太赫兹波大气传输特性研究

第38卷，增刊红外与激光工程2009年11月Vol.38SupplementInfraredandLaserEngineeringNov.2009收稿日期：2009-09-15基金项目：973项目专题(200CB310403)及国家自然科学基金项目资助(NSFC-60671036)作者简介：崔海霞（1979-）,女，讲师，主要从事太赫兹波大气传输方向研究。Email:[e-mail]导师简介：姚建铨（1939-），男，上海人，中国科学院院士，主要从事激光、THz、光纤传感等光电子技术太赫兹波大气传输特性研究崔海霞1,2，姚建铨1，钟凯1，李斌1（1.天津大学激光与光电子研究所，天津300072；2.长春理工大学,吉林长春130022）摘要：THz波在空间通信等方面有巨大的应用前景，所以研究THz波在大气中的传输特性至关重要。同时由于THz波的波长范围（30μm~3mm），决定了它是研究大气中水、冰、云、雾等气溶胶的重要工具。太赫兹波大气传输特性主要研究THz波的传输系统、传输的衰减效应、水吸收效应以及湍流效应等，这将使不同波长（或频率）的Thz波在不同条件下传输特性。同时，建立Thz大气传输的模型、传输的数据库及相应的测量与标定是THz波大气传输研究的核心问题。关键词：太赫兹波（THz）；大气传输；传输模型中图分类号：O43文献标识码：A文章编号：1007-2276（2009）增E-0237-04ThestudyonatmospherepropagationfeatureofTHzwaveCUIHai-xia1、2,YAOJian-quan1,ZHONGKai1,LIBin1（1.InstituteofLaserandOptoelectronicsofTianjinUniversity,Tianjin300072,China；（2.2.ChangchunUniversityScienceandTechnology,Changchun130022,China）Abstract：THzwavehasmanyapplications,suchasspacecommunication.ThestudyonpropagationfeatureofTHzwaveinatmosphereisveryimportant.BecauseTHzwavelengthsarelocatedfrom30μmto3mm,sothischaracterwillleadthatitmayusedtostudyonthosesubjectsuchasaerosolinatmospheric,includingwater,ice,cloudandfogetc.THzwavepropagationsystem,propagationattenuationeffect,waterabsorptioneffect,turbulentfloweffectwaskeyproblems.Wecanusetheseeffectstostudyatmosphericpropagation.Thecoreoftheproblemistoestablishatmosphericpropagationmodel,thenestablishdatabase,measureprocessionandcomputersystem.Keywords:Terahertzwave;Atmospherictransmission;Transmissionmodel0引言太赫兹（THz）波是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，该频率是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，THz技术可广泛用于通信、物质探测、成像、光谱、雷达、遥感、国土安全与反恐，高保密的数据通信传输，大气与环境监测，实时生物信息提取及医学诊断，工业检测等领域[1]。因此THz研究对国民经济和国家安全等有重大的应用价值。同时由于THz波的波长范围（30μm~3mm），决定了它是研究大气中水、冰、云、雾等气溶胶的重要工具。太赫兹波大气传输特性主要研究THz波的传输系统、传输的衰减效应、水吸收效应以及湍流效应等，这将使我们掌握不同波长（或频率）的Thz238红外与激光工程：光通信与光传感第38卷波在不同条件下传输特性。同时，建立Thz大气传输的模型、传输的数据库及相应的测量与标定是THz波大气传输研究的核心问题。因此，太赫兹波大气传输的特性研究倍受各国家的重视，已成为各国竞相研究的热点。1太赫兹波大气传输特性以下就太赫兹波的海平面大气传输特性和地球大气对太赫兹波观测的效应来说明太赫兹波大气传输的特性。太赫兹波的大气传输特性如图1所示，在550、450、620、73、87μm附近存在着相对透明的窗口。由图1可以看出[2]，太赫兹波在大气传输领域的吸引力并不在于它的灵敏度，而在于它可以提供更高的空间分辨率或减小孔径尺寸。但是由于水分和生物目标引起的衰减，太赫兹波的远距离遥感需要高灵敏度的探测器。例如，在100m的距离使用1cm2的探测器，就只能接收辐射到目标上的太赫兹波能量，而且还需要低温制冷技术。图1太赫兹波的海平面大气传输特Fig.1AtmosphericpropagationfeaturesofTHzwaveonseasurface太赫兹波天文观测是在氧和水汽等分子吸收带之间的一系列地球大气窗口进行的，如图2所示。这些窗口的波长约为8、3.4、2.3、1.4、0.86、0.74、0.65、0.45、0.36mm。窗口的透明度或吸收随地球对流层水汽含量而异，一般具有线性关系。然而更严重的是，大气参数（主要是水汽含量）的空间的和时间的起伏，引起大气折射、吸收和辐射的起伏，从而使观测受到限制。对流层中水汽具有尺度为几十米到上千米的空间分布不均匀性，而导致不同的光程差。至今对大气水汽含量起伏的实测和理论研究还十分不够，普遍认为大气水汽含量越小，其起伏也越小。鉴于大气效应的严重性，在应用时应考虑减少大气效应的影响。图2地球大气对太赫兹波观测的效应Fig.2ThevariableeffectofearthatmospheretoTHzwave大气的结构对太赫兹波传输是有影响的。大气是由多种元素和化合物混合而成,大致可以分为干洁的大气、水蒸汽以及其他悬浮的固体和液体粒子，其中水蒸汽对辐射的衰减影响特别严重。悬浮的固体和液体粒子，一般称为气溶胶粒子。它的一个重要概念就是尺度分布，因为不同尺度的粒子对不同波长光波的散射不一样，目前经验公式里面应用最广泛的是广义伽马分布：()()exp=−bdnrarcr式中：r为粒子半径；n(r)为半径r处单位半径间隔内气溶胶粒子浓度；abcd为拟合参数。大气对辐射能量的影响可以分为吸收射、散射以及湍流。而对于太赫兹波影响比较大的是吸收以及衰减。由以上可以看出由于太赫兹波本身的特点（波长介于30μm~3mm），对水有很强的吸收，也是研究冰、云、雾、雨、雪的重要工具，而且太赫兹波具有比毫米波更好的方向性和高的空问分辨率，比红外光更大的带宽和容量，太赫兹波的大气传输还是有很大的前景的。2太赫兹波大气传输研究的内容2.1太赫兹波大气传输系统THz通信是一个极其具应用前景的技术，THz波有非常宽的还没有分配的频带，并且具有传输速率高、方向性好、安全性好、散射角小及穿透性好等许增刊崔海霞等：太赫兹波大气传输特性研究239多特性。上世纪九十年代前，由于缺乏有效的THz源及检测技术，致使人们对THz波的认识非常有限，THz成为电磁波谱上的空隙。近十年来激光等新技术及电真空技术的迅速发展为THz的产生提供了可靠的源，THz检测技术也获得了长足的发展。由此可见，THz通信将可用于高速短距离无线互联通信及室内无线宽带接入，这正是THz超宽带无线通信的两个发展方向。另外从采用THz波的其它空间应用，如雷达、遥感、空间探测、成像、大气及波导探测而言，主要涉及THz波的三项技术，如图3所示。图3太赫兹波大气传输系统框图Fig.3SystemdiagramofTHzwaveatmospherepropagation其中THz波传输的信道是联系THz波发射及接收两部分的中间纽带，在整个THz应用来说是至关重要的部分。在近距离及室内应用而言，除了利用空间直接传输信息外，还可采用各种介质波导来传输以克服Thz波在近地大气中水蒸气吸收极大的缺点。2.2太赫兹波大气传输衰减效应[3]由于大气中存在着各种气体分子和微粒,如尘埃、烟雾等,以及刮风下雨下雪等气象变化,使部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量。部分能量被散射而偏离原来的传播方向（辐射能量在空间的重新分配）。吸收和散射的总效果是使传输光辐射强度衰减。太赫兹在大气中传播时,由于大气作用产生的能量衰减主要来自于大气分子的吸收和散射及大气气溶胶的散射。由朗伯定律,其能量衰减可以由表达式表示为：()0λβ==−RiTEXPli式中：0i为通过大气前的光强；i为通过大气后的光强；RT为波长为λ的光在大气中传输r的透过率；λβ为波长为λ的光的衰减系数；l为传输距离。当传播光信号的大气气象条件为晴朗、云、雾时,在大气水平均匀条件下,只考虑气溶胶的衰减,可写成工程上的经验公式：3.910.55λλβ−⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠qaV式中：V是能见距离（km）；λ为波长；q是波长与能见距离的相关常数。2.3太赫兹波大气传输水吸收效应在对流层中水蒸气的吸收是主要的。为了计算一定大气路程内水蒸气对辐射的吸收率,首先要计算出该路径长度内水蒸气的含量。假如知道了某一温度时的相对湿度Hr,可从表中查得同一温度下海平面每公里路经得可凝结水量W0(cm·km-1)[3],那么全程的凝结水量为：010(mmrWWHS=••×）因为大气的密度随着高度发生变化，而且吸收辐射的本领随着气温气压发生变化，因此要对上面公式进行修正。湿度随高度的分布服从下面的定律：0βαα−=HHHHe式中：αHH为高度H处的绝对湿度;β为0.45km-1。假定用eW表示辐射传输路程中,按吸收本领折算成大气近地层的等效可凝结水量的有效厚度,用HW表示某高度下的实际水厚度,则有经验公式[7][8]：0.06540β−−=HHHrWWHeSeS设θ为地面繁育传输方向之间的夹角,在不考虑地面曲率的情况下,可导出从高度H1到H2的倾斜路径上大气中可凝结水量的总有效厚度为：120.51540.515400.5154cosHHereeWWHθ−−−=据此由eW可以查表得出某波长的等价水蒸气透过率τH2O(λ)。2.4太赫兹波大气传输的湍流效应大气的物理性质在不同高度、不同位置都是不一样的。即使同一点的不同时刻大气都会产生变化。大气最重要的特征就是通常处于湍流运动状态,大气折射率的随机起伏也是由湍流运动引起的。大气湍流导致大气折射率不断起伏，从而使得光波的振幅和相位产生随机起伏,造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降低及偏振状态起伏等现象。湍流对光束的影响大致可根据湍流尺度的不同分为三种：当湍流尺度大于光束直径时,光束发生随机偏折,主要表现为接收端的光束漂移；当湍流尺度240红外与激光工程：光通信与光传感第38卷几乎等于光束直径时，光束也会发生随机偏折，主要表现为到达角的起伏、像点抖动；当湍流尺度小于光束直径时,光束发生衍射,相干性下降,主要表现为光束扩展、光强起伏及光强衰落。THz波大气传输的湍流效应模型国际上研究尚少，这也是以后的努力方向。以上太赫兹波大气传输内容的研究，换句话，即使我们了解不同大气条件状况条件对THz波传输的影响，从而为进行某种THz波的应用奠定理论基础及应用基础，也为主动而有效地发展THz波特性去适应不同的大气条件，以达到特定的应用要求[5]。3太赫兹波大气传输模型分析[6]THz波大气传输其中核心问题是建立Thz大气传输的模型，由此建立Thz大气传输的数据库，标准化相应的测量过程及标定程序。这方面世界发达国家美日等国已做了大量的工作,这些工作将为Thz的空间应用奠定必要的基础。目前计算的T