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。太赫兹(THz)波的独特特性使得其在高数据率通信、雷达、有机大分子与医药生物分子等领域显示出巨大的潜在应用前景,但是大气对THz波的传输是非协作的,为了有效地利用THz波,必须细致了解THz波大气传输特性。针对上述问题,本文以物质与太赫兹波的互作用作为突破口,提出了一个较为完整的太赫兹波大气传输模型;通过比对实验,验证了模型的有效性;并利用模型研究了太赫兹脉冲的大气传输特性及典型窗口区的信道分析。论文主要工作包括:首先研究大气吸收作用对太赫兹波传输的影响。针对大气气体线吸收导致太赫兹波的衰减作用,论文采用修正的VVW线型及辐射传输理论,结合HITRAN2012数据库,细致地描述了线吸收对太赫兹波的吸收衰减作用;针对物理机理尚不明确的连续吸收也提出了适用于太赫兹传输的半经验方法,并根据实验结果获得了一组连续吸收参数;此外,云雾中含有液态水,水会对太赫兹波产生吸收作用,我们利用瑞利近似的方法计算了不同水云对太赫兹波的吸收特性。进而从线吸收、连续吸收及云雾吸收三个方面完整的概述了大气对太赫兹波的吸收特性,建立了较为完整的太赫兹波大气传输吸收衰减模型,形成了对宽频太赫兹波在真实大气中水平传输衰减的数值模拟能力。通过模型计算,分析了影响衰减的主要因素和规律,找出了可以利用的五个大气窗口,同时将0.3～2.0 THz频段的数值模拟结果与太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)获取的透射光谱实测数据进行了对比分析,结果显示实验窗口区强度和吸收峰的位置都与计算结果符合得很好。除了吸收作用,散射也影响太赫兹波大气传输。为了进一步提升模型的完整性,我们研究了大气分子和水汽凝结体与太赫兹波相互作用下的衰减效应。首先利用瑞利散射理论,分析了大气分子对太赫兹波的散射作用。结果表明大气分子尺度太小,散射效应几乎可以忽略。然后基于洛伦茨-米理论和Tmatrix方法分别对云层中球形水滴和非球形冰晶粒子在太赫兹波段的吸收和散射效应进行了数值计算,发展了一个太赫兹波在云层中传输的统计衰减模型。将水云的计算结果与国际无线电联盟(ITU)的结果比对验证了理论方法的有效性。分析了太赫兹波段水云和冰云的衰减特性,太赫兹波段冰云的散射特性明显,衰减系数平均比水云高十几dB。利用ARTS软件包构建了三维大气分层结构,结合倾斜路径的太赫兹波大气衰减模型,计算了几个典型地区任意气象条件下的太赫兹波衰减情况,进一步完善了传输衰减模型,为太赫兹波星地通信提供了重要参考数据。紧接着从应用角度出发,利用传输衰减模型,研究了不同水汽密度和传输距离对太赫兹时域脉冲幅值、相位及频谱特性的影响。比对中国工程物理研究院激光聚变研究中心的太赫兹脉冲传输实验平台实测数据,对于短距离和10m长光程太赫兹脉冲的大气传输,脉冲波形与数值模拟结果基本一致。结果表明:短距离大气传输条件下,0.1～0.5THz频段太赫兹脉冲的最大传输速率达20Gb/s以上,相较于单模光纤,太赫兹通信更具短距离通信优势。此外,在已有大气传输模型的基础上,结合无线通信原理,发展了新的太赫兹波大气传输信道衰减与色散模型,形成了对宽频THz波在地表真实大气中水平传输衰减、路径损耗和信道容量的数值模拟能力。依据数值结果选取了五个可行的信道:250GHz、340GHz、410GHz、500GHz 及 670GHz 窗口区,利用线性色散理论和无线通信原理分别从物理上精确地计算了这些信道的群速色散参数和信道容量,并分析了影响最大传输数据率的因素-天线增益。数值模拟显示:当太赫兹波大气传输1 km时,这五个信道群速色散很小,信号不易被展宽,最大传输速率达十几Gbps,高于单模光纤,但需要更高的天线增益。论文对复杂天气条件下的太赫兹大气传输模型和信道分析进行了系统研究和论述,有助于细致地掌握太赫兹波大气窗口的精细结构(谱线位置、窗口宽度与信道容量),为进一步改善THz雷达的性能及提高高数据率太赫兹通信的能力提供了基础;同时利用太赫兹波的大气传输散射特性,还可以实现更高精度的云特性分析,为进一步定性半定量评估卫星资料反演的云特征,促进发展遥感探测云的新方法奠定分析基础。