第1章 大气折射理论概述

1.1 天文大气折射

1.2 中性大气折射延迟

1.3 近十年来大气折射研究进展

1.4 大气折射研究的一个可能方法

第2章 大气折射物理学基础

2.1 电磁现象的普遍规律

2.2 无界空间中的平面电磁波

2.3 电磁波的反射和折射

2.4 电磁波的散射和吸收及介质的色散

2.5 电磁波的传播形态

2.6 洛伦兹有效场和昂萨格有效电场

2.7 电介质的极化机理

2.8 电介质的介电系数及其温度系数

2.9 电介质损耗的基本概念

2.10 气体的物态方程.

2.11 气体分子运动论的基本概念

2.12 干洁大气与水汽

2.13 大气压力、压高公式和大气模型

第3章 大气折射理论基本概念

3.1 几何光学的基本电磁理论

3.2 几何光线的微分方程

3.3 几何光学的几个基本定理

3.4 雷达观测技术中的大气折射修正

3.5 子午环观测中的大气折射修正

3.6 人造地球卫星目视观测中的大气折射修正

3.7 蒙气差对天文观测成果的影响

3.8 空间大地测量技术中的大气折射修正

第4章 大气折射指数及其IUGG决议

4.1 中性气体色散的基本理论

4.2 电离气体色散的基本理论

4.3 不同波段折射率差的原理性公式

4.4 光学和近红外波段折射率差的IUGG模型

4.5 射电和微波波段折射率差的IUGG模型

第5章 天文大气折射的级数展开理论

5.1 天文大气折射的级数展开式

5.2 毫角秒理论精度的级数展开

5.3 大气折射积分中的有关参数

5.4 天文大气折射中的一个通用积分

5.5 有关数组的积分表达式

5.6 公式小结及其计算过程

5.7 数值计算与讨论

5.8 水汽改正的级数展开式

5.9 低高度角的级数展开式

第6章 大气折射延迟的级数展开理论

6.1 中性大气折射延迟的级数展开式

6.2 亚毫米理论精度的级数展开

6.3 中性大气折射延迟的一个通用积分

6.4 有关数组的积分表达式

6.5 公式小结及其计算过程

6.6 数值计算与讨论

6.7 级数展开形式的映射函数

6.8 水汽改正的级数展开式

6.9 干大气与水汽之间的耦合影响

6.10 低高度角的级数展开式

第7章 路径弯曲改正的级数展开理论

7.1 路径弯曲改正的原理性公式

7.2 路径弯曲改正的级数展开式

7.3 亚毫米理论精度的级数展开

7.4 有关数组的积分表达式(I)

7.5 有关数组的积分表达式(Ⅱ)

7.6 数值计算与讨论

7.7 萨斯塔莫伊宁1973公式

参考文献2100433B

空间大地测量学中大气折射理论内容简介

《空间大地测量学中大气折射理论》是测绘科技专著出版基金资助。

空间大地测量学中大气折射理论作者简介

张捍卫，河南理工大学教授，理学博士，博士生导师。河南省高校优秀中青年骨干教师，河南省教育厅学术技术带头人，河南省科技创新人才杰出青年基金获得者。主要从事空间大地测量学、动力大地测量学和天文地球动力学等方面的教学和研究工作。已出版专著3部，教材2部；在国内外核心期刊发表学术论文130余篇。

丁安民，河南理工大学教授，博士生导师。全国煤炭系统、教育部和河南省科技先进工作者，获得国家科委、国家科技部颁发的全国技术市场金桥大奖各1次，获得河南省科技进步一等奖1项、二等奖1项.河南省煤炭科技进步奖1项，河南省教委科技进步奖二等奖2项、三等奖1项。主要从事矿山塌陷区治理与测绘工程相关技术的教学和研究工作。已出版专著3部，教材1部；在国内外核心期刊发表学术论文50余篇。

雷伟伟，河南理工大学测绘学院讲师，硕士。主要为本科生讲授《大地测量学基础》、《误差理论与测量平差》、《控制大地测量学》先后土持或参与完成省部级科研项目，地方政府或企业委托余项，发表学术论文与教改论文10余篇。

冰洲石的两条折射光线中，一条光遵守普通的折射定律，称作寻常光（或o光）；另一条光不遵守普通的折射定律，称作非常光（或e光）。在冰洲石内，寻常光的传播速度与传播方向无关，是一个常量；非常光的传播速度则是与传播方向有关的变量。冰洲石内有一个特殊的方向，非常光沿这个方向传播的速度等于寻常光的速度。这个方向称作冰洲石的光轴。冰洲石的六个表面都是相同的菱形时，两个钝隅的连线便是光轴。

双折射现象的明显例子是方解石。透过方解石的菱面体就可以看到明显重影。

产生双折射现象可作如下解释：自然光射到冰洲石上的每一点，都会在冰洲石内产生两种子波：一种是球面波；另一种是以光轴为旋转轴的旋转椭球面波。根据惠更斯原理，子波的包络面便是新的波面。因此，两种子波便有两种波面，即有两种折射光。平行光斜入射到冰洲石的表面上，光轴在入射面内，射到A点的光在冰洲石内产生两个子波面（球面和旋转椭球面）；射到B点的光晚到一些，产生的两个子波都小一些；这时射到C点的光刚到达冰洲石表面。作这些子波的包络面CE和CF，则AE和AF就分别是A点产生的寻常光和非常光。

寻常光和非常光都是线偏振光。冰洲石内光线和光轴构成的平面称作主平面。寻常光的振动（电场强度）垂直于寻常光的主平面；非常光的振动（电场强度）则在非常光的主平面内。

如果地球是像月球这样无气的世界，上述计算将是准确的。然而，地球有空气的空气，其密度和折射率根据温度和压力而有很大差异。这使得空气在不同程度上折射光，影响地平线的外观。通常，刚刚高于地球表面的空气密度大于其在较高海拔处的密度。这使得其表面附近的折射率高于较高，这导致大致水平移动的光被向下折射。这使得到地平线的实际距离大于用几何公式计算的距离。在标准大气条件下，差值约为8%。这将上述使用的公制公式中的3.57因子改为约3.86。当条件接近标准时，该校正可以并且经常被应用为相当好的近似。当条件不寻常时，这种近似失败。屈光度受到温度梯度的强烈影响，每天都会有很大变化，尤其是在水中。在极端情况下，通常在春季，当温暖的空气覆盖冷水时，折射可以使光线跟随地球表面数百公里。相反的条件发生在例如沙漠中，其中表面非常热，如此热，低密度空气在较冷的空气下方。这导致光线向上折射，导致幻影效应，使得地平线的概念有点无意义。因此，在异常条件下折射效应的计算值仅为近似值。然而，已经尝试比上述简单近似更准确地计算它们。

在视觉波长范围之外，折射将不同。对于雷达（例如，对于波长为300到3毫米，即1到100 GHz之间的频率），地球的半径可以乘以4/3，以获得在公制公式中给出因子4.12的有效半径，即雷达天线将是超过几何水平15%或超过视觉7%。 4/3因子并不准确，如视觉情况下折射取决于大气条件。

负折射率（介电常数和磁导率同时为负）的问题是近年来国际上非常活跃的一个研究领域。当电磁波在负折射率材料中传播时，电场E、磁场B和波矢k三者构成左手螺旋关系，因而负折射率材料又称为左手性材料(left-handed materials)。Veselago 1968 年首次在理论设想了左手型材料。Pendry在1996年与1999年分别指出可以用细金属导线及有缝谐振环阵列构造介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工媒质。2001年，Smith等人沿用Pendry的方法，构造出了介电常数与磁导率同时为负的人工媒质，并首次通过实验观察到了微波波段的电磁波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的负折射现象。尽管初期人们对Smith等人的实验有许多争论，但2003年以来更为仔细的实验均证实了负折射现象。

产生负折射率现象有两类材料。一类材料是由于局域共振机制导致介电常数和磁导率同时为负，既材料具有有效的负折射率。这类材料又被称为特异材料（meta materials）。Smith等人的有缝谐振环阵列就属于特异材料。但是有缝谐振环阵列结构具有较大的损耗和较窄的负折射带宽，在应用中会受到许多限制。另一类材料是光子晶体，其本身并不具有有效的负折射率，但在某些特殊情况下光子能带的复杂色散关系会导致负折射现象。在光子晶体中，电磁波在周期结构中的Bragg散射机制起着主要作用。尽管局域共振机制和非局域的Bragg散射机制都会产生负折射现象，但两种机制各有特点。对于Bragg机制，人们已经了解的较为清楚，通过合适的光子晶体结构选取以及光子能带设计，可以得到所需的负折射通带。但Bragg机制要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，对微波波段将导致结构过大从而限制器件应用。另外，由于Bragg机制的非局域性，它对周期性结构的不完整性（如存在结构无序和缺陷）较为敏感。与Bragg机制相反，局域共振机制不要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，而且对无序和缺陷不敏感。但目前人们对利用局域共振机制设计负折射率材料的一些关键问题了解不够，例如如何增大负折射通带带宽、减小损耗等。提出另一种制备特异材料的方法，该方法利用在微波传输线中周期性加载集总电感-电容共振单元来实现有效负折射率。与Smith 等人的有缝谐振环阵列结构比较，周期性集总电感-电容共振结构不仅具有较小的损耗和较宽的负折射带宽，而且容易实现外场调控。

在负折射率材料中，电磁波的相速度（波矢方向）与群速度（波印廷矢量方向）的传播方向相反，很多光学现象，诸如折射、多普勒频移、切伦科夫辐射、甚至光压等都要倒逆过来。突破媒质衍射极限的平面成像是负折射率材料的一个重要应用，这方面的研究引起人们极大兴趣。由于负折射材料在基础研究及应用方面的重要意义，它被美国《科学》杂志列为2003年十大重大突破之一。有关负折射率材料的研究目前正在从深度和广度两个不同的层面迅速展开，许多新奇的理论与实验结果不断出现。以下仅列举与本申请书相关的3个方面新进展。

（1）有关光子在负折射率材料界面与表面的奇异传播行为的数值模拟结果发现，光子从正折射率材料向负折射率材料传播时，在界面上反射光与折射光并不是同时出现，而是反射光先出现，折射光经过一个称之为“电容充电”过程后再出现。类似的“电容充电”在光子势垒隧穿过程中也存在，但两者之间的是否有联系目前不清楚。

（2）有关含负折射率材料光子晶体的奇异输运行为发现，由正、负折射率材料组成的一维光子晶体中存在零平均折射率（n=0）能隙。该能隙不同于通常的Bragg能隙，即能隙的位置与晶格大小无关而且无序的影响很小。这方面的研究工作很活跃，将会拓宽人们对复杂人工结构中光子输运行为的认识。

（3）利用局域共振机制设计负折射率材料。现有的负折射率材料是建立在局域共振导致介电常数和磁导率同时为负（又被成为双负性材料）的基础上，提出一种新的机制来形成负折射率材料，即利用介电常数为正而磁导率为负（或介电常数为负而磁导率为正）的单负性材料单的交替周期性结构来实现有效负折射率。最近的研究表明特殊周期性集总电感-电容共振结构可以实现单负性材料，这方面的研究不仅使得负折射率材料的实现方式更为多样化，而且将加深人们对形成负折射率机制的认识。