大气水凝物中THz波和红外波的辐射传输特性

发布时间：2020-11-12 22:18

　　 随着太赫兹辐射源、太赫兹探测和成像技术的发展,太赫兹波的辐射传输特性在宽带通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器等领域倍受关注。太赫兹波段在空间大气水凝物中的辐射传输特性,对研究空间环境太赫兹雷达探测、通信等领域具有重要的应用价值,是建立战场环境中太赫兹波/脉冲的散射和传输仿真计算模型的基础。本论文基于地球大气传输概况及波在离散随机介质中的传输理论,研究了太赫兹波、红外波在大气水凝物中的辐射传输特性。得到了不同模型下的太赫兹波段水的复折射率随频率的变化关系;基于时变离散随机介质的脉冲传播理论分析了红外、太赫兹信号在不同浓度雾中的双频互相关函数;对比了太赫兹脉冲波在水凝物中的展宽、畸变和时延,得到了红外高斯脉冲在雾天气、沙尘性气溶胶中的时延,以及太赫兹高斯脉冲在雨中的时延;考虑单次散射近似理论及多次散射理论,运用蒙特卡罗法得到了红外、太赫兹信号在雨中的衰减特性及在雾中的多次散射特性;考虑雾滴粒子谱分布,得到了红外、太赫兹信号的透过率、反射率、前向后向散射强度随角度的变化关系等。论文的主要内容如下:1.分析了气体分子能级跃迁与光谱特性,比较了大气典型气体分子的吸收谱线,对比发现大气中水汽和氧气对太赫兹波的吸收不可忽略。水凝物是由水(降雨、雾、云)和冰组成的。由此知道水凝物对于太赫兹波的传输影响较大。用几种不同的模型得到了太赫兹波段水的复折射率随频率的变化,并与HITRAN数据库提取值做了对比。2.计算了太赫兹波段大气背景辐射特性,给出了0.1~1THz频段内的大气背景辐射亮温。该工作对于研究随机介质中太赫兹波的辐射传输特性,掌握不同温度、能见度等条件下,太赫兹频段大气透过率窗口的位置和宽度,及促进该频段在传输、通信、雷达探测等方面的应用具有重要意义。3.基于时变离散随机介质的脉冲传播理论,详细分析了红外波、太赫兹波在雾中的双频互相关函数,对比了不同能见度、频率下信号的双频互相关函数的幅度及相位变化;得到了高斯脉冲输入时信号的展宽和畸变及时延,对比了红外高斯脉冲在雾天气、沙尘性气溶胶中的时延,以及太赫兹高斯脉冲在雨中的时延。结果表明,脉冲时延和输入脉冲波长、传输距离以及粒子浓度有关。该结果对于研究修正脉冲信号在大气水凝物中传输产生的形变具有重要的理论意义。4.基于降雨的物理特性,重点分析了单个球形雨滴粒子的消光特性、散射特性及相函数,对比了考虑不同雨滴粒子谱时,红外、太赫兹信号的衰减。所得不同雨滴谱分布下信号的衰减与ITU-R数据做了对比。该结果为研究太赫兹频段在雨介质中的信号衰减实验提供了理论参考。5.基于雾的物理特性,详细分析了红外信号、太赫兹信号在雾中的单次散射、多次散射特性,重点分析了单个雾滴粒子的消光特性、散射特性,以及考虑雾滴粒子群时信号的透过率、反射率、前向后向散射强度随角度的变化关系等。以上工作对于分析雾天气对于不同波段信号的影响效果,扩展现有通信系统的频率选择,以及促进通信技术发展和应用都有着重要的参考价值。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O434.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
    1.1 太赫兹波和红外波简介
    1.2 国内外研究状况及发展方向
    1.3 选题意义及主要内容
    1.4 论文创新点
第二章 地球大气传输概况
    2.1 引言
    2.2 地球大气组成
        2.2.1 水汽
        2.2.2 气溶胶
        2.2.3 其他大气成分
    2.3 气体分子能级跃迁与光谱特性
        2.3.1 大气分子吸收光谱的形成
        2.3.2 振动-转动带的结构
        2.3.3 谱线强度、半宽度与线型
    2.4 大气主要组成成分的吸收谱线
        2.4.1 逐线吸收
        2.4.2 连续吸收
    2.5 水凝物的THz波段复折射率
    2.6 本章小结
第三章 波在离散随机介质中传输的基本理论
    3.1 引言
    3.2 单个球形粒子散射Mie理论
        3.2.1 Mie理论
        3.2.2 单个球形粒子的散射与衰减
    3.3 波在离散随机介质中的单次散射近似理论
        3.3.1 单次散射近似理论
        3.3.2 衰减率表示
        3.3.3 比尔-布格-朗伯定律
    3.4 信号在离散随机介质中的多次散射效应
    3.5 用蒙特卡罗方法处理多重散射
    3.6 本章小结
第四章 大气背景红外与THz波的辐射特性
    4.1 引言
    4.2 红外波段的大气辐射特性
        4.2.1 太阳辐照度
        4.2.2 大气透过率
        4.2.3 天空大气辐射亮度
    4.3 THz波段大气背景辐射特性
        4.3.1 大气主要组成成分的吸收谱线
        4.3.2 大气背景下的THz波的辐射特性
    4.4 本章小结
第五章 降雨的红外与THz波段传输特性
    5.1 引言
    5.2 降雨的物理特征
        5.2.1 降雨的分类
        5.2.2 雨滴的形状和降落速度
        5.2.3 常用雨滴尺度分布模型
    5.3 平面波在雨中的传播特性
        5.3.1 THz波段单个球形雨滴散射特性
        5.3.2 红外波段单个球形雨滴散射特性
        5.3.3 降雨对THz波段信号的衰减
    5.4 本章小结
第六章 红外与THz波在雾中的传输特性
    6.1 引言
    6.2 雾的物理特性
        6.2.1 雾的基本概念
        6.2.2 雾滴谱分布
        6.2.3 雾滴谱特征分析
        6.2.4 单个雾滴粒子散射特性
    6.3 平面波在雾中的单次散射
        6.3.1 红外信号在雾中的单次散射
        6.3.2 THz信号在雾中的单次散射
    6.4 平面波在雾中的多重散射
        6.4.1 红外信号在雾中的多重散射
        6.4.2 THz信号在雾中的多重散射
    6.5 本章小结
第七章 大气水凝物中红外与THz脉冲波的传输效应
    7.1 引言
    7.2 时变离散线性随机介质中的脉冲传播
        7.2.1 脉冲传播基本理论
        7.2.2 相干时间
        7.2.3 相干带宽
        7.2.4 脉冲畸变与延时
    7.3 信号在大气水凝物中的的双频互相关函数
        7.3.1 红外信号在雾中的MCF
        7.3.2 THz信号在雾中的MCF
    7.4 高斯脉冲在大气水凝物中的展宽和时延
        7.4.1 红外高斯脉冲信号在雾中的展宽与时延
        7.4.2 红外高斯脉冲信号在沙尘性气溶胶中的展宽与时延
        7.4.3 THz高斯脉冲信号在雨中的时延
    7.5 本章小结
第八章 结论和展望
    8.1 研究结论
    8.2 研究展望
致谢
参考文献
作者简介

【参考文献】

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1 卢昌胜;吴振森;李海英;林乐科;赵振维;;基于HITRAN的太赫兹波大气吸收特性[J];太赫兹科学与电子信息学报;2013年03期

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1 万玲玉;气象条件对近地视距光通信链路的影响研究[D];广西大学;2002年

本文编号：2881307