电离层短波三维射线追踪及其应用研究

从三维射线追踪的Haselgrove方程出发,采用龙格-库塔法求解沿射线路径的电波传播参数,实现了电离层短波数字三维射线追踪,重点对数字三维射线追踪具体实现的一些关键问题处理进行了深入分析研究.本研究工作是结合传播工程技术问题开展的,以一类具体的电离层模型,给出了三维射线追踪在一些传播工程中的具体应用.     

基于二维解析射线追踪的短波电离层轨迹研究

考虑短波在电离层中通过单F层反射传播的情况,结合一种特定电离层电子浓度分布(准抛物)模型,利用二维解析射线追踪技术得到短波轨迹中参数的解析表达式.在此基础上分别对射线在频率固定、仰角变化及仰角固定、频率变化两种情况下的轨迹进行了讨论,得出频率和仰角对短波传输的地面距离及群路径的关系.最后对不同因子对轨迹的影响及短波轨迹进行了仿真.仿真结果表明,该方法在研究短波电离层传播轨迹中有很好的应用价值.     

短波时差定位中电离层参数对定位影响仿真

在短波波段,由于电离层反射传播,电波传播路径与实际地面距离存在较大差异,传统时差定位方法不再适用.文章提出一种基于电离层射线追踪技术的时差定位技术,在此基础上,仿真分析了电离层参数对定位精度的影响.结果表明:在准确获取电离层信息情况下,本方法可准确定位目标;电离层测量误差对定位精度影响较大;站点增加可提高定位精度,降低对电离层参数获取精度要求.仿真结果为短波时差定位系统研制以及电离层参数获取精度要求提供了理论依据.     

快速算法实现电离层短波射线追踪

在不考虑地磁场和碰撞的条件下,利用基于费尔马原理的射线微分方程,采用直线几何近似和变步长技术相结合的快速算法实现了电离层短波射线追踪,达到了保证精度的同时提高运算效率的目的。引入亚大模型和附加扰动影响的准抛物模型描述电离层电子浓度剖面,验证快速算法的准确性和高效性。仿真结果表明,快速算法能够适应各种复杂的电离层电子浓度剖面,在保证精度的同时更迅速地计算射线的传播轨迹。     

电离层三维射线追踪的快速计算方法

基于三维射线追踪的Haselgrove方程,实现了快速电离层短波数字的三维射线追踪.根据射线传播的几何关系,给出在电离层以下部分的射线参数计算方法.根据电子浓度梯度的变化和自适应Runge-Kutta法,给出了三维射线追踪中自适应改变积分步长的快速计算方法,并以准抛物电离层模型为例,讨论了利用本文方法与解析解相比的精度,以及与各种不同步长相比的时间和精度.结果表明:采用本文方法在相同精度下速度至少可以提高一个数量级.     

基于抛物方程的短波电离层传播数值模拟研究

短波电离层传播损耗的计算对电离层基础研究与短波通信、天波超视距雷达等应用有重要意义，以往主要采用半经验模型.文中基于电磁波传播的抛物方程方法，实现对短波电离层传播损耗空间分布的数值计算，该方法可同时考虑电磁波传播的折射、反射、绕射和吸收等效应.根据电子浓度剖面数据，仿真计算了不同频点和天线波束宽度情况下的电离层传播损耗，从折射效应引起的传播模式、反射点高度、地面落区位置方面，与射线描迹结果进行对比，两者具有一致性.此外，进一步仿真分析了电离层的吸收效应.研究结果初步表明了抛物方程方法预测电离层传播的有效性及其强大的功能.     

基于电离层色散的短波信道多径特性分析

短波链路不同传播模式的多径时延通常为0.5～2.0 ms，该文研究同一传播模式的多径时延，在考虑地磁场影响的情况下，将电离层短波传播的折射指数和射线追踪结合起来，给出了数值迭代算法，实现了用数值方法来描述电离层色散引起的多径时延，并进行了数值仿真，得出短波宽带通信的模拟带宽应为48 kHz。     

基于射线追踪方法的电离层点对点传播问题研究

短波通信和电离层斜向探测本质上都属于点对点传播问题,即固定收发站之间的传播问题,而点对点传播问题的本质是在发射点搜索出合适的仰角和方位角来实现射线的自动导引。射线追踪一直是研究高频波传播现象的工具,基于射线追踪的自导引技术可以实现点对点传播,但不同电离层模型对点对点传播的轨迹和精度会有影响。本文将基于数值射线追踪,利用牛顿自导引技术构建点对点传播模型,研究在分段准抛物(quasi parabolic segments, QPS)电离层模型以及国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型这两种不同电离层模型下点对点传播算法的稳健性和精确性问题。结果表明,在两种模型下本文算法均有较高的稳健性,但是QPS电离层模型下具有更快的运行速度,而IRI模型下有更高的精确性。     

基于射线追踪的TID期间电离层高阶效应及多普勒效应仿真

电离层行进式扰动(traveling ionospheric disturbance, TID)是一种常见的电离层扰动形式,对电磁波（如卫星导航）信号的传播过程有着重要影响. 为研究TID对卫星导航信号传播效应,本文基于三维射线追踪方法对导航信号在空间电离层磁等离子体的传播进行仿真,重点研究TID情况下电离层二阶效应和多普勒效应. 首先,通过在NeQuick电离层模型上添加电离层扰动建立TID仿真生成模型,该模型能够模拟多种尺度的TID结构;其次,基于我国南北方两个虚拟站点,仿真模拟得到导航信号在TID发生时的传播特性;然后,计算得到不同仰角和方位角时卫星导航信号的电离层二阶效应和多普勒效应等参数;最后,分析TID参数对电离层二阶效应和多普勒效应的影响. 仿真结果表明,在本文仿真参数下电离层二阶和多普勒效应在低射线仰角情况下更明显,TID多普勒效应和TID周期相关性明显.     

电离层吸收衰减预测方法的比较研究

本文对比分析了利用ITU半经验模型和3种电子碰撞模型预测天波链路电离层吸收衰减的方法.利用中国参考电离层模型和质谱仪非相干散射大气模型构建背景电离层和背景大气,在构建的背景环境中利用三维射线追踪方法仿真分析由半经验模型和3种电子碰撞模型计算得到的电离层吸收衰减与电波频率、出射仰角、大圆距离的关系.并进行了大圆距离100...     

一种新的射线追踪方法-三区分划处理法

从射线的矢量方程出发,假设射线折射角的变化和群路径的变化是平滑的,文章提出了三区分划处理法,把射线路径按照不同的物理规律分为平滑区、介电常数的“极小值”区和拐点区。拐点区和介电常数的“极小值”区并不重合,一般拐点区位于介电常数的“极小值”区两侧。当在拐点区和介电常数的“极小值”区射线平滑性有可能被破坏时,有必要进行针对性的处理。文中以二维的带有水平梯度的指数分层的电子浓度不均匀体等离子体频率分布为例,展示了三区分划处理法的必要性和在射线追踪中的优点。     

Wave packets, group velocities, and rays in lossy media revisited

A study prompted by discussions of the group velocity concept in absorptive media and the correctness of Maxwell's equation is presented. A simple model for a wave packet train is obtained by beating two waves with adjacent frequencies and wavenumbers. By extending frequencies and propagation vectors into the complex domain, it is shown that a consistent definition of real group velocity in absorptive media can be stated. Numerical examples are displayed, and theoretical and experimental aspects are briefly discussed. An extension of Hamilton's ray equations for absorptive media is given. This formalism is used for numerical ray tracing in an absorptive ionosphere. The arguments show that a physically meaningful definition of the group velocity in absorptive media is consistent with the Fermat principle and the special relativistic limitation on the speed of light     

闪光照相中转换屏的特性研究

在高能X光辐射照相系统中,通常将X光转换为可见光进行探测,在闪光机参数确定的情况下,转换屏的性能对照相系统灵敏度、空间分辨率起决定性作用。本文首先推导出了转换屏的量子效率公式;其次在考虑散射的情况下,建立了光子在转换屏中迁移时满足的扩散方程,推导出转换屏的调制传递函数(MTF)公式。     

基于改进射线描迹法的对流层斜延迟估计

该文针对传统对流层延迟模型和射线描迹法在估计对流层延迟方面的局限性,如效率低、成本高、精度受地表参数和探空数据限制等不足,提出一种基于改进射线描迹法的对流层斜延迟估计方法。该方法结合中纬度大气模式气象参数公式和UNB3m气象参数模型,改进了射线描迹法中折射率剖面的计算,克服了气象数据对射线描迹法的限制。选取亚洲地区10个站点2012年的气象数据,分别采用改进射线描迹法和传统对流层延迟模型估计各个站天顶方向至 高度角区间15个方向的对流层斜延迟,并与基于探空数据获取的对流层斜延迟真值进行比较,计算结果表明该方法的估计精度优于传统对流层延迟模型,为非气象数据情况下对流层斜延迟实时估计提供了新的思路。     

负双轴晶体光轴角和光线轴角推导的新方法

为了有助于人们更好的理解和区分双轴晶体的光轴角和光线轴角,以及对光在晶体中传播的理解,本文以负双轴晶体为例,根据光轴和光线轴的定义,从菲涅耳波面法线方程和光线方程出发,推导出了光轴角和光线轴角的表达式。作为对此新方法的验证,通过几何作图法得到了一致的结果,由此证明这一新方法是正确的。     

海上蒸发波导条件下电波传播的分析

抛物方程方法已经被广泛地应用于电磁波传播的研究,并成为解决电磁波传播问题主要的工具。应用抛物方程和电波传播的基本理论,计算了电磁波在蒸发波导和标准大气中的传输损耗,得到了电波的空间传播损耗图,与射线理论的射线描迹技术得到的结论是一致的,但是抛物方程方法求解速度快,具有很好的实时计算特性,并且能弥补目前射线描迹技术尚不能精确描述空间场分布的缺点,因此更具有实用价值。     

平面交叉型微透镜阵列的制作及成像特性研究

介绍了采用光刻离子交换工艺制作平面交叉型微透镜阵列的方法。利用积分形式的光线方程式讨论了平面交叉型微透镜的近轴光学特性，研究了微透镜的光线轨迹方程式和一些重要的近轴成像特性，利用ABCD定理得到了平面交叉型微透镜像距、焦距、像高、横向放大率和主平面位置的数学表达式，焦距的理论计算结果和实验数据吻合得很好。     

自聚焦棒耦合性能的分析

本文采用光线光学的原理分析了自聚焦棒（ＧＲＩＮ）的光学性能，在折射率分布为抛物线近似的条件下，推导出较为简单的ＧＲＩＮ中的光线轨迹方程，并实验测量了ＧＲＩＮ的耦合效率，从而由理论和实验两方面讨论ＧＲＩＮ的聚焦特性。     

类锥形发散梯度折射率纤维的光线传输及成像研究

本文研究一种指数型发散梯度折射率纤维的光线传输及近轴成像特性。从光线微分方程求得纤维中光线轨迹的解析解,并给出纤维透镜的高斯参(?)及物像计算公式。     

Displacement of rays in a turbulent medium

The Fokker-Planck equation associated with the fluctuation (ray) equation is derived. The resulting equation for an isotropic turbulence is in the form of a diffusion equation. It has been found that the diffusion coefficient is more naturally defined in terms of the logarithmic refractive index. In the limit of weak turbulence, the present definition reduces to the conventional one. For a general and arbitrary "initial" condition, certain moments of the diffusion equation have been obtained. These moments give 1) the probability of finding a ray with a given ray direction and given path length, and 2) the mean and mean-square position of the ray in a given direction and given path length.