太赫兹大气传输特性实验设计研究

第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集６７９太赫兹大气传输特性实验设计研究周逊１，３李赜宇１，３罗振飞１，３董志伟２，３杨存榜１，３（１．激光聚变研究中心９）１ｌ成都６１００４１；

２．北京应用物理与计算数学研究所北京１０００９４；

３．中国工程物理研究院太赫兹研究中心四川绵阳６２１９００）

摘要太赫兹在高速率通信、高分辨率雷达等方面具有广阔的应用前景，而对太赫兹辐射的大气传输特性及其规律进行系统的理论与实验研究则是发展利用该频谱资源的基础条件。本文将侧重于大气对太赫兹频段电磁辐射的吸收衰减实验测试研究。通过双光路的差分系统设计，尽可能地减小太赫兹辐射源输出功率不稳定性所产生的系统误差，完成大气模拟环境下太赫兹波段多个频点传输的功率变化测定，以探索大气环境对不同频段ＴＨｚ波衰减的规律性；同时，建立太赫兹大气传输特性动态数据库对海量大气环境数据进行有效地分析，为实验数据处理及理论研究提供支持。关键词太赫兹大气传输大气模拟室动态数据库

１引言太赫兹（ＴＨｚ）波通常是指频率在０．３ＴＨｚ～１０ＴＨｚ范围内的电磁波，处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光波之间，是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域‘１－３】，也是有待大力发展的军用电磁频谱资源，在军事领域，尤其是在超高速通信、高分辨率雷达等方面有重要应用前景阳】。

太赫兹大气传输特性研究是太赫兹诸多研究、应用的基础，具有重要的学术意义和实用价值。大气对太赫兹辐射传输而言存在一定的非协作性，即存在吸收衰减‘７－８】。地球大气从地面至顶层可以分为对流层、平流层、中层、热层和逃逸层。目前，多数太赫兹应用均发生在对流层。对流层包含地球大气总质量的８０％，绝大部分水汽，几乎所有的天气现象也都发生在对流层。对流层大气对太赫兹有非常明显的连续和线吸收作用，表现为衰减系数随频率缓慢上升的同时呈振荡分布，存在多个吸收峰和透射窗口ｐ１０】。由于目前太赫兹辐射源功率还无法做到足够大，因此要实现对流层中太赫兹通信及雷达应用，掌握不同湿度、温度、压强、组分条件下的太赫兹频段大气窗口的位置和宽度，是利用好该频谱资源的前提条件。

２太赫兹大气传输特性实验平台设计为了研究太赫兹大气传输特性，需要通过对太赫兹电磁辐射的大气光谱透过率进行研究、计算，首先是建立太赫兹大气传输特性理论模型；随后构建太赫兹大气传输特性实验装置，完成实验室大气传输实验，获取具有一定置信度的实验数据；同时，须建立太赫兹大气传输数据库和数据处太赫兹大气传辅特性实验设＊研究理系统，并将实验所获得的太赫兹大气传输数据与太赫兹尢气传输特性理论模型进行比较验证，进一步修正、优化理论模型。开展太赫兹辐射大气衰减实验研究，必须首先对太赫兹辐射源进行优化选择，井对太赫兹波源谱线的测量方法、输出功率稳定性、太赫兹辐射在传输路径上的散射、反射损失等进行研究：同时设计具有良好的输入输出匹配性能太赫兹波传输系统，以实现太赫兹波高效、集中传输：设计大气模拟室，即可通过调整温度、湿度、气压等参数，以模拟ＴＨｚ波在不同温度、不同湿度、不同气压条件下不同气体如氨气、干燥空气以及水蒸气等的传输环境；设计太赫兹测试系统等等，咀实现对各种太赫兹辐射的大气衰减测量。本文选择ＦＩＲＬｌ００一体化ＴＨｚ激光器作为太赫兹源。这种ＴＨｚ激光器系统是利用Ｃ０２檄光器泵浦有机分子，不同的Ｃ０２激光谱线使得有机分子发射艟级跃迁，粒子数翻转，经过谐振腔得到相应的ＴＨｚ波段激光谱线输出，输出功率可达ｌ５０ｒｏｗ＠２５２ＴＨｚ（１１８８９ｍ）ａｎｄｌ．６３ＴＩ－ｉｚ（１８４３ｐｍ），

可在０２５ＴＨｚ一７５ＴＨｚ频段内产生近８０条谱线输出。经分析比较，从太赫兹频段的覆盖性、功率强度和频率的稳定性，ＦＩＲＬ１００作为输出光源较为适合开展这类太赫兹辐射大气衰减实验。因为ＴＨｚ辐射源本身所具有的不稳定性，其不同时刻辐射的功率将产生一定的波动性，同时，由于所设计大气模拟宦的规模限制，注入大气模拟室币同气体带来的不同衰减最是很轻微的，若不能最大限度地剔除ＴＨｚ辐射源功率的不稳定性误差，则是后的测试结果难以反映不同大气成分真实的衰减状况。故此，在光路系统上进行了如下设计：ＴＨｚ激光经过聚焦准亢后．由分束镜分为两束，它们的能量分配经过调节后，分别射＾两个相同型号结构的大气模拟室，都在相同低真空的前提下测量两束太赫兹波的功率之差，并将该功率之差确定为两条光路之间的系统误差Ａ。这样，每次大气传输特性实验，都将用差分探Ⅻ４器进行两条光路的测试，其中被剥大气模拟室可实现不同气体、不同温度、湿度、气压条件下的大气环境。而另个标准大气模拟富则始终保持第一次所测低真空的大气环境，这样，两者的所测功率之差再考虑原先系统误差Ａ，就为不同大气环境下

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所产生的太赫兹波大气传输衰减，同时可以计算出ＴＨｚ波对于气体的透过率，从而得出气体对ＴＨｚ波的吸收系数。基于双光路测试思路，最终搭建的测试系统主要由ＴＨｚ波源、透镜、分束镜、反射镜、大气模拟腔室及ＴＨｚ探测器组成，如图１所示。本文设计的大气模拟室由主要由真空泵及气池两部分组成，如图１所示。真空泵将与其连接的气路预先抽成真空，减小气池中杂气对测试的影响。气池以不锈钢管为主体两端用不锈钢法兰焊接，用法兰螺栓将特氟龙块、氟橡胶“０”型密封圈上紧密封，特氟龙确保ＴＨｚ波良好穿透及气密性，并可方便对特氟龙块进行拆卸清洁或更换。真空泵与大气模拟室连接处的阀门采用可调节抽速的手动阀，方便调节气体压强。当需要气池保持真空时，只需将气池抽至真空，关闭手动阀门，再拆卸快卸卡箍ｌ即可。应用双光路测试系统，可计算ＴＨｚ大气传输后的功率衰减量。设由ＴＨｚ源出射的ＴＨｚ波强度为２（１０＋ＡＩ），其中２１０为常数，２ＡＩ为ＴＨｚ波源不稳定性引起的波动分量，则经过分束比为１：ｌ的分束片后透射（ａ路）及反射（ｂ路）ＴＨｚ波强度均为：１０＋ＡＩ。再沿原方向经过真空腔室后ＴＨｚ波的功率衰减量为Ｉａ，垂直方向经过反射镜反射并经过另一个真空腔室后ＴＨｚ波的功率衰减量为Ｉｂ，则两个接收端所接收到的功率分别为：Ｉｉ＝１０＋ＡＩ－Ｉａ，１２＝１０＋ＡＩ－Ｉｂ，那么系统误差Ａ＝１１－１２＝Ｉｂ－Ｉａ。当ａ路的真空腔室充入测试气体而ｂ路腔室保持真空状态时，ａ路探测器接收到的ＴＨｚ强度将变为１１９ａｓ＝１０＋ＡＩ－Ｉａ－Ｉｇａｓ，那么Ｉｌｇａｓ－１２＝Ａ－Ｉｇａｓ，由于１１９ａｓ－１２是测量值，而Ａ是与ＴＨｚ波动无关的量，则可以计算出充入的气体对ＴＨｚ波功率的衰减量为Ｉｇａｓ＝（１１９ａｓ－１２）－－Ａ。根据上述基本测量方法，开展氮气、水汽、干燥空气对ＴＨｚ波的吸收测量。由于这三种气体的物理性质不同，测量过程中对它们的处理存在如下差异：①氮气。实验选用高纯氮气。真空泵将大气模拟室抽真空之后，关闭真空阀，直接用塑胶软管将氮气接入腔室，流量通过腔室的进、出口阀门来调节，以使气压保持在所需的恒定值。②水汽。水汽是大气中造成ＴＨｚ波传输强烈衰减的重要因素，也是大气中含量、形态最易发生变化的气体。实验中为了排除其他气体对测量的干扰，采用真空蒸发纯净水的方式生成水汽。实验装置中将装有纯净水的烧瓶接到大气模拟室进气口，出气口接液氮冷阱冷凝水分以保护真空泵。③干燥空气。干燥压缩空气由配气厂商供应。真空泵将大气模拟室抽真空之后，关闭真空阀，直接用塑胶软管将干燥压缩空气接入腔室，流量通过腔室的进、出口阀门来调节，以使气压保持在所需的恒定值。

３太赫兹大气传输动态数据库研究在掌握太赫兹辐射的大气传输特性及规律，对大气传输辐射衰减的状况与影响因素深入研究过程中，实验数据的分析处理非常重要。本文设计的动态数据库在传统数据库上层，抛弃磁盘数据管理的传统方式，针对数据全部在内存重新设计体系结构及各种算法，同时在动态数据库的基础上，建立数据处理及分析系统，实现对太赫兹大气传输有关仿真、计算和数据分析处理的技术支撑。太赫兹大气传输特性实验设计研究３．１整体架构设计本文设计的太赫兹大气传输动态数据库分为五个层次，分别是原始数据层、基础数据库平台层、动态数据库平台层、数据处理系统层和应用层，如图２所示。

ｌ大气传输理论研究ｌ太赫兹通信ｌＩ太赫兹雷达ｌ”・

个奎动态数据库动态数据库数据处理系统＇１

动态数据库服务组件

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ｌ大气光谱数据ｌ大气模型Ｊｌ实验数据ＩｍＯＯ

图２太赫兹大气动态数据库系统架构原始数据层包括大气参数、模型、实验数据、图表数据等各种原始数据，这些数据通过格式转换或者间接引用在基础数据库平台体现出来。基础数据库平台包括两个部分，基础数据库和基础数据库服务组件。基础数据库是一个健壮的大型数据库平台，包含原始数据或其引用。在此之上是基础数据库服务组件，这是运行在基础数据库上的软件系统，提供对基础数据库数据的直接访问接口。动态数据库平台建立在基础数据库平台之上，将关注的数据载入内存，动态组织成内存数据库，的问题，极大地提高数据存取效率。通过动态数据库服务组件，针对不同的应用需求这样就几乎可以做到完全避免磁盘ＩＯ操作带来

在基础数据库平台和动态数据库平台上，还有一个部分是数据库相关数据处理系统，这包括对各种原始数据的处理，对外部数据源的转换和融合，对数据库数据的筛选、分析和变换等等，为用户提供利用好数据库数据的工具。最上层是应用层，本文设计的动态数据库系统直接为大气传输理论研究服务，但是在扩展性架构的基础上，经过一些调整，可以为太赫兹通信、太赫兹雷达、成像等相关应用服务。３．２动态数据库的实现机制基础数据库的数据主要包含大气分子光谱数据和实验数据，其中大气分子光谱数据主要包括红外波段、远红外波段即太赫兹波段、紫外波段及气溶胶折射率等数据；实验数据主要包括实验结果、实验相关计算模型和实验报告等数据，涉及到文本、数字、图表等数据格式，如图３所示。