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第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.21，No.8Aug.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology地空路径太赫兹波雨天衰减特性分析曹相春1，郝建红1，赵强*2，张芳2，范杰清1，董志伟2(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京102206；2.北京应用物理与计算数学研究所，北京100094)摘要：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。
关键词：太赫兹；雨衰减；Mie理论；散射中图分类号：TN011；O441.4 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022188Characteristic analysis of rain attenuation for terahertz waves transmissionalong earth-space pathsCAO Xiangchun1，HAO Jianhong1，ZHAO Qiang*2，ZHANG Fang2，FAN Jieqing1，DONG Zhiwei2(1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Institute of Applied Physics and Computational Mathematics，Beijing 100094，China)AbstractAbstract：：The scattering and absorption of raindrops will seriously increase the transmission loss of terahertz waves in the earth-space links and reduce the performance of wireless communications. In orderto realize the transmission application of terahertz waves in the earth-space links, it is necessary todeeply study the transmission characteristics of terahertz waves in the rainfall environment. In this paper,the original rain attenuation model is further modified, and the influence of rainfall rate on terahertz wavetransmission over the earth-space links is analyzed based on Mie theory. The calculation results arecompared with that of the original model, and it shows that, in the whole terahertz bands, the rainattenuation loss increases with the increase of rainfall rate, and increases first and then decreases withthe increase of frequency. There exists less rain attenuation loss in the high-frequency terahertz bandsthan in 0.1~1 THz bands. When the frequency exceeds 1 THz, the closer the atmospheric window is to10 THz, the smaller the loss will be, and it will have more advantages in wireless communicationtransmission in rainy weather environment. The lower the frequency, the greater the zenith angle, and thedifference of the rain attenuation model before and after modification will be more obvious.KeywordsKeywords：：terahertz；rain attenuation；Mie theory；scattering无线通信技术的高速发展，加快了人们对数据传输速率和信息容量的更高需求，截至2020年左右，无线通信系统的数据传输速率已接近100 Gbit/s[1]。
摘要太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外波之间，具有瞬态性、宽带性、低能量性、透射性等优点，在分子光谱、生物医学、空间通信、大气遥感和雷达探测等领域有广阔的应用前景。
太赫兹波在大气中的传输特性是太赫兹波空间应用的基础，研究不同温度、湿度、大气压强和海拔高度等条件下太赫兹波的大气衰减系数，找到透过率窗口的位置和宽度对于促进该频段在空间中的应用具有重要意义。
本文的研究内容可以归纳如下：1、介绍了太赫兹波的空间应用以及研究太赫兹波大气传输特性的重要性，并综述了太赫兹波大气传输特性的国内外发展历史和研究现状。
2、根据HITRAN数据库中的光谱参数，用逐线计算方法计算了水蒸气和氧气的谱线吸收，用MT_CKD模型计算了水蒸气的连续吸收。
考虑到气温、气压和相对湿度对吸收系数的影响，比较了0~8 THz 的太赫兹波的吸收系数随这三个因素的变化，并给出了大气窗口的频率。
通过对不同海拔高度的吸收系数进行计算，分析了高频太赫兹波在高空尤其是平流层中远距离传输的可行性。
3、根据米氏散射理论对气溶胶粒子的散射特性参数进行计算，以此为基础在高能见度天气中计算太赫兹波的单次散射衰减，在低能见度天气中用蒙特卡罗法解决多次散射问题。
并且分析了我国海雾和内陆雾以及塔克拉玛干沙漠和毛乌素沙漠中太赫兹波的衰减、散射、透过率情况。
4、在实验室环境下用远红外傅里叶光谱仪（FTIR）搭建了太赫兹波大气传输特性实验平台，测量了不同压强和湿度条件下0.5 THz~7.5 THz 频段的太赫兹波传输2.3 m的透过率，用比尔-朗伯定律反推大气吸收系数，实验结果与理论计算结果吻合得很好。
关键词：太赫兹波，吸收系数，蒙特卡罗法，FTIRABSTRACTTerahertz (THz) spectral range which falls between microwave and infrared, has many advantages, such as transient, broadband, low photon energy and transmission. And THz wave can be widely applied in spectroscopy, biomedical science, free-space based communication, remote sensing, radar and so on. The transmission characteristics of THz wave is the basis of THz free-space applications. To research THz atmospheric attenuation coefficients under different conditions (e.g. temperature, relative humidity, pressure, altitude etc ) and to find the locations and widths of atmospheric transmission windows will be important for THz free-space applications.The main contents of this dissertation are as follows:1. THz free-space applications, and the importance of research on terahertz atmospheric transmission characteristics are introduced. The development and present developing status of this problem are also summarized.2. Line absorption of water vapor and oxygen is calculated based on line-by-line calculations and the spectral parameters in HITRAN database. And water vapor continuum absorption is calculated based on MT_CKD model. Considering temperature, pressure and relative humidity, broadband THz atmospheric transmission characteristics from 0 to 8 THz is theoretically simulated. Atmospheric transmission windows in this range are also given. Based on absorption coefficients in different altitudes, the high frequency atmospheric windows are evaluated and the feasibility for long-range applications is estimated.3. The scattering characteristics of air aerosol are calculated based on Mie theory. According to these results, terahertz attenuation characteristics are studied for single scattering of particles in high-visibility environment and multiple scattering in low-visibility environment using Monte-Carlo method. Terahertz attenuation coefficients, scattering characteristics and transmittance are analyzed in real environment including sea fog, inland fog, Taklimakan Desert and Mu Us Desert.4. An experimental system is built based on a Fourier transform infrared spectrometer (FTIR) in laboratory. Considering the influence of water concentrationand pressure, the terahertz transmission is measured from 0.5~7.5 THz with 2.3-m path length. The absorption coefficients are calculated according to Beer-Lambert Law, which are consistent with calculation results.KEY WORDS：THz Wave, Absorption Coefficients, Monte-Carlo, FTIR目录摘要 (I)ABSTRACT ................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)1.1 太赫兹波简介 (1)1.1.1 太赫兹波的特点 (1)1.1.2 太赫兹波的空间应用及大气传输特性研究的意义 (2)1.2 国内外研究进展 (4)1.2.1 太赫兹波大气吸收特性的研究进展 (4)1.2.2 太赫兹波大气散射特性的研究进展 (7)1.3 本文主要内容 (8)第2章宽频段太赫兹波的大气吸收 (9)2.1 大气分子的选择吸收 (9)2.1.1 大气分子光谱 (9)2.1.2 谱线的增宽 (10)2.1.3 吸收系数和透过率 (10)2.2 大气分子光谱参数数据库——HITRAN (11)2.2.1 HITRAN数据库中的光谱参数 (11)2.2.2 光谱参数随温度和压强的变化 (12)2.2.3 吸收系数的计算 (13)2.3 主要大气成分对太赫兹波的吸收 (13)2.3.1 水蒸气和氧气的太赫兹吸收谱 (13)2.3.2 连续吸收 (15)2.3.3 吸收系数随温度、大气压强、相对湿度的变化情况 (17)2.4 不同海拔高度太赫兹波的传输衰减 (21)2.4.1 大气的物理概况 (21)2.4.2 大气吸收系数和太赫兹波透过率随海拔高度的变化 (22)2.4.3 太赫兹波垂直入射时的透过率 (25)2.5 本章小结 (26)第3章太赫兹波在复杂大气背景下的散射特性 (27)3.1 单个球形粒子的散射理论 (27)3.1.1 散射过程 (28)3.1.2 米散射理论 (29)3.2 单次散射理论 (30)3.3 多次散射的处理——蒙特卡罗法 (31)3.4 太赫兹波在雾中的散射特性 (33)3.4.1 雾的物理特性 (33)3.4.2 太赫兹波在雾中的单次散射 (35)3.4.3 太赫兹波在低能见度雾中的多次散射 (37)3.5 太赫兹波在风沙天气中的散射特性 (39)3.5.1 我国沙漠地区中沙尘的物理特性 (39)3.5.2 太赫兹波在扬沙天气中的单次散射 (41)3.5.3 太赫兹波在沙尘暴天气中的多次散射 (43)3.6 本章小结 (45)第4章太赫兹波大气传输特性实验 (47)4.1 太赫兹波大气传输特性实验平台设计 (47)4.2 实验结果与分析 (49)4.2.1 实验中湿度和压强对太赫兹波透过率的影响 (49)4.2.2 实验与理论计算结果比较分析 (51)4.2.3 存在问题及建议 (52)4.3 本章小结 (53)第5章总结与展望 (55)参考文献 (57)发表论文和参加科研情况说明 (63)致谢 (65)第1章绪论1.1 太赫兹波简介太赫兹波的频率范围是0.1 THz~10 THz（波长3mm~ 30μm），在电磁波谱中介于微波和红外波之间，如图1-1所示。
太赫兹(THz)技术一、基本概念 (1)1. 太赫兹波 (1)2. 太赫兹波的特点 (1)二、国内外研究现状 (2)1. 美国 (3)2. 欧洲 (3)3. 亚洲 (3)三、太赫兹技术的应用 (4)1. 太赫兹雷达和成像 (4)2. 太赫兹通信 (5)3. 太赫兹安全检查 (6)4. 太赫兹无损检测 (7)5. 环境探测 (7)6. 生物医学 (8)7. 天文观测 (8)8. 材料特性的研究 (9)四、太赫兹技术的研究内容 (9)1. 太赫兹辐射源 (9)2. 太赫兹波段信号的探测 (10)3. 太赫兹功能器件 (10)五、我们能做些什么 (10)一、基本概念1.太赫兹波太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。
太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。
THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。
长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。
2.太赫兹波的特点THz波具有很多独特的性质。
从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。
THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。
THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。
在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。
在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。
沙尘天气下激光信号的传输特性王惠琴;姚宇;曹明华【摘要】以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响.同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律.研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大.当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计.相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的.%Based on the small-angle approximation condition, the radiation propagation equation of the laser signal in dust weather was deduced by using sequential recursive method, the distribution of light intensity under multiple scattering was obtained, and the wavelength and the asymmetry factor`s influence on the scattering light intensity were also analyzed.Furthermore, by comparing the different scattering phase functions and the scattering characteristics of the dust particles, an amended Two Term Henyey-Greenstein (TTHG) phase function was adopted, which can reflect the scattered light intensity distribution more comprehensive.The results show that the scattered light intensity increases firstly and then decreases with the increasing of the optical thickness, and the proportion of the multiple-scattering becomes larger gradually.When the scattering number is more than three times, thechange of the received light intensity can be pared with Mie theory, the results of the small-angle approximation method are more reliable, which can accurately describe the laser signal transmission characteristics in dust weather.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)004【总页数】9页(P521-529)【关键词】小角度近似;多次散射;散射相位函数;衰减特性【作者】王惠琴;姚宇;曹明华【作者单位】兰州理工大学计算机与通信学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学计算机与通信学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学计算机与通信学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TN929.12沙尘暴天气是在特定地理环境和下垫面条件下，由特定的大尺度环境背景和某种天气系统发展所诱发的一种灾害性天气。
基于Mie理论的带电沙尘媒质微波衰减特性研究董群锋;李应乐;李俊杰;张辉【摘要】ABSTRACT: Objective To research microwave attenuation characteristics in charged sand and dust. Methods According to Mie scattering theory for a charged spherical particle, the scattering of charged sand and dust particle and attenuation properties for a medium with charged sand and dust particles were investigated. Results At the same frequency, the normalized extinction cross section increased with increase of particle radius size. The extinction coefficient of charged sand particles was greater than that of uncharged sand particles. The attenuations induced by charged sand and dust particle were greater than those of un-charged sand, and wave attenuation decreased with the increase of visibility. Conclusion The effects of charged dust particles on microwave propagation are more obvious than those of neutral dust particles.%目的研究带电沙尘媒质中微波衰减特性.方法根据带电球形粒子 Mie 散射理论,分析带电沙尘粒子的散射特性及带电沙尘媒质的微波衰减.结果在同一频率下,消光系数随着沙粒半径增大而增大,带电沙粒的消光系数要大于不带电沙粒的消光系数.对于同一频率和能见度,带电沙的衰减要比不带电沙的衰减要大,且衰减随能见度的增大而减小.结论带电沙尘粒子对微波传播影响比中性沙尘粒子明显.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2018(015)006【总页数】4页(P99-102)【关键词】微波;带电沙尘;衰减【作者】董群锋;李应乐;李俊杰;张辉【作者单位】咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳 712000;陕西学前师范学院物理与电子技术系,西安 710100;陕西学前师范学院物理与电子技术系,西安710100;西安工业大学理学院,西安 710100;咸阳师范学院物理与电子工程学院,陕西咸阳 712000【正文语种】中文【中图分类】TN011沙尘暴对气候、空气质量及通信系统的影响研究一直是倍受关注的课题[1-2]。
2022年国家公务员考试行测真题及答案（地市级）其次部分言语理解与表达本部分包括表达与理解两方面的内容。
请依据题目要求，在四个选项中选出一个最恰当的答案。
21．科学精神的核心是求真务实，我们的一切实践都需符合规律、切合实际。
规律指引下的世界变动不居，我们不能_________，应敢于质疑、擅长包涵、勇于创新。
填入画横线部分最恰当的一项是（）A．因循守旧 B．沾沾自喜C．妄自菲薄 D．刚愎自用22．阿道司·赫胥黎在《漂亮新世界》中描绘了2532年一个依靠生殖技术的人类社会。
在那里，人文跟不上科技的进展，人类的“拜物教”越来越兴盛：认为医学可以解决一切病痛，科技可以弥补人文的鸿沟。
事实上，这无异于_________。
填入画横线部分最恰当的一项是（）A．饮鸩止渴 B．缘木求鱼C．镜花水月 D．抱薪救火23．新一代信息技术与制造业的深度融合，带来了制造模式、生产组织方式和产业形态的深刻变革，智能制造也_________。
智能制造就是把新一代信息技术_________于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节。
依次填入画横线部分最恰当的一项是（）A．水到渠成融汇B．水涨船高应用C．一日千里渗透D．应运而生贯穿24．近年来，商业赞助越来越多地_________体育运动。
在体育市场化、职业化_________的当下，如何在追求个人商业价值与体育管理机构利益间取得平衡，是运动员和体育管理机构不能回避的问题。
依次填入画横线部分最恰当的一项是（）A．觊觎如日中天B．追赶高歌猛进C．热衷欣欣向荣D．垂青方兴未艾25．脱贫攻坚必需_________，一步一个脚印，确保各项扶贫政策措施落到实处，积小胜为大胜，最终取得全面成功。
同时也应加强贫困村基层组织建设，充分调动贫困群众的乐观性，提高其参加度、获得感，激励其_________，激发其脱贫的内生动力与活力。
依次填入画横线部分最恰当的一项是（）A．未雨绸缪一马当先B．一鼓作气奋勉图强C．循序渐进再接再厉D．稳扎稳打自力更生26．在人工智能讨论热潮中，国内外已形成_________的局面，但总体上人工智能还处于进展的初级阶段。
太赫兹电磁波空气的传输损耗太赫兹电磁波空气的传输损耗与大气特性相关，了解这一点对于深入探讨太赫兹电磁波在通信和传感领域的应用至关重要。
在本文中，我们将从简单的概念开始，逐步深入，详细探讨太赫兹电磁波在空气中的传输损耗，并分析其影响因素和应用前景。
1. 太赫兹电磁波空气传输损耗的基本概念太赫兹电磁波是指频率介于红外光和微波之间的电磁辐射波段，波长范围大约在0.1毫米到1毫米之间。
这一波段的电磁波具有穿透力强、非电离辐射、对生物安全无害等特点，因此在通信、成像、安检等领域具有广阔的应用前景。
然而，正是由于其特殊的频率和波长特性，太赫兹电磁波在空气传输过程中会发生一定程度的传输损耗，限制了其在实际应用中的性能表现。
2. 太赫兹电磁波在空气中的传输特性空气对太赫兹电磁波的传输损耗主要受到频率、大气湿度和气压等因素的影响。
在一般情况下，太赫兹电磁波与大气中的气体和水汽分子发生相互作用，导致能量的逐渐衰减和吸收，从而产生传输损耗。
空气中的气压和温度也会对太赫兹电磁波的传输性能产生一定影响。
在实际应用中需要充分考虑这些因素，以提高太赫兹电磁波的传输效率和性能稳定性。
3. 影响太赫兹电磁波空气传输损耗的因素太赫兹电磁波在空气传输过程中的损耗主要受到频率、大气湿度、气压和温度等因素的影响。
频率直接影响了太赫兹电磁波与空气分子间的相互作用方式，高频率下太赫兹电磁波更容易被空气吸收。
大气湿度也是一个重要影响因素，水汽能够吸收太赫兹波辐射，特别是在高湿度环境下，传输损耗将更加显著。
气压和温度会影响大气密度和分子振动等参数，从而改变太赫兹电磁波的传输性能。
4. 太赫兹电磁波空气传输损耗的应用前景尽管太赫兹电磁波在空气中存在一定的传输损耗，但其在通信、成像和安检等领域的应用前景依然非常广阔。
通过对太赫兹电磁波的传输损耗进行深入研究和理解，可以有针对性地优化相关设备和技术，提高太赫兹电磁波的传输效率和性能稳定性，从而推动相关领域的发展和应用。
沙尘暴中毫米波传播衰减及双频互相关函数研究引言：沙尘暴是一种常见的自然灾害，它不仅对人类的生产生活造成了极大的影响，同时也对无线通信系统的传输性能产生了很大的影响。
本文将从毫米波传播衰减和双频互相关函数两个方面进行研究，以期为沙尘暴下的无线通信系统提供一定的理论支持。
一、沙尘暴中毫米波传播衰减的研究毫米波通信是一种新兴的无线通信技术，其频率范围在30GHz到300GHz之间。
由于毫米波的频率高，波长短，因此在传输过程中会受到很多的干扰，其中沙尘暴是一种常见的干扰源。
沙尘暴中的沙尘颗粒会对毫米波的传输产生很大的影响，导致传输信号的衰减。
因此，研究沙尘暴中毫米波传播衰减的规律对于提高毫米波通信的传输性能具有重要的意义。
在沙尘暴中，沙尘颗粒的密度和大小会对毫米波的传输产生影响。
研究表明，沙尘颗粒的密度越大，毫米波的传输衰减就越大。
同时，沙尘颗粒的大小也会影响毫米波的传输衰减。
当沙尘颗粒的大小与毫米波的波长相当时，毫米波的传输衰减会达到最大值。
二、沙尘暴中双频互相关函数的研究双频互相关函数是一种用于研究无线信号传输的重要工具。
在沙尘暴中，双频互相关函数的研究对于了解无线信号在沙尘暴中的传输特性具有重要的意义。
研究表明，在沙尘暴中，双频互相关函数的值会随着沙尘颗粒的密度和大小的变化而发生变化。
在沙尘暴中，沙尘颗粒的密度和大小会对双频互相关函数的值产生影响。
当沙尘颗粒的密度越大，双频互相关函数的值就越小。
同时，当沙尘颗粒的大小与信号的波长相当时，双频互相关函数的值也会达到最小值。
结论：本文从毫米波传播衰减和双频互相关函数两个方面对沙尘暴中的无线通信系统进行了研究。
研究表明，在沙尘暴中，沙尘颗粒的密度和大小会对毫米波的传输衰减和双频互相关函数的值产生影响。
因此，在设计沙尘暴下的无线通信系统时，需要考虑沙尘颗粒的影响，以提高系统的传输性能。
