基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

基于光子混频的可调谐连续太赫兹波辐射系统

基于光子混频原理及相干探测技术,利用外腔半导体激光器及一种蝶形交指结构低温砷化镓光电导天线,搭建了一个可调谐连续太赫兹波辐射探测系统。在室温条件下,实现了连续太赫兹波的产生及探测,其连续太赫兹波输出的线宽优于1 MHz。在频率小于0.70THz时,实验获得的系统信噪比均在50dB以上。在频率为0.50THz处,系统信噪比为64dB。另外,还实验研究了辐射太赫兹波电场强度与光电导天线偏置电场的关系,讨论了外腔半导体激光器模式对连续太赫兹波辐射的影响。     

ZnTe晶体对太赫兹波的电光响应及极化匹配

给出了ZnTe电光晶体折射率和吸收系数随太赫兹波频率而变化的计算曲线,比较了太赫兹波在ZnTe中传播时的相速度和群速度。通过与太赫兹频率和晶体厚度相关的电光效率响应函数,理论计算了ZnTe电光晶体对太赫兹脉冲的探测电光响应,得到了晶体厚度与探测到的太赫兹频谱宽度的定性关系,从计算结果中找到了ZnTe电光晶体在5.3 THz和6.2 THz等多个频点的探测盲点,这些探测盲点来自于ZnTe电光晶体与相应频点太赫兹波的栅格共振吸收。结合自制的大口径太赫兹光导天线和1 kHz脉冲重复频率的太赫兹时域光谱实验系统,通过差分探测技术,从实验上得到了太赫兹波极化方向与〈110〉型ZnTe晶体晶轴方向的六个最佳匹配角度,给出了太赫兹电场最大值随晶轴与太赫兹波极化方向之间夹角变化的曲线及经验公式,这将有利于在实践中对该现象的深入理解和对探测灵敏度的有效提高。     

太赫兹波斜入射磁化等离子体的传播特性

针对飞行器再入大气的“黑障”问题,基于等离子体电子密度Epstein分布,建立了太赫兹波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型。计算了太赫兹波斜入射磁化等离子体鞘套的透射率和衰减;分析了等离子体碰撞频率、磁场强度、入射角等因素对太赫兹波传播特性的影响。研究结果表明,外加磁场强度增大,透射率的最小值和衰减峰值向较高太赫兹波频率方向移动;电磁波入射角变大,透射率变小,衰减变大;当入射角小于等于60°时,大气窗口0.22 THz处最大衰减为5.32 dB。研究结果为解决“黑障”问题提供了重要参考。     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

基于电磁理论和热力学方法的太赫兹波空-天-地-海衰减模型

太赫兹(Terahertz, THz)频段(0.1～10 THz)可以提供数十GHz的连续带宽,以实现6G通信系统中的天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network, SAGIN)。然而,太赫兹波与SAGIN中信道介质的相互作用仍然是一个谜。太赫兹波在太空-大气-地表-海面(空-天-地-海)信道中所遭受到的吸收和散射效应可被建模为太赫兹光子与介质粒子的碰撞过程,在此基础上结合电磁理论和热力学方法提出了通用的太赫兹波空-天-地-海衰减模型。相比已有模型,该模型考虑了各类粒子(包括凝聚态粒子、单个分子和自由电子)所导致的衰减效应,涵盖了太赫兹波在传播过程中所能遇到的衰减效应。基于该模型对太赫兹波在大气和外层空间的传播损耗进行数值计算,计算结果表明,除自由空间损耗(Free-Space Path Loss, FSPL)外,其他衰减效应在50 km以上的大气都可以忽略不计,而在50 km以下的大气中则需要考虑这些衰减效应。     

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。     

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...     

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。     

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。     

Attenuation of terahertz transmission through rain

Based on the Marshall-Palmer,Weibull raindrop size distribution and Mie electromagnetic scattering model,the relationships of attenuation coefficient of terahertz(THz) atmospheric window waves with precipitation rate and temperature are studied.Furthermore,combined with the loss of electromagnetic wave transmission in free space,the attenuation of THz communication and the transmission of current mobile communication signals through rain are compared and analyzed.The results show that the attenuation coefficient of THz transmission is increased with increasing precipitation rate,the difference of attenuation coefficient at different THz window waves is small,and the maximum difference is about 3 dB.The rain attenuation of THz wave is first decreased and then increased with increasing temperature,but the temperature has little effect on it.The attenuation of THz wave through rain is much larger than that of mobile communication signal.     

星载红外探测对比度的计算与分析

推导了星载红外探测在地面、大气双背景下探测器处的辐射照度对比度计算公式,计算了目标在不同温度、不同高度的目标与背景的绝对对比度和相对对比度。分析指出:随着目标温度、高度增加,在波长大于2.5 m 区域绝对对比度与相对对比度相应增大,目标高度越高,同等距离下对比度随目标高度的变化越小;波长小于2.5 m 需考虑太阳的影响;当目标在0 km 高度时,2.9~4.1 m 波段为最佳探测波段,随着目标高度的增加,可用探测波段范围增大,峰值波长向短波方向微移,当目标高度大于10 km 时,相对对比度峰值在2.6~2.8 m 之间;距离地面越近,大气对红外辐射的衰减越大。     

0. 34THz大气传播测试系统设计

介绍了我国第一套太赫兹波大气传播测试系统的组成以及功能。该系统采用准光学结构使频率为0.34 THz 信号在相距150 m 的两个建筑物之间来回传播,记录不同传播条件下接收的信号强度。基于长期的观测数据获得0.34 THz 的大气及降雨衰减的统计传播特性,为使用0.34 THz 的通信和雷达等无线电系统的设计、运行提供基础数据。     

THz辐射大气传输研究和展望

THz辐射在大气中的传输特性是THz波空间通信、大气科学及遥感检测等空间应用的基础,掌握不同温度、高度、湿度和压力等条件下THz频段大气透过率窗口的位置和宽度对于促进该频段的应用具有重要意义。本文分析了THz辐射大气传输的研究概况,包括大气传输的基本原理,辐射传输方程的推导以及对各类THz辐射大气传输模型的比较,并指出尚待解决的问题,最后对THz辐射大气传输研究给出若干建议和展望。     

反射式太赫兹返波振荡器成像系统及其应用

实现了基于返波管源的太赫兹波反射式成像系统.这是一种新型的无损探伤成像方式.从样品表面或者基底反射回来的太赫兹波被焦热电探测器收集,最后经过计算机处理成像.频率为0.7THz的成像系统被用来对一系列样品进行无损检测,如硬币、徽章、模型飞机以及预埋了人工缺陷的工业样品.结果表明,很多工业材料相对于太赫兹波都是透明的,尤其是一些在航空航天技术中具有广泛应用价值的吸收微波的材料.     

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。     

太赫兹波段信号在雾中的传输特性研究

太赫兹（THz）波提供的通信带宽和容量远大于毫米波。与可见光和红外光相比,THz脉冲的波长较长,在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数,分析了不同THz波波长下,雾滴粒子消光系数随粒子尺寸的变化。结合雾滴粒子谱分布,考虑粒子群的平均体系散射特性,得到了不同波长下的平均反照率与相函数。最后分析了THz波段信号在不同能见度雾中的传输特性。结果表明:大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视,不同THz信号的水的折射率虚部的变化严重影响了THz信号在雾中的传输。