Electromagnetic Scintillation[原版非扫描]: Electromagnetic Scintillation.pdf

Contents
Preface ........................................................................... xi
1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
2. Waves in Random Media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
2.1 Maxwell’s Equations in Random Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6
2.2 Describing Random Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
2.2.1 Stationary Random Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
2.2.2 Ensemble Averages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
2.2.3 The Spatial Covariance Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
2.2.4 The Structure-function Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
2.2.5 The Wavenumber-spectrum Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.2.6 The Wavenumber Spectrum of Irregularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
2.2.7 Describing Anisotropic Irregularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
2.2.8 Inhomogeneous Random Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
2.3 Tropospheric Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
2.3.1 Refractive-index Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
2.3.2 Values of C2n
Near the Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
2.3.3 Vertical Profiles of C2n
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62
2.3.4 Inner-scale Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 74
2.3.5 Anisotropy and the Outer Scale Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
2.4 Ionospheric Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84
2.4.1 The Ambient Ionosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
2.4.2 Observations of Ionospheric Irregularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90
2.4.3 A Description of Plasma Irregularities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
2.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
3. Geometrical Optics Expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
3.1 Solutions of the Eikonal Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 111
3.2 Nominal Ray Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 112
3.3 The Signal Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 116
3.4 The Signal Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
3.5 The Angle of Arrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 121
3.6 Validity Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 123
3.6.1 The Smooth-medium Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 124
3.6.2 The Caustic Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 126
3.6.3 The Diffraction Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 130
3.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 133
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
4. The Single-path Phase Variance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 136
4.1 Terrestrial Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
4.1.1 Microwave Phase Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 138
4.1.2 Optical Phase Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
4.1.3 A Basic Expression for the Phase Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 141
4.1.4 Frequency Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
4.1.5 Phase-variance Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
4.1.6 Anisotropic Media and Distance Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 147
4.1.7 Phase Trends and the Sample-length Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
4.1.8 Receiver-aperture Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
4.2 Satellite Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 160
4.2.1 GPS Range Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
4.2.2 The Ionospheric Influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
4.3 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 175
5. The Phase Structure Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 179
5.1 Terrestrial Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
5.1.1 Spherical Waves on Horizontal Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 181
5.1.2 Plane Waves and Collimated Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 191
5.1.3 The Effect of Atmospheric Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
5.1.4 Beam Waves on Horizontal Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 200
5.2 Microwave Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
5.2.1 Dϕ(ρ) for Atmospheric Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 204
5.2.2 Separation Scaling for the 2/3 Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 210
5.2.3 The Influence of the Sample Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 213
5.2.4 Microwave-interferometer Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 219
5.3 Optical Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226
5.3.1 Optical Interferometer Installations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228
5.3.2 Limitations on the Accuracy of Optical
Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 229
5.4 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 235
6. The Temporal Variation of Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
6.1 Atmospheric Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 240
6.1.1 Atmospheric Wind Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 241
6.1.2 Taylor’s Frozen-random-medium Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 242
6.1.3 The Locally Frozen Random-medium
Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 246
6.1.4 More General Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 249
6.2 The Single-path Variability of Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 250
6.2.1 Autocorrelation of Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 251
6.2.2 The Temporal Structure Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 256
6.2.3 The Phase Power Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 257
6.2.4 Wind-speed Variations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 266
6.2.5 The Influence of Phase Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 272
6.2.6 The Allan Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 273
6.3 The Phase Difference for Spherical Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 274
6.3.1 The Autocorrelation of the Phase Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 275
6.3.2 The Power Spectrum of the Phase Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 280
6.4 The Phase Difference for Plane Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 284
6.4.1 The Autocorrelation of the Phase Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 284
6.4.2 Phase-difference Power Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 286
6.5 Astronomical Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 287
6.5.1 The Time-shifted Phase Structure Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 288
6.5.2 The Autocorrelation of the Phase Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 290
6.5.3 The Allan Variance for Interferometric Data . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 290
6.5.4 The Frequency Stability of Arriving Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 296
6.5.5 Interferometric Power-spectrum Measurements . . . . . . . . . . . . . . . .. 298
6.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 308
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 312
7. Angle-of-arrival Fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 317
7.1 Measurement Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 318
7.1.1 Interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 319
7.1.2 Centroid Trackers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 321
7.2 Terrestrial Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 322
7.2.1 Plane Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 322
7.2.2 Spherical Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 323
7.2.3 Aperture Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 324
7.2.4 Beam Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 328
7.3 Optical Astronomical Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 333
7.3.1 Angular Position Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 334
7.3.2 The Spatial Correlation of Angular Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 338
7.3.3 The Angular-error Correlation for Adjacent Stars . . . . . . . . . . . . .. 344
7.3.4 Angular-error Averaging by Extended Sources . . . . . . . . . . . . . . . . .. 346
7.3.5 The Influence of Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 349
7.4 Microwave Tracking of Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 352
7.5 Radio Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 356
7.5.1 Ionospheric Influences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 357
7.5.2 Tropospheric Influences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 362
7.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 363
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 365
8. Phase Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 370
8.1 The Single-path Phase Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 370
8.1.1 Δε Gaussian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 371
8.1.2 Δε Non-Gaussian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 371
8.1.3 The Effect of Phase Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 372
8.1.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 374
8.2 The Phase Difference Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 376
8.2.1 The Predicted Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 376
8.2.2 Experimental Confirmations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 377
8.3 The Angle-of-arrival Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 379
8.4 Temporal Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 381
8.5 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 382
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 382
9. Field-strength Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 384
9.1 The Average Field Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 384
9.2 The Mutual Coherence Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 386
9.3 Frequency Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 387
9.4 Shortcomings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 388
9.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 389
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 390
Appendix A Glossary of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 391
Appendix B Integrals of Elementary Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 397
Appendix C Integrals of Gaussian Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 401
Appendix D Bessel Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 403
Appendix E Probability Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 414
Appendix F Delta Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 420
Appendix G Kummer Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 426
Appendix H Hypergeometric Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 429
Appendix I Aperture Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 432
Appendix J Vector Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 435
Appendix K The Gamma Function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 437
Author Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 441
Subject Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 447

:46bb 顶楼主！

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本帖最后由 masterchen 于 2009-10-23 01:01 编辑

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