太赫兹脉冲大气传输衰减特性

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,渗透于所有的太赫兹应用技术领域。研究基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(JPL)数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,对0.1 THz~1 THz频段太赫兹辐射在水汽中的吸收衰减特性进行了数值模拟研究,与现有的文献数据进行了比对。通过计算太赫兹脉冲大气传输,分析不同水汽密度和传输距离对波形幅值、相位及频谱特性的影响,得到了3个比较稳定的太赫兹脉冲大气传输窗口0.14 THz~0.17 THz、0.19 THz~0.32 THz和0.32 THz~0.37 THz,为太赫兹通信和时域太赫兹空间传输提供了理论参考。     

太赫兹波大气分层传输特性

基于修正的Van-Vleck Weisskopf(VVW)线型,辐射传输色散理论和水汽连续体吸收模型,结合HITRAN数据库,建立了太赫兹(THz)波大气传输衰减和色散模型,并与毫米波传播模型(MPM)的结果进行了对比分析。加入新的天顶分层方法,形成了对宽频THz波在真实大气中纵向传输吸收衰减和色散的数值模拟能力。研究了不同传输距离下THz波大气分层传输衰减与色散特性、340 GHz和410 GHz窗口特性。研究结果表明：340 GHz和410 GHz大气窗口垂直传输10 km以上,衰减分别低于25 dB和45 dB,群速色散很低,相位变化在0.01个量级,信号传输失真度小。     

沙尘环境下太赫兹波衰减特性

对沙尘环境下太赫兹波衰减特性进行研究,在国际电信联盟(ITU)大气衰减模型的基础上,增加了不同类型沙尘的影响.基于大气毫米波传播模型(MPM)预测了1 THz内大气衰减特性;根据Mie散射理论计算了太赫兹波在沙尘环境下因沙尘颗粒产生的衰减;结合以上两种因素得出沙尘环境下太赫兹的衰减特性.本文的研究结果对太赫兹在沙尘环境...     

太赫兹脉冲的短距离大气传输特性

基于van-Vleck Weisskopf线型与辐射传输色散理论,结合JPL数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,形成了对宽频太赫兹辐射脉冲在大气中的吸收衰减的数值模拟能力;并对利用太赫兹时域光谱技术(THzTDS)所获得的透射光谱实测结果进行了对比分析,研究了不同水汽密度对太赫兹时域脉冲幅值、相位及频谱特性的影响.研究结果表明:短距离大气传输条件下,0.1~0.5 THz频段太赫兹脉冲的最大传输速率达20 Gb/s以上,相较于单模光纤,更具短距离通信优势.     

太赫兹波大气衰减的抛物方程模型

抛物方程是一种模拟电波传播特性的高效模型,但目前抛物方程模型在模拟电波传播时,主要考虑大气的折射效应而忽略了其吸收作用,然而太赫兹波的大气衰减较为严重。通过引入大气分子吸收的复折射率,实现了应用抛物方程模型计算太赫兹波的大气衰减。该模型考虑了大气压强、温度和水汽密度等气象参数随高度变化对大气衰减的影响,且能够针对不同地区和季节的气象条件对大气衰减进行计算,与真实环境更加符合。最后利用该模型仿真分析了0.14 THz波的传播特性,给出了传播损耗随距离和高度的变化,并与忽略大气衰减的结果进行了对比,结果表明抛物方程模型能同时体现太赫兹的大气吸收效应和多径传播效应。     

基于大气再分析资料集的太赫兹传输衰减计算

为精确计算太赫兹波大气传输吸收衰减,需建立太赫兹波传播路径模型,而后获取沿传播路径的相关变化大气参量,并通过国际电联(ITU)标准计算分段的吸收衰减值,最终进行累加计算得出总的大气衰减量值。受限于气象观测设备及手段,沿传播路径完整的大气参量难以获取。由于地球重力场产生的大气折射效应,电磁波在大气层中传播时其路径呈现曲线弯曲传播。基于区域大气再分析资料集基础数据转化的太赫兹波大气传输衰减精确计算方法,通过ITU标准这个桥梁,在气象数据和大气传输衰减间建立关联关系,最终运用在飞行器太赫兹波地面探测类工程技术上,以预估太赫兹波通信链路的大气吸收衰减值。     

地空路径太赫兹波雨天衰减特性分析

雨滴的散射和吸收作用会严重增加地空链路上太赫兹波的传输损耗,降低无线通信的性能。为实现太赫兹波在地空链路上的传输应用,必须对太赫兹波在降雨环境中的传输特性进行深入研究。本文对原有的雨衰模型进行了修正,基于Mie理论,分析了降雨率的变化对地空链路上太赫兹波传输的影响,并与原有模型的计算结果进行了对比。结果表明：在整个太赫兹频段,雨衰减损耗会随降雨率的增加而增大,随频率的增加先增大后减小,且高频太赫兹波段相对0.1～1 THz频段范围的雨衰损耗更小;同时,当频率超过1 THz时,大气窗口越靠近10 THz,损耗越小,在降雨天气环境进行无线通信传输时将更具有通信优势,且频率越低,天顶角越大,模型修正前后的差异性更加明显。     

基于HITRAN的太赫兹波大气吸收特性

基于分子光谱数据库HITRAN中的谱线参数和传播理论得到了氧气分子、氮气分子和水蒸气分子的吸收系数,同时计算了氧气、氮气2种单组分气体以及水蒸气对太赫兹波辐射在1 km上的吸收衰减系数。在0.1 THz-1 THz频率范围内与ITU-R P.676进行比较,结果显示,2种结果吻合较好,尤其在吸收带。这也间接验证了本文计算方法在太赫兹波其他频段吸收衰减计算结果的正确性。     

激波管等离子体中太赫兹波传输特性仿真与实验研究

研究了太赫兹波在透射波窗口封闭的激波管中的等离子体中的传输特性,获得了传输衰减量随等离子体电子密度、碰撞频率、透波窗口材料以及电磁波频率的变化规律,并比较了相同条件下毫米波的传输特性.利用激波管为实验平台模拟产生高速飞行器等离子体,开展了太赫兹波在等离子体中传输特性实验.结果表明,太赫兹波在相同电子密度和碰撞频率的等离子体中衰减量比毫米波小得多;随着等离子体碰撞频率的增加,太赫兹波传输衰减量先增加后减小,透波窗口增加了太赫兹波的传输衰减;随着窗口材料的介电常数增加,太赫兹波反射率增加,太赫兹波传输衰减曲线出现周期性振荡,振荡周期约5 GHz;太赫兹波通信可能作为一种解决再入飞行器黑障问题的有效技术途径.     

太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要.对太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究.分析了太赫兹平面波在湍流大气中传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化.以高斯波束为例,研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距离等物理量的演化规律.研究结果表明,在太赫兹波段,频率越高,闪烁指数越大,饱和距离就越小.总体上看,太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波之间;对于太赫兹大气通信和成像等短程应用,太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于弱起伏状态;但对于太赫兹雷达和遥感等应用,由于传输距离较远,可能会出现强起伏.     

Study of atmospheric attenuation characteristics of terahertz wave based on line‐by‐line integration

Terahertz band communication promises new solution for satisfying the increasing demand for ultrahigh‐speed wireless communication. Channel models capturing the unique peculiarities of the terahertz (THz) band are required for communication systems designing. Extreme high molecular absorption is a distinctive phenomenon that has to be involved in terahertz communication models. Research in this field has mainly focused on the characteristics along the horizontal propagation path. In this paper, we developed a unified molecular absorption model along the slant propagation path of the THz wave, based on the line‐by‐line integration method developed by Van‐Vleck and Weisskopf and combining the molecular spectral line in the HITRAN database. Then, an in‐depth analysis on the THz channel characteristics is carried out by the developed propagation models. The attenuation characteristics of terahertz waves with frequencies in the range of 0.1 to 1 THz are analyzed by theoretical and mathematical modeling. The results show that the terahertz communication channel has a strong dependence on both the molecular composition of the medium and the transmission distance. The experimental results also indicate the strong absorption frequency points, weak absorption frequency points, and spectral windows.     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU－R湍流大气结构常数模型，将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

电磁空心光束在湍流大气中的斜程传输特性

利用扩展的Huygens-Fresnel原理以及维格纳分 布函数(WDF)的二阶矩理论,推导出电 磁空心光束(PCEHB)在非均匀湍流大气中传输的均方根空间扩展、均方根角扩展和M²因子的 解析式。并数值模拟和分析了天顶角、光束阶数、湍流内尺度、波长、束腰宽度、初始相干 长度和初始偏振度对光束质量的影响。研究结果表明,随着天顶角的减小和初始偏振度的增 加,PCEHB的相对均方根空间扩展、相对均方根角扩展和相对M 2因子越小,光束受湍流的影 响越小。且初始偏振度对相对M²因子的影响小于相对均方根空间扩展和均方根角扩展。M²因 子也随着天顶角的增加而增加,当天顶角大于1时对M²因子的影响迅速增加。研究还发现 , 相对M²因子随着光束阶数、湍流内尺寸、波长和束腰宽度的增加,相干长度的减小而减小 。相对M²因子受天顶角和束腰宽度的影响大于其他参数。     

1.06μm激光的斜程大气衰减

根据大气透过率计算软件-CIRTRAN计算了乡村、城市、海洋和沙漠四类地区不同能见度条件下的1.06μm激光斜程大气透过率,经过分析和归纳,提出了一个直观而简便的计算公式.用三种不同的测量方法和LOWTRAN7作比较,证明该公式具有很好的准确度.     

大气衰减效应对光通信影响及仿真分析

为了准确把握近地光通信时大气因素的作用机制和影响效果,有效提升通信质量,考虑针对首要影响因子——大气衰减效应进行建模、分析和仿真。首先细化了衰减效应分类,然后结合大气参数和类别特点建立了相关描述模型;在此基础上,利用大气窗口下的光通信常用波段进行了模型仿真和分析。主要结果表明,长波长激光和高海拔通信有利于光通信的进行,而大高差斜距通信模式则需要规避。这些结论的得出为大气光通信信道模型的建立以及光通信的开展提供了参考和依据,具有一定的指导意义。     

高斯涡旋光束在斜程大气湍流中的轨道角动量特性

本文基于广义惠更斯-菲涅尔原理和大气湍流理论模型,推导了高斯涡旋光束在non-Kolmogorov大气湍流中斜程传输的螺旋谱解析表达式和光强表达式,并数值模拟了涡旋光束传输后螺旋谱和光强的分布规律,分析了各光束参数和大气湍流对螺旋谱弥散的影响。研究结果表明：随着传输距离增大,螺旋谱弥散越强烈,在增大到一定距离时,各螺旋谱分量逐渐趋于均匀分布,光强逐渐呈高斯分布。增大光束的初始拓扑荷数和波长可有效减小传输后螺旋谱的弥散程度;当天顶角逐渐增大到π/2时,传输方式为水平传输,螺旋谱弥散程度显著增大;近地面折射率结构常数越大、湍流内尺度越小,螺旋谱弥散越严重,而湍流外尺度对螺旋谱的影响程度很小。