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亚毫米波大气传输特性研究与发展


 

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中山大学研究生学刊 ( 自然科学 、医学版)  
第2 3卷第 2期 .J U N LO H R U T S V I 3 N 2 O R A FT EG   A E   b .2  o  

2 0  S  A S NU V R IY(A U  ̄ (E C S 0 2 UNY T— E  NIE ST N T R LS IN E 、ME IIE  20   : DCN ) 02

亚 毫米 波 大 气 传 输 特性 研 究 与 发 展 
梁 奂 晖  张  萍  罗锡 璋 
( 中山大学 电子系 广 州 市  
摘 要 50 7   12 5)

本 文介 绍 了亚毫 米 波在 大 气传 输方 面的研 究进 展 和应 用前景 ,重 点介 

绍近年来亚毫米波的大气传输理论和 实验研究方面乃至传输特性应用的一些最 
新成果。  

关 键词  亚 毫米 波  大 气传 输  亚 毫米 波成像  在 电磁 波 中 ,有 一 个 波 长 介 于 2 t - 2 m,也 就 是 频 率 从 1TH广 10 z的频  5 m- m x 2 5GH

谱区域 ,介于可见光和微波之间。在 电磁波研究方面一般称为亚毫米波。而对于光学研 
究者 这一 区域则 被称 为 远红 外 。这 个 位 于红 外 区域 和 微 波 区域 之 间 的 电磁 波 窗 口,同时  具有 红外 和 微波 的 许多 特性 ,而 且还 具 有一 些特殊 的 性质 ,故具 有许 多不 可 替代 的研 究 

价值和广泛的应用前景。近些年来 ,得到各国的大力发展 ,尤其是在欧美 国家。在这些  国家中对亚毫米波的研究主要 集 中在 l H 2T z间 ,故现在 一般都称之 为 T z研  T 广 0H H 究。为了方便起见 ,本文 中统一将这一波段称为亚毫米波。   现在国内外对亚毫米波的研究及应用是越来越重视。在第二届国际微波学术会议上 

专门就面向 2 世纪微波亚毫米波应用与发展趋势进行 了专题研讨 。在中国 《 十五”高  1 “ 技术产业发展重点专项规划草案》修改意见 中,专家们也就微 电子 、光电子材料这个重 
点发展专项建议把红外探测器件列为发展重点 ,将亚毫米波器研究制造列为重点发展项  目。专 家们提 出当前 国际上 亚毫米技术发展很快,其应用领域也 很广 ,如美国 已达到  0 .5毫米 ,而 8 0 0G赫兹上已有应用器件 ,它将在国民经济 、航天及军事应用有很 大的  

前景。 我国中科院物理所也成立 了一系列关于亚毫米波的研究项 目,并取得一定进展。 ,  
下面将在简单介绍亚毫米波技术的发展历程的基础上 ,重点介绍近年来亚毫米波大  气传输理论 ,适用于大气传输 的准光元 、部件、准光测量系统 、相关测量技术 ,以及 目   标特征识别方面上一些最新发展情况。  

收稿 日期 :2 0 —6—2  02 0

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亚毫 米波大气传输特性研 究与发展 

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1 亚 毫米 波大气传 输技 术的发展   
亚 毫米 波段具 有极 宽 的带 宽 。通 常认 为 亚 毫 米 波 波 长 范 围为 2  5 m一2 mm,也 就是  频率 从 l T 2 H广 10 5GHz ,远 远 超 出从 直 流 到微波 全 部带 宽 的百 倍 。 即使 考 虑大 气 吸 收 ,   在 大气 中传 播 时只 能使 用 落 在窗 口中频 率 ,带 宽也 十 分 可观 ,为微 波 以下 各波 段 带宽 之 
和 的数倍 。 这在 频率 资 源 紧 张的 今 天无 疑极 具 吸 引力 。  

亚毫米波在大气中传输时 ,能量会在与大气气体 、气 溶胶粒子 等的相互作用 中损  失 。如气体 分子与水汽凝 聚物 ( 云、雾 、雨 、雪等)对电波有吸收与散射作用。波长大  
于 3厘 米 的 电波 ,所受 的吸 收 十分 微 弱 ,计算 场 强 时可 不考 虑 。波 长 小 于 3厘 米 时 ,需  要 考 虑水 汽 和 氧 的吸 收 。在 毫米 波 与亚 毫米 波 频段 ,在各 个 吸收 带 之 间 的某个 区 域 可能  存 在相 对 透 明的 “ 口” 窗 ,辐 射透 射 率 比其 它 区域 高 。 这种 吸 收 较 小 的频 带 区域 ,通 常  称 为 大气 窗 口。要 想通 过 大气 来 传递 信 息 ,就 只 能利用 落 在 窗 口中的波 段 了。   但 是 这 些落 在亚 毫 米 波波 段 的窗 口还 没 有被 充 分研 究 利用 。 因 为对 亚毫 米波 的开发  利用 相 对 光 波和 微波 来 说 晚得 多 ,主要 的原 因就 是在 相 当长 的 一段 时 间 ,在 这_ 频段 内  缺乏 有 效 的 信号 源 ,微波 器 件 和红 外器 件 都不 能 直接应 用 于 亚毫 米 波段 ;再加 上 在该 区 

域 内探测器的灵敏度很低 ,所以导致 了这一具有大量频谱资源 的电磁波段 研究 发展 迟  缓 ,远远 落后于对可见光谱区和微波波段 的研究应用…。直到近年来 由于军事和大气通 
信方 面的 需 要才 有所 改 善 ,正 如 荷 兰 D l 科 技 大 学 Pakn教 授 在 一 份 研究 报 告 中所  ef t l e n 指 出 的  ,才使得 亚 毫米 波 的研 究 与应 用 能继 续 深入 下去 。   然 而 对 于 亚毫米 波段 来 说 ,这 个 位于 红 外 区域 和微 波 区域之 间 的电磁 波 窗 口,由于 

同时具有红外和微波的许多特性 ,还具有一些特殊 的性质 ,因而在多个领域上有着广泛 
的应 用 前 景 。如亚 毫 米波 激 光具 有 真空 中的冷 辐射 效应 ,这 一点 对 于太 空 开发 宇宙 探索 

具有极其重要的意义。同时由于亚毫米波激光的特殊性质 ,以及丰富的频谱资源,其在  通讯方面也有巨大的应用潜力 ,而这些都需要深入研究其大气传播特性。   1 1 亚毫米波大气传输特性  . 电磁波信号在大气中传输 ,其主要效应有 :由于大气密度分布 的不均匀导致光路发  生折射;大气中气体分子 和大气气溶胶粒子以及其它粒子对信号 的吸收和散射导致光信  号能量 的衰减 ;大气湍流效应以及其它效应导致的能量衰减。   大气湍流效应会使激光辐射在传播过程中随机地改变其波束特性 ,致使所见到的光  波强度 ,相位和频率在时间和空间上都呈随机起伏 ,表现为光束强度 的闪烁和方向的抖  动,会影响激光的传输 。这种效应相当于在接收端引进一个噪声源。而这个噪声模型到 
现 在 还 是实 验 模型  。   电磁 波在 大气 传播 中 ,对 于 其它 波 段 可 以忽 略 的 波 与 大气 层 组 成 部 分 的相 互 作 用 ,   对 于 亚 毫米 波来 讲 ,却 是 明显 得 多 ,必 须加 以考 虑 。因 而在 研究 其 它 波段 在 大气 传输 时  所 建立 的模 型 ,对 于亚毫 米 波就 不 再适 用 ,必 须 加 以调整 改进 ,甚 至是 重 新建 立 。  

大气窗 口中,连续 吸收就成为要考虑的主要 因素 ,然而连续吸收机理十分复杂 ,涉  及到远翼线型。亚毫米波激光由于波长较短 ,大气对其信号的吸收和散射较强 ,即使是 

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中山大学研 究生学刊 ( 然科 学 、医学版 ) 自  

在亚毫米波段 中的大气窗 口中,大气穿透能力也较差  。与其它 波段相比较 ,其性能尤 
其受气候的影响。当大气 中有雨 、尘埃等杂质影响时 ,会严重影响亚毫米波激光在大气 

中的传输 。在亚毫米波段 ,特别是 在 T z H 频带 ,水分子有着极 其敏感的吸收特性。在 
考 虑 亚 毫米 波 在大 气 中的 吸收 时 ,除 了要 考 虑 与 单 色 光 波 长 相应 的谱 线 的 吸 收 贡 献 外 ,   在 大气 窗 口中还 应 考虑 大气 分子 的 连续 吸 收 ,特 别是 水 汽 的连续 吸收 J 。计算 远 翼 线 型  的理论 到 现 在还 是一 些 近 似 理论 ,只 能 定 性 解 释 一 些 实 验 现 象 。Nodt n等 人 提 出 了  rsr o 远 翼 线 型理 论虽 然 较好 地解 释 了水 汽 吸收 的 负温 效应 。但是 这 种 理论 和 其它 理 论 观点 一  样 都是 通 过 实验 而建 立 起来 的经 验模 式 J ,直 到现 在 还没 有一 种 公 认 的 比较 完善 的 理论 

模式  。   研究亚毫米波的大气传输模型有着独特 的地方 ,通过 了解掌握大气与激光相互作用  而产生 的一系列线性和非线性效应 ,以及这些效应对于传输的影 响等亚毫米波大气传输  规律 。可以达到回避或尽可能减小大气对亚毫米波传输的影响。这些研究不仅具有重要 
的理 论 研究 价 值 ,在 天文 、国防 、以及 通信 等 方 面都 有着 重要 的应 用意 义 。   12 亚 毫米 波 的接收 与 观测  .

在毫米波和亚毫米波段 , 地面的观测接收受到多变 的大气不透 明度的普遍影 响。在 
观测 时需 要 校 准 ,即先 用一 个 常温 温标 为单 边 带 和 双 边 带接 收模 式建 立 一 个 强 度 标 准 。  

如在天文观测接收亚 毫米波时使用标 准的斩波轮校准法。为了能在大气不透 明度 显著 
时 ,减小 观 测时 所受 到 的影 响 ,这种 影 响 在双 边 带接 收 时影 响 犹 为严 重 。 为 了进 一步 降  低 观测 误 差 ,提 高 观测 精度 ,19 9 9年 有 人提 出 了一 种 双 边 带 观 测 、单 边 带 校 准 的 原 理 

结构 , 作为代替单边带校准的一种变形模式 以满足毫米波及亚毫米波观测的需要  ,使  J 用这种结构 的亚毫米波接收机能够将误差大大 降低 ,控制在允许 范围内。在 2 0 0 1年的  
I MMW 国际会 议上 法 国的 Naar i 人 公 布 了研 制 成 功 的 单 边 带 和 双边 带 的 SS混  R vri 等 n I

频器  ,可以应用于亚毫米波观测仪器上。 由于亚毫米波 的这些特殊性 ,19 J 9 8年芬兰 
H ln j es k 科技 大 学 提 出 了对应 用在 亚毫 米 波段 上 的 天线 测 量 新 的方 法 J i ,如 近 场 扫 描 技  术 ,就 充分 考 虑到 在这 一 波段在 大 气 中 的强烈 损 耗 和亚 毫米 波 本 身相 对 低 的能 量水 平 。  

要想得到亚毫米波的大气传输特性 ,在大气传输 中的反射系数 、衰减系数等必须知 
道 。这 些 系数 随着 频 率 的不 同 ,高度 、气候 不 同会 发 生变 化 ,一 直 是人 们 研 究难 点 。亚 

毫米波激光的衰减系数随着高度的升高而下降u …,这是 由于随着高度 的增加 ,大气 中   大部分分子密度不断减小 ,从而导致吸收、散射效应均下降 了。造成衰减 的主要成分气 

溶胶 和水汽 的含量随着高度的变化有着明显的变化 ,实验验证 比较困难 。近年来人们利 
用 负 极 性 的光 阻材 料 S U一8做 成 时 域 分 光 计 ,可 以 对 10 Hz到 1 THz的反 射 系数  0G .6 和吸收 吸 收进 行测 量 ,验 证 了一 些 理 论 成 果 …J 正 是 由 于 不 断 有 新 的 探 测 工 具 的 出 。   现¨ ¨    有效 地 促进 了亚毫 米波 在大 气 传输 和其 它方 面 的研 究应 用 。  

在接收宇宙亚毫米波射线方面如亚毫米波射电望远镜的研制上 ,世界许多国家都在  大力发展。20 年英 国天文学家使用英 国设在夏威夷詹姆斯 ? 00 克勒克 ? 麦克斯韦望远镜 
上 的 S UB C A亚 毫米 照 相机 ,在 8 0 m 波段 寻 找天 空 中相 对 较 “ ” 的射 电源 。而 中国  5/  ̄ 亮

并不 比其它 国家落后 ,紫金 山天文台毫米波和亚毫米波实验室 6 0 2 G   0 —70 H 频段超导 

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ssi a a 目在 20 年 初就 取 得 了重 大进 展 ,这 个 项 目的成 果 将 应 用 于 本 世 纪 的 第  i  ̄ 01


个 亚毫 米波 天线 阵 一 S MA 项 目。亚毫 米波 的接 收 技术 发 展地 极 大 地促 进 了天 文事 业 

的 发展 。  

2 亚 毫米波成像技术 的发展与应 用  
由于亚 毫米 波 频段 中包 含频 率 范 围广 ,可 以用来 实现 对 目标 的 识 别 。同 时亚 毫米 波 

对水分子等极性分子具有强烈的吸收特性 ,也可以利用在对 目 标探测上。利用 目标各层  次界面反射的亚毫米波的波形和时间差等信息 ,来实现对 目 标乃至 目标 内部的探测 。   亚毫米波可以用在雷达上面对 目 标实现识别。现在的所谓隐形飞机等隐形 目 标通过  对雷达信号的吸收来达到在微波雷达上面的隐形 。但是亚毫米波含有极其 丰富的频率 ,  
隐 形 目标 的吸 收涂层 现 在 只是 能够 吸收 一定 范 围的 电磁 波 信 号 ,这样 的话 ,就 有较 多 的 
信 号反 射 。同时 隐形 目标 的表面 形 状为 可 以对普 通 雷达 波 信 号形 成 共振 吸 收 ,减 弱反射 

强度 ,但是遇到超宽带的亚毫米波信号就无能为力 了。各国军方现在就大力加强对亚毫  .
米波 在 军事 上面 的应 用 ,而 且对 于 研究 进展 也大 多是 秘 而 不宣 。  

而一 般情 况 下可 见 光 、X射 线 乃至超 声 波等 是 广泛 应 用 的成像 信 号 源 ,而 亚 毫 米波 

对于电介质材料除了有相似的穿透性质 ,在超宽频带 的亚毫米波脉 冲可以穿透大多数物 
质 。但是 一些 极 性分 子例 如水 分 子对 于亚 毫米 波有 着 强烈 的吸收  ;大 多数 的极性 气 体  分 子在这 个频 段上 也有 着 强烈 的 吸收 谱线 ,通 过对 吸 收谱 线 的 分析 ,可 以 由此反 映 出吸  收体 分子 独特 的转 动 和振 动 吸收 谱 ,从 而 分析 这些 分 子 的各 种物 理 化 学性 质 。   也就是 物 质在 亚毫 米 波段 上 的光谱 ( 括 反射 ,发射 和 透射 )包含 着 丰 富的 物理 和  包

化学信息 ,根据物质对亚毫米波的特征 吸收谱线或者是反射谱线就可以分析物质的成分 
了L 同时 亚毫 米波 激 光的 光子 能 量极 低 ,也没 有 X 射 线 的 电 离性 质 ,不 会 对 材 料性  1  。 质 造成 影 响或破 坏 。正 由于亚毫 米 波光 谱具 有这 样 独特 的 优点 ,研究 物 质 在这 一 波段上  的 光谱 具有 重要 的 意义 。   亚 毫米 波光 谱成 像 所依 据 的基本 原 理是 :透 过成 像 样 品 ( 反射 )的亚 毫米 波 的强  或 度 和相位 包含 了样 品复介 电函数 的空间 分布 。就 可 以得 到样 品的 亚毫 米 波 图像 ,通 过对 

亚毫米波波形进行时域或者频域分析或者是其它分析方法 ,能够鉴定物质 的特性。现在  亚毫米波成像技术可以应用在 :例如研究植物叶子水分的动态变化特性 ,检查封装好的  I C芯片中的电路连接 ,阅读油漆覆盖下或者是信封里面 的文字 内容 ,水印定位等等各 

种场合。虽然亚毫米波成像技术有很多应用前景 ,但是 目前商业应用的亚毫米波呈现系 
统的数 目 并不多。主要原因也就是前面所提到的激光源的制约,技术乃至成本还没有能 
够 完全 实现 商业 化 。  

低温激光扫描显微镜 ( L I  S M)就是 利用 了亚毫米波 的成像 ,来对低 温电子器件  进行检测 ,确定其特征  。在制作应用于高频的低温 电子器件 时,不管其 中含有何种  1   性质的超导成分 ,都可以用 UrL 进行检测。这种低 温激光扫描显微镜工作频率现在  SM

可以远远超 出 10 H ,分辨率可 以达到 2 m 0G z   。而且应用近场成像技术后 ,可以使得显 
微镜的分辨率达到波长 以下的尺度 ,UrL 就采用 了这种技术。利用亚毫米波成像技  SM

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术对半导体材料 和超导材料物理特性 的分布特征进行研究 ,如测量超导电流的矢量场分 
布 图像 等  。   。 
而 利 用 C D 相机 来获 得亚 毫 米 波信 号直 接 得 到 样 品 的亚 毫 米 波 成 像  ,这 种 自由  C 空 间光 电 亚毫 米 波成像 技 术 的重 要 应用 之 一就 是对 运 动物 体 和活 体 成像 上 。   实 际上 一 开 始人 们认 识 到可 以利用 亚 毫米 波成 像 来鉴 定 物体 时 ,是 物 体作 为亚 毫米 

波的 发 射源 ,通 过探 测器 接 收然 后 对其 进行 时 域或 频 域变换 分 析 。后 来 随着 亚 毫米 波激  光 器研 究 的发展 ,才逐 渐 利用 透 射 和反 射成 像 。就 拿 亚毫米 波 的反 射 成 像来说 ,可 以应  用 在 光学 技 术 和微 波技 术 所不 能 应用 的 区域 。 随着 亚 毫米波 成像 技 术 的 发展 ,像烧 伤 诊 

断 ,近表面断层分析等也得到极大的促进¨   引。
在 亚 毫米 波 段 ,特 别是 在 TH z频 带 ,水 分 子 有 着 极 其 敏 感 的 吸 收特 性 ,而对 于 诸  如 塑料 ,纸 制 品却有 很 强 的穿 透力 。这 些 特性 就 可 以用在 对 已经 封 装 物 品进行 成像 ,特 

别是通过 测量其 中水分 的含量来实现 检测乃至质量 控制。而这些工作 在 目前还是用 X  
射线 来 实现 的。 X射 线 的放 射 性是 会 对人 体健 康造 成 危 害的 。 而亚 毫 米波 激光 光 子能 量 

低 ,不会 对 物 质 分子造 成 损 害 。 因而如 果利 用 亚毫 米 波激 光来 实 现 的话 ,就 可 以避 免这 

种辐射对生物分子的危害 ,从而能实现多次重复探测 了。  
在 19 初 瑞典 科学 家 就提 出 了利 用 亚 毫 米 波 对 水分 子 吸 收 特 别 敏 感 ,同时 光 子  9 9年 能量极 低 这种 性 质 ,来 实 现对 植 物 叶子 同一 部位 无 破坏 的重 复测量 ,从 而测 定 叶子 的水  分 含量 ,甚 至 实现 对水 分 含量 动 态变 化特 性 的测 量 ,并 研制 出相应 的 样 品。  

参考文献 :  

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Cro lcr ncCic isB   c n ig L srM ir so y.I y ee to i   rut  y S a nn   a e  co c p EEE TRANS   CACTI ON 

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l8  1  D.Mil n J te ,R.Jehe ,M .N s,T—R yI n igIE  .Sl td t ma aosn us a magn  E EJ ee e  c
T pc  a tm  l t n   6 9—6 2 9 6 o i Qunu E e r ,2P 7 s co 9 ,1 9  

De eo me to   s a c   n Ch r c e so   u _M il e e   v l p n   fRe e r h o   a a tr   fS b‘ 。 l m tr i
W a e Pr pa a i n v   o g to  

Li n   a h i Z a g Pig Lu   z a g a g Hu n u  h n   n   oXih n  

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Z oghnU i r t,G aghu50 7 ) hn sa  n e i v s y unzo 125   
Ab ta t I  hs p p r ee tp o r& n   p l t nS p o p c n s b lm ee  v   sr c  n t i a e ,rc n  rg e  ̄a d a pi i ’ rs e t i  u mi i t rwa e   a c o   l

p o a a in wee ito u e r p g t   r n rd cd,Th   h o is o  t s h r   rp g t n a d a pia in   f o e t e re  famo p ei p o a a i   n   p l t so   c o c o
p o a ainSc aa tr  r e iwe  mp ai l . rp g t ’ h rceswe erve d e h t l   o   a c y

Ke   r s Su mii tr y wo d   b lmee ,At s h r   r p g t n, I gn   fS b lmee  l mo p e cp o a ai i o ma igo   u mii tr l



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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_数学_自然科学...高精度地计算 大气光谱透过 率 、大气热辐射 ,光谱范围覆盖紫外到亚毫米波段。...
亚毫米波的目标散射特性研究_论文.pdf
亚毫米波的目标散射特性研究 - 对亚毫米波探测的优点及其应用方向进行了介绍,通过对国内现有实验条件的分析提出了目标亚毫米波相干散射特性建模、亚毫米波散射特性...
毫米波通信技术的发展与应用_王晓海.pdf
2007年第10期 技术交流 毫米波通信技术的发展与应用...分析了毫米波的四个传播特性 ,并 由此引出毫米波...目前绝大多数的应用研究集中在几个 “ 大气窗口” ...
太赫兹脉冲的短距离大气传输特性.pdf
(2015)05一055707 红外与毫米波学报 J.Infrared...频谱特性 的影响.研究结果表明:短距离大气传输条件下...
毫米波雷达简介.doc
(毫米波与亚毫米波大气传播时, 由于气体分子...3 发展简况毫米波雷达的研制是从 40 年代开始的。...5 特点与微波雷达相比,毫米波雷达的特点是: ① 在...
激光大气传输理论研究及应用_图文.pdf
发展前景,因此, 激光大气传输理论也是众多学者所研究...其理论基础就是电磁 波在随机介质中的散射和传输的...2003u m激光的大气传输特性, [14]UML参考手册2001...
典型天气大气辐射传输特性研究_图文.pdf
许文海 201206 中文摘要 摘要大气辐射传输特性是指电磁波在大气中传输时,大气中的粒子对电磁波吸收和散射 作用,作用效果包括两方面:一方面,大气对目标自身辐射能量...
毫米波的特点及毫米波器件的发展动态_图文.pdf
研 究所本文叙述 了毫 米波的特点 , 文 摘 并介绍了毫米波 传输线 和...亚毫米波大气传输特性研... 6页 免费 可编程器件的发展现状及... 7页...
太赫兹波传输特性研究.pdf
太赫兹波在大气中和波导中的传输特性分析是很有应用...另外,太赫 兹波在光学领域的发展也促使人们研究太赫兹...这一频段的电磁波又被称为毫米波和亚毫 米波,而...
空间光通信历届大会报告题目.doc
与通信技术研究所)我国空间激光通信技术发展思考...安徽光机所)星地信道激光大气传输特性研究进展 ...空间太赫兹和亚毫米波天线反射器研究进展马小飞(...
激光在大气传输特性的仿真研究_图文.pdf
Apr.201l 激光在大气传输特性的仿真研究付强, 姜会林, 王晓曼 (长春理工大学,吉林长春130022) 摘要 大气对激光传输产生光强闪烁、光束漂移及光斑扩展等影响,严重...
毫米波技术在灵巧弹药中的应用.pdf
(南京理工大学毫米波光波近感技术研究所,江苏,南京,...频率从 亚毫米波是介于毫米波与长波红外之间的工作...影响较大 毫米波系统的作用.距离受大气传播特性的...
激光在大气传输衰减特性研究.pdf
激光在大气中传输衰减特性研究 - 激光在大气传输特性的研究是激光探测与制导、激
面向5G的毫米波技术应用研究_张长青_图文.pdf
mm, 频率为 300 GHz 到 3 THz 的亚毫米波通信...技术简介大气中影响毫米波传播的主要成分是氧气和水...毫米波传播特性研究在 50 年代就已经取得了相当的...
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