太赫兹波在沙尘中衰减特性的研究#许文忠，钟凯，徐德刚，姚建铨**（天津大学，精密仪器与光电子工程学院，激光与光电子研究所，天津300072）510152025303540摘要：本文对太赫兹波在沙尘中的衰减特性进行了研究，根据Mie散射理论研究了太赫兹波在沙尘中的单次散射特性，计算了不同尺寸参数对单次散射散射效率因子的影响和不同散射角下的散射相函数值；利用MonteCarlo方法对太赫兹波在沙尘中的多次散射特性进行了模拟计算，分析了不同能见度和不同沙尘类型对太赫兹波的能量损耗的影响。相关研究结果对太赫兹技术在大气空间中的应用具有重要指导意义。关键词：太赫兹;沙尘;Mie散射理论;MonteCarlo方法：O436.2StudyonTHzwaveattenuationcharacteristicsinsandanddustXUWenzhong,ZHONGKai,XUDegang,YAO激anquan(InstituteofLaserandOptoelectronics,CollegeofPrecisionandOpto-electronicengineering,Tian激nUniversity,Tian激n300072,China)Abstract:Theattenuationcharacteristicsofterahertzwaveinsand-dustareanalyzedinthispaper.WithMiescatteringtheory,thesinglescatteringpropertiesofterahertzwaveisstudied,andthescatteringefficiencyfactoratdifferentdimensionparametersaswellasthevalueofscatteringphasefunctionsunderdifferentscatteringanglesarecalculated.Themultiplescatteringofterahertzwaveinsand-dustconditionissimulatedwithMonteCarlomethodandtheenergylossofterahertzwaveindifferentvisibilityanddifferentdusttypeisdiscussed.Theresearchresultsareofgreatguidingsignificanceinterahertzspaceapplications.Keywords:Terahertz;sand-dust;Miescatteringtheory;MonteCarlomethod0.引言太赫兹波指的是频率范围在0.1THz到10THz的电磁波，太赫兹波处于微波波段和红外波段之间，由于其在电磁波谱中的特殊位置，使得它有很多独特的性质和优点。与光学波段相比，太赫兹波在传播过程中由微粒造成的散射损失更少，可以在沙尘或浓烟环境下进行通信；与微波波长相比，太赫兹波段有更大的带宽，因而传输效率更高[1]。这些特性使得太赫兹波在雷达、通信、大气与环境监测等领域具有良好的应用前景[2]。由于水蒸气对太赫兹波有强烈的吸收，因此太赫兹波在大气空间中传输时，吸收是造成信号衰减的主要原因，国内外多家研究机构对此进行了深入的研究，并取得了较多的研究成果[3,4]。除吸收以外，大气中的颗粒物对太赫兹波的散射也是太赫兹波衰减的重要原因。我国是一个沙漠和沙漠化土地非常多的国家，中西部地区经常会有沙尘暴发生。除自然形成的沙尘外，还有人工形成的沙尘，例如车辆行进产生的车扬沙尘和战场环境下的爆炸沙尘。太赫兹波的波长范围在30μm到3mm之间，这与主要大气粉尘粒子和沙尘粒子的尺寸接近，因此考虑太赫兹波在大气中的传输时就必须考虑沙尘粒子的散射造成的影响。基金项目：国家自然科学基金（61101058）；高等学校博士学科点专项科研基金（20110032120055）；天津市应用基础与前沿技术研究计划（13JCQNJC01500）作者简介：许文忠（1990-），男，硕士，主要从事太赫兹技术研究通信联系人：钟凯（1984-），男，副教授，主要从事激光及太赫兹技术的研究.zhongkai@tju.edu-1-xH(2)1(x)(2n1)Re(abn)(2n1)Re(a目前国内对电磁波在沙尘条件下传输特性的研究主要集中在红外波段和微波波段：董群锋等运用Mie散射理论分析了具有一定尺寸分布的沙尘粒子的红外衰减特性[5]，周旺等结合45沙尘复介电常数公式给出了沙尘衰减的计算模型，并利用此模型分析了沙尘粒子在微波波段的衰减特性[6]，罗逸等也运用Mie散射理论数值分析了微米镍粉在太赫兹波段的散射特性[7]，但有关太赫兹波在实际沙尘条件下传输特性的研究及报道还非常少。本文分别从Mie散射理论和MonteCarlo方法出发，研究了太赫兹波在沙尘条件下的单次散射特性和多次散射特性，相关结果对太赫兹技术在大气空间中的应用系统设计具有重要意义。501.Mie散射理论微粒会造成电磁波的散射，当微粒半径足够小(r＜0.1λ）时，散射光强度与入射光波长的四次方成反比，这种散射被称作瑞利散射...