16、太赫兹辐射的大气传播特性与模型解析

太赫兹辐射的大气传播特性与模型解析

1. 引言

太赫兹（THz）辐射位于传统微波和可见光之间，频率范围为 0.1 至 10 THz（1THz = 10¹²Hz）。由于太赫兹频段的产生和探测技术难度较大，该频段的研究相对滞后。近年来，太赫兹技术取得了显著进展，在信息通信技术、材料识别、成像、无损检测和全球环境监测等领域展现出广泛的应用潜力。太赫兹辐射兼具微波和光波的优势，其大气传播特性在空间通信和大气遥感等主要应用中至关重要。

太赫兹通信有望受益于高频和更宽的信息带宽，实现每秒数十吉比特的数据传输速率。然而，大气的不透明度严重限制了太赫兹通信的应用，其商业可行性将决定太赫兹通信能否实现实际应用。此外，许多生物和化学化合物在太赫兹频段表现出独特的光谱响应，这为大气化学成分监测和气候演变识别提供了巨大潜力。基于这些考虑，存在三个基本问题：
1. 确认太赫兹频段的大气透明度，找出通信和传感系统的空气传输窗口。
2. 收集大气分子的光谱指纹，用于太赫兹大气监测。
3. 通过解卷积过程提高信噪比，从观测信号中恢复原始信号。

2. 太赫兹大气传播的基本理论

太赫兹大气传播过程涉及多个基本物理概念和理论，这些概念和理论可以统一用辐射传输方程来描述，该方程是太赫兹大气传播模型的基础，描述了沿给定光路的能量传输过程。其他因素如大气折射和湍流则会对积分路径长度和辐射传输算法进行修正和优化。

2.1 基本物理过程

2.1.1 大气消光

在电磁波与介质的相互作用过程中，太赫兹辐射会因吸收和散射而衰减。大气消光可以用朗伯 - 比尔定律来描述，主要导致入射波的能量衰减。其数学表达式的微分和