太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,它几乎渗透于所有的太赫兹应用技术领域.现有文献中所说的太赫兹大气传输基本都是水平路径的传输,而文章基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)数据库,建立了太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减模型,对0.1～1 THz频段太赫兹波沿倾斜路径传输的吸收衰减特征进行了数值模拟研究.分析了低端太赫兹大气传输的窗口结构,为太赫兹地空通信提供了理论参考.     

沙尘环境下太赫兹波衰减特性

对沙尘环境下太赫兹波衰减特性进行研究,在国际电信联盟(ITU)大气衰减模型的基础上,增加了不同类型沙尘的影响。基于大气毫米波传播模型(MPM)预测了1 THz内大气衰减特性;根据Mie散射理论计算了太赫兹波在沙尘环境下因沙尘颗粒产生的衰减;结合以上两种因素得出沙尘环境下太赫兹的衰减特性。本文的研究结果对太赫兹在沙尘环境下传输应用具有重要的参考意义,也为其他颗粒环境太赫兹波传输特性的计算提供了参考。     

低太赫兹频段ITU大气吸收模型伪线谱的修正研究

针对ITU建议书ITU-R P.676大气吸收模型在太赫兹频段误差偏大的问题,基于分子响应理论的大气模型（atmosphere model,AM）提出了一条低误差的、符合ITU模型规范的新伪线谱(new pseudo-line, nPL). 通过多目标粒子群算法对多参数进行拟合,设定多个目标函数,在尽可能不增大300 GHz以下大气吸收衰减计算误差的同时,减小了300 GHz以上太赫兹频段的误差. 结果表明:在标准大气压下使用nPL,使得ITU模型在900 GHz以内的大气吸收衰减计算误差得到了有效降低;在5～20 °C、0.6～1.0 atm条件下表现也较为良好. 本文所提的nPL模型提供了更精确的大气吸收衰减值,对未来太赫兹波的传输建模、仿真分析及系统设计均有指导意义.     

太赫兹波大气衰减的抛物方程模型

抛物方程是一种模拟电波传播特性的高效模型,但目前抛物方程模型在模拟电波传播时,主要考虑大气的折射效应而忽略了其吸收作用,然而太赫兹波的大气衰减较为严重。通过引入大气分子吸收的复折射率,实现了应用抛物方程模型计算太赫兹波的大气衰减。该模型考虑了大气压强、温度和水汽密度等气象参数随高度变化对大气衰减的影响,且能够针对不同地区和季节的气象条件对大气衰减进行计算,与真实环境更加符合。最后利用该模型仿真分析了0.14 THz波的传播特性,给出了传播损耗随距离和高度的变化,并与忽略大气衰减的结果进行了对比,结果表明抛物方程模型能同时体现太赫兹的大气吸收效应和多径传播效应。     

太赫兹脉冲大气传输衰减特性

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,渗透于所有的太赫兹应用技术领域。研究基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(JPL)数据库,建立了太赫兹脉冲大气传输衰减与色散模型,对0.1 THz~1 THz频段太赫兹辐射在水汽中的吸收衰减特性进行了数值模拟研究,与现有的文献数据进行了比对。通过计算太赫兹脉冲大气传输,分析不同水汽密度和传输距离对波形幅值、相位及频谱特性的影响,得到了3个比较稳定的太赫兹脉冲大气传输窗口0.14 THz~0.17 THz、0.19 THz~0.32 THz和0.32 THz~0.37 THz,为太赫兹通信和时域太赫兹空间传输提供了理论参考。     

太赫兹波大气分层传输特性

基于修正的Van-Vleck Weisskopf(VVW)线型,辐射传输色散理论和水汽连续体吸收模型,结合HITRAN数据库,建立了太赫兹(THz)波大气传输衰减和色散模型,并与毫米波传播模型(MPM)的结果进行了对比分析。加入新的天顶分层方法,形成了对宽频THz波在真实大气中纵向传输吸收衰减和色散的数值模拟能力。研究了不同传输距离下THz波大气分层传输衰减与色散特性、340 GHz和410 GHz窗口特性。研究结果表明：340 GHz和410 GHz大气窗口垂直传输10 km以上,衰减分别低于25 dB和45 dB,群速色散很低,相位变化在0.01个量级,信号传输失真度小。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

对称非球形冰晶对太赫兹波的衰减效应

水汽凝结体对太赫兹波在大气中的传输衰减起重要作用。结合T-matrix方法,数值模拟了云层中非球形冰晶在太赫兹波段的吸收和散射效应,建立了对称性非球形冰晶的太赫兹波衰减统计模型。分析了不同结构的非球形冰晶的消光特性,对比MPM模型的球形水云衰减,结果显示太赫兹波段对称非球形冰晶的散射特性明显,衰减效应强于球形水滴,衰减系数平均为20 dB左右,1 THz以上消光截面随冰晶形状的变化而变化,为太赫兹星地通信提供了参考数据。     

太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要.对太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究.分析了太赫兹平面波在湍流大气中传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化.以高斯波束为例,研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距离等物理量的演化规律.研究结果表明,在太赫兹波段,频率越高,闪烁指数越大,饱和距离就越小.总体上看,太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波之间;对于太赫兹大气通信和成像等短程应用,太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于弱起伏状态;但对于太赫兹雷达和遥感等应用,由于传输距离较远,可能会出现强起伏.     

Sensitivity of an atmospheric correction algorithm fornon-Lambertian vegetation surfaces to atmospheric parameters

An atmospheric correction algorithm has been proposed by S.A.W. Gerstl and C. Simmer (1986) that removes atmospheric perturbations from off-nadir radiances measured at the top of the atmosphere in the visible and near-infrared wavelength regions. The correction formalism requires as minimum information the total optical depth of the atmosphere and the surface albedo. The sensitivity of the model to assumptions about the aerosol scattering phase function, the single scattering albedo, and the vertical profile of the optical depth are tested. The authors find that the forward scattering asymmetry must be known most accurately to perform a reliable atmospheric correction for aerosol-laden atmospheres when high-resolution and off-nadir imagery is considered and the surface bidirectional reflectance distribution function is to be retrieved     

辐射特性测量大气传输修正研究:大气辐射传输模式和关键大气参数分析

工作于大气中的光电测量（或遥感）设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析,论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。     

实时大气传输计算软件的研制

应用MODTRAN进行大气传输计算时通常需要输入大量参数,给使用带来不便.为此,开发了一套基于MODTRAN算法的大气传输计算软件,该软件只需输入少量数据,能够迅速地计算大气透过率,方便了外场试验.软件界面简洁,既可独立运行,又能够与其他软件连接.     

大气波导与气象物理量场相关性的模拟分析

利用NCEP再分析数据和探空数据,使用MM5中尺度数值模式模拟分析了发生在中国东南沿海的一次大气波导过程与温度、湿度和位涡等气象物理量场的相关性.数值模拟分析表明:此次悬空波导的发生是西风槽等系统携带的冷空气与北上台风共同作用引起的,同时位涡场极大值区域(极大值一般大于2PVU)与大气波导出现的区域相对应,分析位涡场变化可作为大气波导机理和预报研究的途径之一.     

A horizontal atmospheric temperature sounder: Applications to remote sensing of atmospheric hazards

Several atmospheric hazards, including wind shear, clear-air turbulence, and wake vortices cause special problems for aircraft. These phenomena are usually characterized by a change in temperature relative to ambient, which may be detected by a millimeter wave radiometer operating on an absorption line in the atmosphere. Because of available componentry with excellent performance and relative freedom from interference by water vapor, the family of oxygen absorptions centered near 60 GHz is considered the best atmospheric feature on which the design of such an instrument could be based. This paper describes a multi-channel radiometer operating near 60 GHz which should be capable of detecting the hazards mentioned above as well as other potential dangers such as the passage of strong fronts and other severe weather. It is shown that a carefully designed instrument will be capable of measuring range to a hazard to an accuracy of about 5 percent and temperature difference to an accuracy of approximately half the actual measured difference, depending on range and temperature. An actual design is proposed, and graphs of expected performance are included.     

Retrieving atmospheric temperature profiles by microwave radiometryusing a priori information on atmospheric spatial-temporalevolution

A new approach is presented to determine atmospheric temperature profiles by combining measurements coming from different sources and taking into account evolution models derived by conventional meteorological observations. Using a historical database of atmospheric parameters and related microwave brightness temperatures, the authors have developed a data assimilation procedure based on the geostatistical Kriging method and the Kalman filtering suitable for processing satellite radiometric measurements available at each satellite pass, data of a ground-based radiometer, and temperature profiles from radiosondes released at specific times and locations. The Kalman filter technique and the geostatistical Kriging method as well as the principal component analysis have proved very powerful in exploiting climatological a priori information to build spatial and temporal evolution models of the atmospheric temperature field. The use of both historical radiosoundings (RAOBs) and a radiative transfer code allowed the estimation of the statistical parameters that appears in the models themselves (covariance and cross-covariance matrices, observation matrix, etc.). The authors have developed an algorithm, based on a Kalman filter supplemented with a Kriging geostatistical interpolator, that shows a significant improvement of accuracy in vertical profile estimations with respect to the results of a standard Kalman filter when applied to real satellite radiometric data     

辐射特性测量大气传输修正研究:大气传输修正系统

大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了研制的目标辐射特性测量大气传输修正系统和中分辨率通用辐射大气传输计算软件（CART）,展示了大气传输修正结果和外场实际水平距离测量结果的部分对比,定量评估了目标探测常用的中波和长波红外波段大气传输修正精度。     

Performance analysis of atmospheric optical subcarrier-multiplexing systems and atmospheric optical subcarrier-Modulated code-division multiplexing systems

This paper analyzes the performance of the atmospheric optical subcarrier multiplexing (AO-SCM) systems and the atmospheric optical subcarrier-modulated code-division multiplexing (AO-CDM) systems. The average received carrier-to-interference-plus-noise ratio (CINR) of the AO-SCM systems and the AO-CDM systems on a turbulence channel with the scintillation and the nonlinearity of a laser diode is derived. It is shown that the received CINR of the AO-CDM systems is larger than that of the AO-SCM systems when the number of channels is four for the same optical modulation index (OMI), and vice versa, when the number of channels is 16 for the same OMI.