材料是建立在局域共振導(dǎo)致介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)（又被成為雙負(fù)性材料）的基礎(chǔ)上，提出一種新的機制來形成負(fù)折射率材料，即利用介電常數(shù)為正而磁導(dǎo)率為負(fù)（或介電常數(shù)為負(fù)而磁導(dǎo)率為正）的單負(fù)性材料單的交替周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)有效負(fù)折射率。最近的研究表明特殊周期性集總電感-電容共振結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)單負(fù)性材料，這方面的研究不僅使得負(fù)折射率材料的實現(xiàn)方式更為多樣化，而且將加深人們對形成負(fù)折射率機制的認(rèn)識。