發(fā)布時間：2020-11-12 22:18

　　 隨著太赫茲輻射源、太赫茲探測和成像技術的發(fā)展,太赫茲波的輻射傳輸特性在寬帶通信、雷達探測、電子對抗、電磁武器等領域倍受關注。太赫茲波段在空間大氣水凝物中的輻射傳輸特性,對研究空間環(huán)境太赫茲雷達探測、通信等領域具有重要的應用價值,是建立戰(zhàn)場環(huán)境中太赫茲波/脈沖的散射和傳輸仿真計算模型的基礎。本論文基于地球大氣傳輸概況及波在離散隨機介質中的傳輸理論,研究了太赫茲波、紅外波在大氣水凝物中的輻射傳輸特性。得到了不同模型下的太赫茲波段水的復折射率隨頻率的變化關系;基于時變離散隨機介質的脈沖傳播理論分析了紅外、太赫茲信號在不同濃度霧中的雙頻互相關函數;對比了太赫茲脈沖波在水凝物中的展寬、畸變和時延,得到了紅外高斯脈沖在霧天氣、沙塵性氣溶膠中的時延,以及太赫茲高斯脈沖在雨中的時延;考慮單次散射近似理論及多次散射理論,運用蒙特卡羅法得到了紅外、太赫茲信號在雨中的衰減特性及在霧中的多次散射特性;考慮霧滴粒子譜分布,得到了紅外、太赫茲信號的透過率、反射率、前向后向散射強度隨角度的變化關系等。論文的主要內容如下:1.分析了氣體分子能級躍遷與光譜特性,比較了大氣典型氣體分子的吸收譜線,對比發(fā)現大氣中水汽和氧氣對太赫茲波的吸收不可忽略。水凝物是由水(降雨、霧、云)和冰組成的。由此知道水凝物對于太赫茲波的傳輸影響較大。用幾種不同的模型得到了太赫茲波段水的復折射率隨頻率的變化,并與HITRAN數據庫提取值做了對比。2.計算了太赫茲波段大氣背景輻射特性,給出了0.1~1THz頻段內的大氣背景輻射亮溫。該工作對于研究隨機介質中太赫茲波的輻射傳輸特性,掌握不同溫度、能見度等條件下,太赫茲頻段大氣透過率窗口的位置和寬度,及促進該頻段在傳輸、通信、雷達探測等方面的應用具有重要意義。3.基于時變離散隨機介質的脈沖傳播理論,詳細分析了紅外波、太赫茲波在霧中的雙頻互相關函數,對比了不同能見度、頻率下信號的雙頻互相關函數的幅度及相位變化;得到了高斯脈沖輸入時信號的展寬和畸變及時延,對比了紅外高斯脈沖在霧天氣、沙塵性氣溶膠中的時延,以及太赫茲高斯脈沖在雨中的時延。結果表明,脈沖時延和輸入脈沖波長、傳輸距離以及粒子濃度有關。該結果對于研究修正脈沖信號在大氣水凝物中傳輸產生的形變具有重要的理論意義。4.基于降雨的物理特性,重點分析了單個球形雨滴粒子的消光特性、散射特性及相函數,對比了考慮不同雨滴粒子譜時,紅外、太赫茲信號的衰減。所得不同雨滴譜分布下信號的衰減與ITU-R數據做了對比。該結果為研究太赫茲頻段在雨介質中的信號衰減實驗提供了理論參考。5.基于霧的物理特性,詳細分析了紅外信號、太赫茲信號在霧中的單次散射、多次散射特性,重點分析了單個霧滴粒子的消光特性、散射特性,以及考慮霧滴粒子群時信號的透過率、反射率、前向后向散射強度隨角度的變化關系等。以上工作對于分析霧天氣對于不同波段信號的影響效果,擴展現有通信系統(tǒng)的頻率選擇,以及促進通信技術發(fā)展和應用都有著重要的參考價值。
【學位單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O434.3
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
符號對照表
縮略語對照表
第一章 緒論
    1.1 太赫茲波和紅外波簡介
    1.2 國內外研究狀況及發(fā)展方向
    1.3 選題意義及主要內容
    1.4 論文創(chuàng)新點
第二章 地球大氣傳輸概況
    2.1 引言
    2.2 地球大氣組成
        2.2.1 水汽
        2.2.2 氣溶膠
        2.2.3 其他大氣成分
    2.3 氣體分子能級躍遷與光譜特性
        2.3.1 大氣分子吸收光譜的形成
        2.3.2 振動-轉動帶的結構
        2.3.3 譜線強度、半寬度與線型
    2.4 大氣主要組成成分的吸收譜線
        2.4.1 逐線吸收
        2.4.2 連續(xù)吸收
    2.5 水凝物的THz波段復折射率
    2.6 本章小結
第三章 波在離散隨機介質中傳輸的基本理論
    3.1 引言
    3.2 單個球形粒子散射Mie理論
        3.2.1 Mie理論
        3.2.2 單個球形粒子的散射與衰減
    3.3 波在離散隨機介質中的單次散射近似理論
        3.3.1 單次散射近似理論
        3.3.2 衰減率表示
        3.3.3 比爾-布格-朗伯定律
    3.4 信號在離散隨機介質中的多次散射效應
    3.5 用蒙特卡羅方法處理多重散射
    3.6 本章小結
第四章 大氣背景紅外與THz波的輻射特性
    4.1 引言
    4.2 紅外波段的大氣輻射特性
        4.2.1 太陽輻照度
        4.2.2 大氣透過率
        4.2.3 天空大氣輻射亮度
    4.3 THz波段大氣背景輻射特性
        4.3.1 大氣主要組成成分的吸收譜線
        4.3.2 大氣背景下的THz波的輻射特性
    4.4 本章小結
第五章 降雨的紅外與THz波段傳輸特性
    5.1 引言
    5.2 降雨的物理特征
        5.2.1 降雨的分類
        5.2.2 雨滴的形狀和降落速度
        5.2.3 常用雨滴尺度分布模型
    5.3 平面波在雨中的傳播特性
        5.3.1 THz波段單個球形雨滴散射特性
        5.3.2 紅外波段單個球形雨滴散射特性
        5.3.3 降雨對THz波段信號的衰減
    5.4 本章小結
第六章 紅外與THz波在霧中的傳輸特性
    6.1 引言
    6.2 霧的物理特性
        6.2.1 霧的基本概念
        6.2.2 霧滴譜分布
        6.2.3 霧滴譜特征分析
        6.2.4 單個霧滴粒子散射特性
    6.3 平面波在霧中的單次散射
        6.3.1 紅外信號在霧中的單次散射
        6.3.2 THz信號在霧中的單次散射
    6.4 平面波在霧中的多重散射
        6.4.1 紅外信號在霧中的多重散射
        6.4.2 THz信號在霧中的多重散射
    6.5 本章小結
第七章 大氣水凝物中紅外與THz脈沖波的傳輸效應
    7.1 引言
    7.2 時變離散線性隨機介質中的脈沖傳播
        7.2.1 脈沖傳播基本理論
        7.2.2 相干時間
        7.2.3 相干帶寬
        7.2.4 脈沖畸變與延時
    7.3 信號在大氣水凝物中的的雙頻互相關函數
        7.3.1 紅外信號在霧中的MCF
        7.3.2 THz信號在霧中的MCF
    7.4 高斯脈沖在大氣水凝物中的展寬和時延
        7.4.1 紅外高斯脈沖信號在霧中的展寬與時延
        7.4.2 紅外高斯脈沖信號在沙塵性氣溶膠中的展寬與時延
        7.4.3 THz高斯脈沖信號在雨中的時延
    7.5 本章小結
第八章 結論和展望
    8.1 研究結論
    8.2 研究展望
致謝
參考文獻
作者簡介

【參考文獻】

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1 盧昌勝;吳振森;李海英;林樂科;趙振維;;基于HITRAN的太赫茲波大氣吸收特性[J];太赫茲科學與電子信息學報;2013年03期

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1 萬玲玉;氣象條件對近地視距光通信鏈路的影響研究[D];廣西大學;2002年

本文編號：2881307