太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

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。

太赫兹量子通信-概述说明以及解释1.引言1.1 概述太赫兹通信作为一种新型通信技术，利用太赫兹波段的电磁波进行信息传输，具有较高的传输速率和较低的功耗，因此备受关注。

太赫兹波段位于微波和红外之间的电磁频谱范围，其波长介于毫米波和红外光之间，频率约为0.1-10太赫兹。

太赫兹波具有穿透力强、分辨率高等优点，适用于多种领域，如通信、医疗、安全检测等。

太赫兹波通信作为一种新兴的无线通信技术，在传输速率、透过力、穿透力和隐私保护等方面都表现出了独特的优势。

传统的无线通信技术受限于频谱资源的有限性，而太赫兹波通信则可大大增加频谱资源的利用效率。

此外，太赫兹波的能量损耗非常小，可以有效地减少能源消耗和电磁波辐射对人体的影响。

近年来，随着量子通信的快速发展，太赫兹波与量子通信的结合也引起了广泛的关注。

太赫兹量子通信技术利用了量子力学的原理，将量子信息编码和传输到太赫兹波中，通过太赫兹波的传输进行量子信息的传递和接收，实现了更加安全和高效的通信方式。

太赫兹量子通信的研究对于解决当前信息传输中存在的隐私泄露和数据安全等问题具有重要的意义。

在本篇长文中，我们将重点探讨太赫兹量子通信的基本原理和潜力。

通过对太赫兹通信的基本原理进行介绍，我们可以更好地理解太赫兹量子通信的工作原理和优势。

同时，我们将深入探讨太赫兹量子通信的应用前景，并对其在未来的发展进行展望。

总之，太赫兹波通信作为一种新型的无线通信技术，具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

太赫兹量子通信技术的出现，不仅提高了通信速度和数据安全性，还为未来的通信技术发展带来了新的可能性。

通过本篇文章的探讨，我们希望能够更好地了解太赫兹量子通信的潜力和前景，为未来的通信技术发展提供有益的启示和思考。

文章结构部分的内容可以按照以下方式撰写：1.2 文章结构本文主要包括以下几个部分：1) 引言部分：首先对太赫兹通信进行概述，介绍其基本原理和应用领域，并明确本文的目的。

2) 正文部分：分为两个小节，分别探讨太赫兹通信的基本原理和太赫兹量子通信的潜力。

太赫兹波技术的研究进展及其应用太赫兹波技术是指频率介于红外光与微波之间，波长为0.1-1毫米的电磁波，又称为“亚毫米波”。

随着技术的不断发展和应用的不断拓展，太赫兹波技术已经成为当今国际物理学和材料学领域最前沿的热门研究领域之一。

1. 太赫兹波技术的基本原理太赫兹波是电磁波的一种，频率介于微波与红外之间，红外光波长比太赫兹波大，微波波长比太赫兹波小。

太赫兹波被认为是一种独特的波段，具有许多红外光和微波波段所不能实现的特殊应用。

在当前的太赫兹波调制技术中，常用的有相位调制、振幅调制、强度调制和时间调制等技术。

在这些调制技术中，相位调制技术和时间调制技术是比较常见的技术方式。

2. 太赫兹波技术的应用领域太赫兹波技术具有非常广泛的应用领域。

在材料科学领域，利用太赫兹波能够对材料的光谱特性进行研究，可用于材料的光谱分析、表征和检测等方面。

在生命科学领域，太赫兹波技术可用于分子结构和分子特性的确定。

利用太赫兹波法，可以不伤害生物体的情况下对生物分子进行研究，是非常重要的新技术领域。

在通信领域，太赫兹波技术具有非常广泛的应用前景。

人们可以利用太赫兹波进行高速数据通信、远程无线通信等等，是非常重要的通信技术领域。

在安防领域，太赫兹波技术可用于雷达、安全检测、探测与侦察、无损检测等多个安全领域。

在反恐、警察工作中也可以利用太赫兹波对可疑物体进行安全检测和探测。

在纳米科学领域中，太赫兹波技术可用于研究纳米结构的表面电荷、离子的传输、电子的物理特性等。

利用这些特性，可以更好地研究纳米技术的性能和应用。

在医药领域，太赫兹波技术可用于医学的影像检测、医学的分子特性和是否产生分子交互作用等等，非常重要的技术领域。

3. 太赫兹波技术的研究进展太赫兹波技术的研究，自20世纪80年代初期开始，近年来，随着技术的不断提高和研究的深入，太赫兹波技术研究取得了较大的进展。

当前太赫兹波技术的研究重点包括：太赫兹材料的设计与制备、太赫兹波源的开发、太赫兹波探测器的设计和制造、太赫兹波光谱分析、太赫兹波成像技术等等。

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化葛筱璐;王本义;郭立萍;满忠胜【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2018(30)12【摘要】利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程.由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程.另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加.【总页数】6页(P3-8)【作者】葛筱璐;王本义;郭立萍;满忠胜【作者单位】山东理工大学物理与光电工程学院,山东淄博 255049;山东理工大学物理与光电工程学院,山东淄博 255049;山东理工大学物理与光电工程学院,山东淄博 255049;山东理工大学物理与光电工程学院,山东淄博 255049【正文语种】中文【中图分类】O438;TN241【相关文献】1.湍流大气中传输光波的波相位结构解析函数 [J], 张逸新;陶纯堪2.湍流大气中斜程传输光场的相位特性 [J], 张晓欣;韩开;付福兴;张彬3.湍流大气中的准直激光束:分形结构与相位不连续点 [J], 饶瑞中4.大气湍流中部分相干光束上行和下行传输偏振特性的比较∗ [J], 柯熙政;王姣5.非Kolmogorov湍流大气中激光传输及其相位补偿研究 [J], 李南;乔春红;张鹏飞;冯晓星;范承玉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

泽尼克多项式（Zernike polynomials）常被应用于自适应光学系统中，用于模拟湍流相位屏。

在大气湍流中，光波的波前会发生畸变，而这种畸变波前可以分解为圆域内正交的泽尼克多项式。

泽尼克多项式的傅里叶变换可以用于模拟湍流相位屏。

然而，对于非Kolmogorov湍流，情况会更为复杂。

Kolmogorov湍流是一种特定的湍流模型，其统计特性在大气中广泛存在。

但在某些情况下，湍流可能会偏离Kolmogorov统计特性，这时就需要使用非Kolmogorov湍流模型。

对于非Kolmogorov湍流相位屏的模拟，需要使用适当的相位功率谱模型，而不能简单地使用Kolmogorov湍流的相位功率谱。

一种常见的方法是使用广义相位功率谱模型，该模型可以适应不同的湍流统计特性。

在模拟非Kolmogorov湍流相位屏时，泽尼克多项式仍然可以用于分解波前畸变，但需要使用与广义相位功率谱模型相匹配的泽尼克多项式。

此外，可能还需要使用其他技术，如次谐波法，来模拟低频湍流效应。

总的来说，模拟非Kolmogorov湍流相位屏需要使用更复杂的模型和方法，包括适当的相位功率谱模型和泽尼克多项式分解。

具体的实现方法可能会因具体的应用场景和需求而有所不同。

高温等离子体中太赫兹波的传输特性孟令辉;任洪波;刘建晓【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(67)17【摘要】通过解析方法研究了高温等离子体的太赫兹波传输特性.研究发现,高温等离子体对太赫兹波高频频段透过率较高,表现为通带;对低频频段透过率较低,表现为阻带.这与冷等离子体中电磁波的传输特性是一致的.但其透射率还受到温度与磁场的影响,当改变高温等离子体的电子温度与磁场时,在阻带内会产生一尖锐的透射峰.这种现象在冷等离子体模型中从来没有出现过.本文主要对电子温度和外加磁场两个影响因素进行讨论.研究发现,禁带内出现的透射峰频率受磁场影响,而峰值幅度受温度影响.计算得到了不同外加磁场条件下产生高透过率(透射率约为1,时的电子温度.基于该结果进一步研究了透射峰出现的规律,并通过曲线拟合的方法得到了透射峰频率所遵循的计算公式.数值结果表明透射峰频率与外磁场之间为正比例函数关系,而峰值电子温度取值与外磁场的关系表现为指数规律.最后对拟合得到的方程采用时域有限差分法进行了验证,数值结果与解析解符合较好,证明了该研究的正确性.【总页数】6页(P70-75)【作者】孟令辉;任洪波;刘建晓【作者单位】衡水学院物理与电子信息系, 衡水 053000;衡水学院物理与电子信息系, 衡水 053000;衡水学院物理与电子信息系, 衡水 053000【正文语种】中文【相关文献】1.太赫兹波在磁化等离子体中传输特性 [J], 周天翔;陈长兴;蒋金;任晓岳2.毫米波与太赫兹波在等离子体中传输特性 [J], 马平;秦龙;石安华;陈伟军;赵青;黄洁3.太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性 [J], 耿兴宁; 徐德刚; 李吉宁; 陈锴; 钟凯; 姚建铨4.等离子体中太赫兹波传输及成像探测特性研究 [J], 耿兴宁; 李吉宁; 徐德刚; 刘畅; 范小礼; 姚建铨5.太赫兹波在高速飞行器等离子体鞘套中的传输特性 [J], 陈锴;耿兴宁;李吉宁;钟凯;徐德刚;蒋山平;张景川;姚建铨因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

太赫兹光子晶体波导传输特性研究1. 引言1.1 背景介绍太赫兹波段位于微波和红外之间，具有较高的穿透力和较高的分辨率，因此在通信、医疗、安检等领域具有广泛应用前景。

光子晶体是一种具有周期性结构的光子导带，可以通过周期性结构调控光的传输。

太赫兹光子晶体波导是在太赫兹波段中传输光信号的一种重要结构，具有波导性质和光子晶体的特性。

研究太赫兹光子晶体波导的传输特性，可以为太赫兹波段通信系统的设计和优化提供重要参考。

本文将对太赫兹光子晶体波导传输特性进行深入研究，探讨其在太赫兹波段的应用潜力和未来发展方向。

1.2 研究意义太赫兹光子晶体波导传输特性研究具有重要的理论和实际意义。

太赫兹光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在太赫兹波段具有独特的光学性质。

通过研究太赫兹光子晶体波导的传输特性，可以深入了解太赫兹波段的光子行为，为太赫兹波段的应用提供基础理论支持。

太赫兹波段具有较强的穿透力和较高的灵敏度，因此在医学成像、化学传感、通信技术等领域有着广泛的应用前景。

太赫兹光子晶体波导的研究可以进一步优化太赫兹波段器件的性能，提高其传输效率和灵敏度，为太赫兹技术在各个领域的应用打下基础。

太赫兹波段的研究也能够促进光子晶体材料的发展和应用，推动光子学领域的发展。

对太赫兹光子晶体波导传输特性的研究具有重要的意义，将为太赫兹技术的发展和应用提供重要的理论和实践支持。

2. 正文2.1 太赫兹光子晶体的概念太赫兹光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在太赫兹波段具有特定的光学特性。

它可以通过在介电常数或磁导率的周期性变化来实现光子禁带的形成，从而引导光子在其中传播。

太赫兹光子晶体可以被用于模拟电子晶体中的电子行为，实现光子的控制和调控。

太赫兹光子晶体的结构可以通过工程设计来调控，例如通过改变晶格常数、晶格形状、填充率等参数来调节光子禁带的位置和宽度。

这使得太赫兹光子晶体在太赫兹波段的应用具有很大的潜力，例如在太赫兹波导、滤波器、偏振器等器件中的应用。

2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下：n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n1（r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。

2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。

例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。

自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。

湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。

长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。

2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。

一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。