太赫兹大气传输特性实验研究

太赫兹在高速率通信、高分辨力雷达等方面具有广阔的应用前景,而对太赫兹辐射的大气传输特性及其规律进行系统的理论与实验研究则是发展利用该频谱资源的基础条件。对大气作用于太赫兹频段电磁辐射的吸收衰减进行了实验测试研究。通过双光路的差分系统设计,尽可能地减小太赫兹辐射源输出功率不稳定性所产生的系统误差,完成大气模拟环境下太赫兹波段多个频点传输的功率变化测定,以探索大气环境对不同频段THz波衰减的规律性;同时,建立太赫兹大气传输特性动态数据库对海量大气环境数据进行有效地分析,为实验数据处理及理论研究提供支持。收稿日期:; 修订日期:     

太赫兹波大气传输衰减模型

基于修正的Van-Vleck Weisskopf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,建立了太赫兹波大气传输衰减模型VVWH,形成了对宽频太赫兹波在真实大气中水平传输衰减的数值模拟能力。同时对太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）获取的透射光谱实测数据进行了对比分析。计算结果与实验结果总体变化趋势一致,在吸收谱线处两者吻合良好,但在低频的大气窗口区,实验结果相比计算呈现出更强的传输衰减。考察了相对湿度对太赫兹波大气传输衰减特性的影响变化。     

典型大气窗口太赫兹波传输特性和信道分析

在已有大气传输模型的基础上,发展了新的太赫兹波大气传输衰减与色散模型,对宽频太赫兹波在真实大气中传输的衰减和色散特性进行了数值模拟研究.改进太赫兹时域光谱技术,对0.3—2.0 THz频段太赫兹波的大气传输特性进行了透射光谱测量,并得到了一组连续吸收参数.比对发现实验窗口区强度和吸收峰的位置都与计算结果符合得很好.据此选取了三个可行的信道:340,410和667 GHz窗口区,利用线性色散理论和无线通信原理分别从物理上精确地计算了这些信道的群速色散参数和信道容量,并分析了影响最大传输数据率的因素-天线增益.研究结果表明:太赫兹波大气传输1 km时,这三个信道群速色散很小,信号不易被展宽;最大传输速率达十几Gbps,高于单模光纤,但需要更高的天线增益.     

地面与卫星太赫兹通信高频大气窗口分析

较大的传输路径损耗限制了太赫兹无线通信在大气中的传输距离,要想实现地面与卫星之间太赫兹波的长程传输,必须先找到低衰减的大气透明窗口。本文结合我国大气分布特点,通过大气辐射传输模型工具am（atmospheric model）对大气吸收衰减建模进行分析,从中选定适合我国地面与卫星太赫兹通信的理想地基站点;利用真实大气数据和分层传输理论,计算了地面与卫星之间太赫兹通信的总路径损耗,结合信号发射功率、天线增益、信噪比、噪声功率值和相应的路径衰减阈值,给出了天线增益分别为0～100 dBi时10～15 THz频段内的总可用带宽和大气窗口;通过将高海拔平台作为地面与卫星之间太赫兹通信的中继链路,给出了1～15 THz频段内的可用大气窗口,为我国地面与卫星通信链路的建立、地基站点和通信频段的选取提供了理论和数值参考。     

太赫兹大气遥感技术

由于其独特的大气敏感特性,太赫兹波在大气遥感领域起着越来越重要的作用。国际上太赫兹大气遥感技术发展方兴未艾。2004年,美国NASA发射AURA卫星,探测仪器中包括了具有两种极化的2.5 THz辐射计;2007年,欧空局ESA研制了Marschals外差式光谱仪,采用临边探测方式探测气体成分在亚毫米波段热辐射的高光谱。我国在轨气象卫星风云三号已经具备毫米波段辐射计,风云四号卫星是世界上首颗搭载太赫兹遥感仪的地球静止轨道气象卫星。针对我国大气遥感的现状,在概述国内外太赫兹遥感应用和技术的基础上,提出发展自主知识产权的大气遥感技术的思路;大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件、太赫兹探测仪系统集成,研究太赫兹大气探测的新原理和反演新方法,整体提升我国在大气遥感领域的技术水平。     

纳米网络中的太赫兹波大气传输和信道分析（英）

利用太赫兹大气传输衰减模型,比对太赫兹时域光谱系统的实验结果,结合最新的HITRAN数据库,发展了一个适用于纳米尺度的太赫兹信道分析模型。提出了一个0.1~5 THz宽的信道,分析了此信道在纳米尺度的传输损耗和最大传输数据率。研究结果表明,在纳米尺度0.1~5 THz宽的信道的传输数据率达几百Gbit/s,随着天线增益等硬件性能的不断提升,信道的最大传输数据率将达Tbit/s,此研究对于纳米器件之间的快速、大数据量的信息共享具有重要的参考价值。     

纳米网络中的太赫兹波大气传输和信道分析（英）

利用太赫兹大气传输衰减模型,比对太赫兹时域光谱系统的实验结果,结合最新的HITRAN数据库,发展了一个适用于纳米尺度的太赫兹信道分析模型。提出了一个0.1~5 THz宽的信道,分析了此信道在纳米尺度的传输损耗和最大传输数据率。研究结果表明,在纳米尺度0.1~5 THz宽的信道的传输数据率达几百Gbit/s,随着天线增益等硬件性能的不断提升,信道的最大传输数据率将达Tbit/s,此研究对于纳米器件之间的快速、大数据量的信息共享具有重要的参考价值。     

宽带太赫兹波在大气中的远程探测研究及展望*

宽带太赫兹波由于具有传输容量大、速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等许多特性,使太赫兹技术在高保密卫星通信、短距离无线通信等方面具有独特的优势。但是,如何克服大气中水蒸气的强吸收,找出适合太赫兹通信的频段,是发展宽带太赫兹远程传输亟待解决的问题。文章介绍了宽带太赫兹波在大气中远程探测的一些关键技术和最新研究成果,同时,对太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景作了展望。     

介质/金属结构太赫兹空芯光纤的传输特性

理论分析了金属、介质/金属结构空芯光纤在THz波段的模式结构和传输特性.金属空芯光纤支持TE11模式,介质/金属空芯光纤的介质膜厚在取最优值时支持HE11模式.对于波长为200μm的太赫兹波,内径为1 mm的两种空芯光纤,TE11和HE11模式的损耗分别为8.4 dB/m和2 dB/m.为优化介质/金属结构宅芯光纤的传输性能,分析了金属和介质材料的光学常数对衰减系数的影响.基于几种已发表的金属在太赫兹波段的光学常数,计算结果表明铝是最好的选择;初步测量结果显示,在各种树脂材料中聚乙烯在THz波段吸收较小,并且其折射率接近介质膜的最优值1.41,为太赫兹波空芯光纤中介质膜材料的理想选择.     

布料的太赫兹波透射特性研究

为获得太赫兹波对常见衣物布料的穿透特性,基于布料的物理结构以及太赫兹波传输的影响因素,建立了常见布料的太赫兹波传输模型,计算获得了不同相对湿度条件下典型太赫兹波长对布料的透过率。随后,利用太赫兹时域光谱系统对棉质布料样品进行透射实验测试,获得了布料在0.1~2 THz范围内不同相对湿度条件下的透过率。通过理论计算结果与实验测试结果的对比分析,验证了该传输模型的有效性,获得了太赫兹波对常见棉质布料的穿透特性。此外,在30%相对湿度条件下,实验研究了多层棉质布料的太赫兹透射特性。研究结果表明,在可见光波段"不透明"的衣物布料,利用太赫兹波可实现良好的"透视",但其对布料的穿透特性一定程度上受到环境相对湿度的影响,该研究对于衣物内隐藏危险物品的快速检测具有重要意义。     

大气紫外传输特性的计算机模拟分析

军事上的紫外告警技术和紫外保密通信技术的需要已成为紫外传感技术发展的重要动力。本文通过采用国际上公认的大气传输特性模拟软件包 L OWTRAN,对由于地理位置、海拔高度、能见度、路径方向以及传输距离等几种因素变化的大气紫外传输特性进行了模拟分析。模拟结果不仅能够基本说明目前在国外紫外传感器技术应用中的一些结论 ,而且对于今后深入开展紫外传感技术的研究具有指导作用     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

Theoretical and experimental study on broadband terahertz atmospheric transmission characteristics

Broadband terahertz(THz) atmospheric transmission characteristics from 0 to 8 THz are theoretically simulated based on a standard Van Vleck–Weisskopf line shape, considering 1696 water absorption lines and 298 oxygen absorption lines.The influences of humidity, temperature, and pressure on the THz atmospheric absorption are analyzed and experimentally verified with a Fourier transform infrared spectrometer(FTIR) system, showing good consistency. The investigation and evaluation on high-frequency atmospheric windows are good supplements to existing data in the low-frequency range and lay the foundation for aircraft-based high-altitude applications of THz communication and radar.     

1.54 THz激光成像实验与物质穿透特性

 用1.54 THz的波导型辉光放电激励的大功率连续波氰化氘（DCN）激光系统,进行了1.54THz激光成像实验研究和多种物质的穿透特性研究。利用简单的被测物体的2维扫描光学系统进行了连续波1.54 THz激光物体穿透成像,通过测量穿透光的不同强度清楚地识别了放入信封的塑料胸卡和金属硬币的位置和形状。实验中对不同物质进行了1.54 THz激光穿透特性测量,得到了多种不同物质的吸收系数。     

30 keV H+在聚碳酸酯微孔膜中动态输运过程的实验和理论研究

测量了30 keV的H⁺入射倾斜角度为-1°和-2°的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子二维分布图、角度分布、相对穿透率以及出射H⁺电荷态纯度随沉积电荷的演化.实验中30 keV的H⁺在微孔膜中输运特性与之前其他能区离子在微孔膜中输运特性有显著不同,实验中直接观测到出射粒子导向部分和散射部分的动态演化过程,出射的H⁺由沿微孔孔轴方向的导向H⁺和沿入射束流方向的散射H⁺两部分组成,随着微孔内电荷斑的沉积,出射的导向H⁺的占比不断减小,出射散射H⁺占比不断增加;出射H⁰占总出射粒子的比例不断减小,其中心方向逐步向入射束流方向偏转.微孔膜处于不同倾斜角度时,微孔内沉积电荷斑的位置和电场强度是不同的.同时模拟计算了入射H⁺在微孔内部的运动轨迹、微孔内部电荷斑电势和场强分布,实验结果和理论结果得到了很好的验证.对出射离子导向部分和散射部分的动态演化过程的观测和理论解释,使得对中能区离子在微孔膜中输运机制有更好的认识.     

用电子散斑干涉法测量材料热膨胀系数

利用双光束电子散斑干涉法（ESPI）对试件受热变形进行了实时观测,针对一次实验过程中得到的图片较多（300～500幅）的特点,在图像处理时摒弃了以往的手动识别等位移线的办法,用MATLAB语言编写了批处理程序,能够在采集的大量散斑图片中自动快速准确地标定等位移线,得到相应的位移和应变,并结合实时测量的温度值,获得了45钢和LY12铝合金在不同温升率下的热膨胀系数及其随温度的变化。实验结果表明,在涉及的温升率范围内,温升率的改变对材料热膨胀系数的影响不明显,材料的热膨胀系数随温度的升高略有上升。