现代大气光学

现代大气光学
出版时间：2012年版
内容简介
　　大气光学特性在气象、气候和天文观测等基础和应用研究以及激光大气传输、环境监测、遥感、自适应光学技术、自由空间光通讯等光电工程应用中具有十分重要的作用。大气光学性质决定了大气辐射平衡;各种先进光电技术的应用场景绝大部分都位于地球大气层内或通过大气路径，相关光电系统的功能受到大气光学特性不同程度的影响。现代大气光学涉及到光学、大气辐射学、大气湍流、光散射理论、随机介质中的波传播理论、辐射传输理论。《现代大气光学》全面阐述现代大气光学的研究内容和方法，主要包括大气的光学性质、大气折射、分子吸收和散射、气溶胶粒子光散射、光在混浊大气中的传播、光在湍流大气中的传播、大气中的成像、以及大气性质的光学探测方法和技术。《现代大气光学》为大气光学研究和相关光电工程应用提供最基本的数据、应用模式和基本工具；反映大气光学研究的最新和最重要进展，使之成为相关研究的有益参考书。
目录
引言
0.1 古老而又年轻的学科
0.2 大气对光学的影响举例
0.3 现代大气光学概念
0.4 大气分子吸收及其应用
0.5 气溶胶粒子光学特性、混浊介质光传播和大气探测
0.6 大气湍流光学性质及其应用
0.7 激光大气传输
0.8 大气光学模式和应用软件
0.9 本书的撰写动机
第1章 光学基本参量和基本规律
1.0 引言
1.1 光波基本参量与基本类型
1.1.1 基本光学量
1.1.2 偏振及Stokes参量
1.1.3 光场的相位及其奇性
1.1.4 光波的基本类型
1.2 光学辐射及其基本定律
1.2.1 光辐射及谱线特征
1.2.2 黑体辐射定律
1.2.3 电偶极辐射
1.3 光波基本传播规律
1.3.1 波动方程
1.3.2 光的直线传播:几何光学近似
1.3.3 Huygens-Fresnel原理与衍射
1.3.4 孔径衍射
1.3.5 粒子的光散射
1.3.6 辐射传输方程
1.4 光学系统的像差与光学质量
1.4.1 相位的Zernike多项式表达与像差
1.4.2 光学质量评价方法
1.5 自然光源
1.5.1 天球坐标系和太阳与地球间的几何关系
1.5.2 太阳辐射及月球的反射
1.5.3 恒星辐射
1.6 地表的反射与辐射特性
1.6.1 非均匀界面的反射特性及双向反射分布函数BRDF
1.6.2 典型地表的反射特性
1.6.3 典型地表的辐射特性
1.7 小结
参考文献
第2章 大气的基本物理特性
2.0 引言
2.1 大气成分与结构
2.1.1 大气成分
2.1.2 大气结构
2.2 云、雾粒子和雨滴
2.3 大气气溶胶粒子
2.4 大气中的风结构
2.5 大气湍流及大气边界层
2.6 大气特性的随机性及其定量描述
参考文献
第3章 大气的光学特性及其应用模式
3.0 引言
3.1 标准大气及应用模式
3.1.1 美国标准大气及模式大气
3.1.2 大气折射率及高度廓线
3.2 大气气体分子的吸收光谱特性
3.2.1 大气主要吸收气体分子的结构
3.2.2 紫外大气分子吸收特征
3.2.3 可见和近红外大气分子吸收特征
3.2.4 红外大气分子吸收特征
3.2.5 大气分子吸收光谱参数数据库HITRAN
3.3 大气气溶胶粒子光学特性及其应用模式
3.4 云、雾粒子和雨滴的光学特性及其应用模式
3.5 大气湍流的光学特性及其应用模式
参考文献
第4章 大气分子对光的折射、散射和吸收
4.0 引言
4.1 球面平行大气中的折射
4.1.1 大气中的光线轨迹
4.1.2 天文折射
4.1.3 空气质量
4.1.4 大气延迟
4.1.5 落日形变(曙暮光)
4.2 地面非均匀大气中的折射
4.2.1 海市蜃楼
4.2.2 大地测量
4.3 大气分子的Rayleigh散射
4.3.1 Rayleigh散射
4.3.2 退偏振修正
4.3.3 模式大气的Rayleigh散射特性
4.4 大气分子的吸收
4.4.1 单谱线吸收
4.4.2 分立谱线吸收的逐线积分方法
4.4.3 大气分子吸收的谱带模式
4.4.4 大气分子吸收计算的光谱映射方法
4.5 非均匀路径的大气分子吸收
4.5.1 等效谱带模式
4.5.2 相关k分布方法
4.5.3 MODTRAN方案
参考文献
第5章 大气云雾和气溶胶粒子的光散射
5.0 引言
5.1 球体粒子的光散射——Mie理论
5.1.1 入射光和散射光的球谐函数展开
5.1.2 散射光的分布和散射参量
5.1.3 Mie散射的数值计算方法
5.1.4 双层球体粒子的光散射特性
5.1.5 水云、雾和雨滴的光散射特性
5.2 无限长圆柱粒子的光散射
5.3 旋转对称粒子的光散射
5.3.1 T矩阵与扩展边界条件法
5.3.2 T矩阵在旋转对称粒子散射问题中的应用
5.4 旋转对称椭球粒子的散射特性
5.5 规则冰晶大粒子的光散射特性
5.6 任意形状粒子的光散射
5.7 非均匀粒子光散射的等效性
5.7.1 非均匀粒子光散射等效性的分析方法
5.7.2 外混合球形粒子光散射的等效性
5.7.3 內混合球形粒子光散射的等效性
5.8 小结
参考文献
第6章 大气辐射传输理论与算法
6.0 引言
6.1 大气中的辐射传输方程及其形式解
6.1.1 平行平面大气中的辐射传输方程
6.1.2 平行平面大气中的辐射传输的边界条件
6.1.3 大气辐射传输方程的形式解
6.1.4 单次散射近似解
6.2 散射相函数及辐射传输方程的离散化
6.2.1 散射相函数的Legendre多项式展开
6.2.2 辐射传输方程的离散化
6.3 辐射传输方程的二流近似及相关近似解
6.3.1 二流近似解的基本形式
6.3.2 Eddington近似解
6.3.3 相函数δ函数化后的近似解
6.3.4 广义二流近似解的通用形式
6.4 辐射传输的离散坐标(DISORT)算法
6.4.1 单一均匀介质的DISORT算法
6.4.2 分层均匀介质的DISORT算法
6.5 光谱辐射亮度的精确求解
6.5.1 散射相函数的δ-M处理方法
6.5.2 光谱辐射亮度的修正方法
6.6 常用算法软件和标准谱辐射传输问题
6.6.1 常用算法软件
6.6.2 DISORT
6.6.3 标准辐射传输问题
6.6.4 LOWTRAN/MODTAN/FASCODE
6.7 小结
参考文献
第7章 混浊大气中的辐射传输问题
7.0 引言
7.1 激光的大气透过率
7.2 红外大气透过率和辐射量修正
7.3 天空背景辐射亮度
7.3.1 可见光天空背景辐射亮度
7.3.2 可见光天空背景辐射亮度光谱特征
7.3.2 可见光天空背景辐射亮度光谱特征
7.3.4 强吸收波段的地球大气背景辐射亮度
7.3.5 地球大气背景辐射的偏振特性
7.4 大气中的视觉和大气能见度
7.4.1 均匀大气中的视觉问题
7.4.2 气象视距和大气能见度
7.4.3 非均匀大气中的能见度问题
7.5 大气中的辐射收支平衡
7.6 小结
参考文献
第8章 湍流大气中光传播的分析方法
8.0 引言
8.1 湍流大气光传播的定性分析
8.1.1 大气湍流对光传播影响的重要性
8.1.2 相位和到达角起伏的启发式分析
8.1.3 空间相干性的启发式分析
8.1.4 光强起伏的启发式分析
8.2 抛物型方程和光传播的数值模拟
8.2.1 抛物型方程
8.2.2 多层相位屏数值模拟
8.2.3 湍流相位屏的构造
8.2.4 光传播模拟的数值问题
8.2.5 平面波、球面波、Gauss光束和非理想波型的模拟
8.2.6 数值模拟典型结果
8.3 几何光学近似、Rytov近似和谱分析方法
8.3.1 几何光学近似及谱分解法
8.3.2 Rytov微扰近似及谱分解法
8.4 Markov近似和场的统计矩方程
8.5 Huygens-Fresnel相位近似法
8.6 球面波和Gauss光束的情况
8.7 小结
参考文献
附录A 随机函数的谱分解
第9章 湍流大气中的光传播效应
9.0 引言
9.1 空间相干性退化和相位起伏
9.1.1 空间相干性退化
9.1.2 相位起伏
9.2 到达角起伏
9.2.1 干涉仪中的到达角起伏
9.2.2 孔径上的相位起伏和到达角起伏
9.3 相位校正与自适应光学技术
9.3.1 湍流大气光传播的相位校正原理
9.3.2 湍流大气光传播的相位校正技术
9.4 光强起伏(闪烁效应)
9.4.1 弱起伏条件下的闪烁效应
9.4.2 强起伏条件下的闪烁效应
9.4.3 闪烁强度的普适模型
9.4.4 有限面积上的光强起伏及孔径平均
9.5 光波起伏的概率分布与分形特征
9.5.1 光波起伏的概率分布特征
9.5.2 光强起伏的间歇性特征
9.6 光波起伏的时间频谱特征
9.6.1 光波起伏的时间频谱
9.6.2 光波起伏频谱的高频幂律的拟合方法
9.6.3 湍流谱形状的影响
9.6.4 Gauss光束的光波起伏频谱特征
9.6.5 有限孔径和饱和情况下的光波起伏频谱
9.7 激光束传播效应
9.7.1 激光束的漂移
9.7.2 激光束的扩展
9.7.3 光强图像的光学质量与特征尺度
9.7.4 光斑的分形结构与相位奇点
9.7.5 聚焦光束的焦移
参考文献
第10章 高能激光大气传输的热晕及综合效应
10.0 引言
10.1 热晕效应的物理图像
10.2 热晕的流体力学模型
10.3 简单情况下的热晕解析解
10.3.1 瞬变热晕时的密度时间演化特征
10.3.2 柱坐标系下求解密度变化
10.3.3 热晕时的相位变化
10.3.4 热晕光斑的基本特征
10.4 热晕的数值模拟方法
10.4.1 瞬变热晕的数值模拟方法
10.4.2 稳态热晕的数值模拟方法
10.4.3 热晕模拟的数值问题
10.5 热晕效应的定标规律
10.5.1 纯热晕效应的经验公式
10.5.2 热晕和湍流的相互作用
10.5.3 热晕效应的相位校正
10.6 高能激光大气传输的综合效果
参考文献
第11章 混浊和湍流大气中的光学成像
11.0 引言
11.1 大气介质与成像系统的调制传递函数
11.1.1 光场相干函数与成像系统的调制传递函数
11.1.2 背景光下大气介质中的成像
11.2 大气湍流介质的光学传递函数与图像分辨率
11.2.1 大气湍流介质的光学传递函数
11.2.2 湍流大气中望远镜的分辨本领
11.3 大气混沌介质的调制传递函数
11.3.1 大气混沌介质调制传递函数的近似解析结果
11.3.2 大气混沌介质调制传递函数的数值计算结果
11.3.3 大气混浊介质调制传递函数的实测结果
11.3.4 混浊介质调制传递函数的一般形式
11.4 图像大气影响的修正方法和技术
11.4.1 自适应光学实时校正技术
11.4.2 图像处理方法
11.4.3 基于成像过程的大气影响修正技术
11.5 小结
参考文献
第12章 大气探测的光学方法与技术
12.0 引言
12.1 光学遥感技术中的反演方法
12.1.1 反演问题的数学模型
12.1.2 线性约束反演方法
12.2 大气吸收光谱和透过率测量技术
12.2.1 长程高分辨率大气吸收光谱测量技术
12.2.2 高分辨率大气吸收光谱测量方法
12.2.3 实际大气透过率和吸收光谱测量技术
12.2.4 利用太阳辐射测量整层大气光学厚度
12.3 大气气溶胶粒子光散射技术
12.3.1 大气气溶胶粒子尺度散射测量技术:光学粒子计数器
12.3.2 大气介质散射特性测量技术:能见度仪、积分和极角浊度计
12.3.3 从散射相函数反演大气气溶胶粒子谱分布
12.4 大气后向散射技术:激光雷达
12.4.1 激光雷达工作原理
12.4.2 激光雷达方程求解方法
12.4.3 差分激光雷达探测大气吸收气体成分
12.4.4 通过硬件技术求解激光雷达方程
12.4.5 Doppler测风激光雷达技术
12.5 大气湍流特性测量技术
12.5.1 局域湍流强度测量技术:温度脉动法和折射率脉动法
12.5.2 路径平均的湍流强度测量技术:闪烁法和到达角起伏法
12.5.3 湍流功率谱和特征尺度的测量技术
12.5.4 大气湍流强度廓线的测量
12.6 小结
参考文献