太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用研究探討

林栩凌 阮寧娟 周 峰

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

太赫茲輻射（太赫茲波，T射線）通常是指頻率介于300GHz～10THz（1THz=1012Hz）、波長(zhǎng)在33～1 000μm之間的電磁輻射，從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外輻射之間。太赫茲的命名來(lái)源于它的振蕩頻率在1012Hz左右。在電子學(xué)領(lǐng)域里，這一頻段的電磁波又被稱(chēng)為亞毫米波。在光譜學(xué)領(lǐng)域，它也被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外。在20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生方法和檢測(cè)手段，科學(xué)家對(duì)于該波段的電磁輻射性質(zhì)了解非常有限。近年來(lái)由于自由電子激光器和超快技術(shù)的發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源和探測(cè)手段，使太赫茲科學(xué)技術(shù)有了飛速的發(fā)展[1-3]。

由于太赫茲波具有穿透性、安全性、寬帶性、瞬態(tài)性、相干性等特點(diǎn)，并且許多小分子的轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷和大分子的集體振動(dòng)躍遷都會(huì)在這個(gè)波段范圍產(chǎn)生明顯的特征吸收峰，所以近年來(lái)太赫茲波在成像、安檢、生物分子檢測(cè)、化學(xué)過(guò)程研究等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們極大的興趣。然而，真正促進(jìn)太赫茲技術(shù)蓬勃發(fā)展的需求動(dòng)力是人們渴望通過(guò)新的電磁波觀察和探索宇宙和地球。宇宙中太赫茲波段的信息資源占據(jù)了總信息量的一半以上，因此可以利用太赫茲對(duì)行星和小星體（小行星、衛(wèi)星和彗星）進(jìn)行觀測(cè)，了解它們大氣動(dòng)力學(xué)以及它們的大氣成分，進(jìn)而能夠推測(cè)太陽(yáng)系、銀河系或其它星體的形成原因和演化過(guò)程。另外，太赫茲也是探測(cè)月球和火星上是否存在水的有力工具之一。此外，高層大氣中也有很強(qiáng)的天然太赫茲源，如羥基、氯化氫和水，根據(jù)從高層大氣中所得到的太赫茲信息可以了解支配臭氧循環(huán)、全球變暖的化學(xué)過(guò)程，進(jìn)而為全球變暖提供有價(jià)值的信息。

本文在分析太赫茲波特性的基礎(chǔ)上，介紹了國(guó)內(nèi)外太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用的發(fā)展歷史，并對(duì)我國(guó)太赫茲空間技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

2 太赫茲空間技術(shù)國(guó)際研究發(fā)展概述

太赫茲之所以引起人們濃厚的研究興趣，并不僅僅因?yàn)樗哂兴矐B(tài)性、相干性等特性，更重要的是它與微波及紅外遙感相比具有許多優(yōu)勢(shì)：1）與微波相似，太赫茲同樣具有能穿透云層等特點(diǎn)，但是太赫茲波的頻率更高，因此在作為通信載體時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)可以承載更多的信息，在中短距離高容量無(wú)限通信中很有潛力；由于太赫茲波的波長(zhǎng)更短，它的發(fā)射方向性要好于微波；在成像應(yīng)用中，它較之微波的短波長(zhǎng)使其具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時(shí)具有更長(zhǎng)的景深；再者，由于波長(zhǎng)較微波短，所以探測(cè)器件的尺寸和質(zhì)量要遠(yuǎn)小于微波器件，適合于衛(wèi)星和空間站搭載。2）與紅外光對(duì)比，太赫茲散射小，透過(guò)性強(qiáng)，能夠穿透風(fēng)塵、沙暴和煙云，可實(shí)現(xiàn)全天候工作；此外由于太赫茲光子的能量很小，因此相對(duì)于紅外光，它的安全性較好。

目前，國(guó)際上有130多個(gè)研究組從事有關(guān)太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究工作。太赫茲技術(shù)在空間研究領(lǐng)域的應(yīng)用主要圍繞幾個(gè)大的空間和天文研究計(jì)劃課題進(jìn)行，例如平流層紅外天文觀察項(xiàng)目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy）、亞毫米級(jí)波長(zhǎng)上的射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）、“赫歇爾”太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（Herschel）等。

2.1 美國(guó)的研究進(jìn)展

1983 年，由NASA發(fā)射的IRAS紅外天文衛(wèi)星獲得了許多有關(guān)宇宙的重要信息，并確認(rèn)許多星系中50%以上的發(fā)光度和98%以上的光子處于遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段[4]。20世紀(jì)90年代后，由于太赫茲波外差探測(cè)方式的發(fā)展，使得高分辨率、高靈敏度太赫茲測(cè)量成為可能。最著名的是1991年NASA發(fā)射的大氣上層觀測(cè)衛(wèi)星UARS，UARS上搭載了微波臨邊探測(cè)器（MLS），探測(cè)器3個(gè)輻射計(jì)的觀察波段中心頻率分別為63GHz、183GHz和205GHz，探測(cè)器用外差高分辨率太赫茲譜線測(cè)量方式，第一次測(cè)量了同溫層中的臭氧、水分等分子含量隨大氣壓力變化的輪廓。圖1是1991年11月4日～5日，UARS衛(wèi)星上搭載MLS測(cè)量得到的同溫層中的臭氧、水分子含量隨大氣壓力變化圖。

圖1 MLS測(cè)量的同溫層中臭氧、水分子含量隨大氣壓力變化Fig.1 MLS maps of stratospheric water vapor and ozone

1998年美國(guó)發(fā)射的太赫茲波人造天文衛(wèi)星（Submillimeter Wave Astronomy Satellite，SWAS）攜帶了冷卻到170K的肖特基混頻外差接收系統(tǒng)。這是NASA研究恒星結(jié)構(gòu)及星際化學(xué)物質(zhì)的小型衛(wèi)星，主要用途是尋找宇宙星云間的氧、水、碳及一氧化碳分子。

美國(guó)另一個(gè)十分重要的太赫茲探測(cè)衛(wèi)星是由NASA在2004年7月15日發(fā)射升空的“氣味”（AURA）衛(wèi)星。AURA衛(wèi)星是對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng) （EOS）中最重要的組成部分，它攜帶了更為先進(jìn)的外差式太赫茲探測(cè)器MLS，探測(cè)器上5個(gè)輻射計(jì)的觀察波段中心頻率分別為118GHz、119GHz、240GHz、640GHz和2.5THz。中間三個(gè)頻率的測(cè)量使用常溫的耿式振蕩器作為本振源，由肖特基二極管進(jìn)行差頻轉(zhuǎn)換。而作為標(biāo)志性的首次THz頻率探測(cè)（2.5THz通道）使用了遠(yuǎn)紅外激光作為本地振蕩源。遠(yuǎn)紅外激光器為CO2激光器抽運(yùn)的甲醇蒸汽氣體激光器，由Coherent公司生產(chǎn)，激光輸出頻率為2 522GHz，功率20mW。AURA上搭載的MLS與UARS 上搭載的 MLS 相比，可以測(cè)量更多的大氣成分（如：OH，HO2，O3，HCl，CIO，HOCl，BrO，HNO3，N2O，CO，HCN，CH3CN，SO2等）及云中的含汽量、大氣溫度以及高層大氣中的污染物質(zhì)。這一THz波段的探測(cè)器極大增進(jìn)了對(duì)臭氧層、大氣組分和氣候變化關(guān)系的理解[5]。表1列出了AURA衛(wèi)星上MLS各個(gè)輻射計(jì)頻率及其探測(cè)的種類(lèi)。

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2.2 歐洲的研究進(jìn)展

2001 年，歐洲的瑞典、法國(guó)、芬蘭等國(guó)聯(lián)合發(fā)射了Odin太赫茲波段衛(wèi)星，用于天文及高層大氣研究[6]。大氣觀察高度范圍為15～120km，Odin衛(wèi)星攜帶了4個(gè)亞毫米波段的輻射計(jì)，每個(gè)輻射計(jì)的觀察頻率范圍以及探測(cè)的物質(zhì)種類(lèi)如表2所示，

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2004 年，ESA發(fā)射了羅塞塔（Rosetta）人造飛行器，工作頻率為188GHz和560GHz，該飛行器將于2014年夏天飛行到彗星Churyumov Gerasimenko上，探測(cè)彗尾和彗核中存在的一氧化碳、氨、甲醇等物質(zhì)的含量[7]。

由歐洲合作研制的氣球運(yùn)載大氣監(jiān)測(cè)儀TELIS在2007年進(jìn)行了測(cè)試飛行。TELIS搭載了高靈敏度的低溫（4K）超導(dǎo)外差式探測(cè)器，系統(tǒng)包括一個(gè)500GHz接收器，一個(gè)500～650GHz接收器以及一個(gè)1.8THz接收器，可以探測(cè)的物質(zhì)包括 O3，ClO，BrO，N2O，HCl，HNO3，CH3Cl，HOCl以及 OH 與 H2O。

2009華5 月14 日，ESA的“赫歇爾”（Herschel）太空望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那的歐洲空間局太空中心被“阿麗亞娜5”型火箭送入太空。這是第一個(gè)工作在紅外及亞毫米波波段的冷宇宙天文衛(wèi)星，也是迄今為止口徑最大的紅外太空望遠(yuǎn)鏡，它工作在55～672μm（0.45～5.5THz）的從遠(yuǎn)紅外到亞毫米的光譜范圍中。它全長(zhǎng)9m，直徑4.5m，質(zhì)量達(dá)3.3t，主鏡口徑3.5m。Herschel主要探測(cè)儀器包括PACS和SPIRE兩個(gè)紅外波段的輻射熱計(jì)及HIFI太赫茲外差接收裝置。HIFI為高分辨外差分光計(jì)，結(jié)合使用SIS探測(cè)器（bands5；480GHz～1.25THz）與熱電子輻射熱計(jì)（Hot Electron Bolometer，HEB）（bands6～7；1.4～1.9THz和 2.4～2.7THz）進(jìn)行混頻。 Herschel將有望揭開(kāi)早期宇宙的真面目，其考察目標(biāo)包括：研究早期宇宙中星系的形成和演化；考察恒星是如何形成和演化的，以及它們與星際介質(zhì)的相互聯(lián)系；探測(cè)銀河系的化學(xué)成分，行星、彗星及衛(wèi)星的表面和大氣的分子化學(xué)；考察宇宙的分子化學(xué)。

2.3 亞洲的研究進(jìn)展

2005年1 月8 日，日本宣布10年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，把太赫茲研究項(xiàng)目列為十大國(guó)家支柱技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)的首位。日本的東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)、東北大學(xué)、福田大學(xué)以及SLLSC、NTT等公司也都大力開(kāi)展了太赫茲的研究與開(kāi)發(fā)工作。

2009年9 月11 日，日本為國(guó)際空間站日本艙研制的亞毫米臨邊探測(cè)器JEM/SMILES發(fā)射升空。JEM/SMILES使用了最新研發(fā)的液氦冷卻SIS（Superconductor Insulator Superconductor）探測(cè)器，JEM/SMILES將對(duì)地球大氣成分如 O3，H35Cl，H37Cl，ClO，BrO，HOCl，HO2，HNO3，CH3CN 及 O3同位素進(jìn)行觀測(cè)。 JEM/SMILES 是第一個(gè)利用超導(dǎo)外差探測(cè)器進(jìn)行地球觀測(cè)的太赫茲計(jì)劃，與美國(guó)及歐洲之前發(fā)射的Aura MLS以及Odin相比，JEM/SMILES具有更高的探測(cè)靈敏度[8]。表3具體列出了JEM/SMILES不同高度測(cè)量的不同種類(lèi)的物質(zhì)。

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2.4 國(guó)際合作項(xiàng)目研究進(jìn)展

由歐美等國(guó)聯(lián)合研制的單孔遠(yuǎn)紅外太赫茲太空望遠(yuǎn)鏡（SAFIR）計(jì)劃用于太空觀察，研究宇宙中銀河系、行星等最初的演變。SAFIR預(yù)計(jì)于2015～2020年發(fā)射，觀察波長(zhǎng)范圍從40μm～1mm，采用低溫工作的SIS或HEB探測(cè)器進(jìn)行混頻完成外差式接收，并使用THz激光作為本機(jī)振蕩器。SAFIR的探測(cè)精度已經(jīng)接近遠(yuǎn)紅外、亞毫米波段輻射的極限，具有極高的探測(cè)靈敏度。

美國(guó)NASA和德國(guó)航空航天中心 （DLR）的合作項(xiàng)目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy），SOFIA的主要設(shè)備是一個(gè)工作在紅外和太赫茲波段的望遠(yuǎn)鏡。因具備高分辨率，SOFIA可以測(cè)量小行星數(shù)據(jù)，拍攝行星大氣結(jié)構(gòu)，并可以像前任柯伊伯機(jī)載天文臺(tái)那樣，通過(guò)掩星研究類(lèi)木行星環(huán)系。SOFIA還可以單獨(dú)觀測(cè)某顆原恒星，幫助人們了解其組成、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和周邊環(huán)境等特性，進(jìn)一步了解恒星演化的圖景。此外，星際介質(zhì)的輻射集中在中遠(yuǎn)紅外和亞毫米波段，SOFIA的工作波段可滿(mǎn)足研究星際介質(zhì)連續(xù)譜輻射和譜線的要求。SOFIA于2009年12月進(jìn)行了首次試飛行，并在2010年進(jìn)行了一系列的優(yōu)化飛行試驗(yàn)。

2003年11 月6 日，來(lái)自北美、歐洲和智利的一些科學(xué)家和社會(huì)名流啟動(dòng)了世界上最大的、最靈敏的操作在亞毫米級(jí)波長(zhǎng)上的射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）。ALMA大型毫米級(jí)射電天文望遠(yuǎn)鏡組將成為世界上首屈一指的天文觀測(cè)儀器。它由64個(gè)高精度天線組成，這些天線分布于智利安第斯山脈的查南托高原。查南托高原位于智利的阿塔卡瑪沙漠的圣佩德羅地區(qū)，該地區(qū)海拔在5 000m以上。ALMA的主要功能是以高清晰度和超高空間分辨率對(duì)宇宙的神秘莫測(cè)的冷區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)和成像，它能夠提供 HST望遠(yuǎn)鏡 （Hubble Space Telescope）、VLT望遠(yuǎn)鏡 （Very Large Telescope）、JWST望遠(yuǎn)鏡 （James Webb Space Telescope）及SKA（Square Kilometer Array）所不能具備的天體物理前沿研究手段。

2.5 我國(guó)太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用進(jìn)展

國(guó)內(nèi)政府機(jī)構(gòu)和各科研院校對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)給予了高度關(guān)注。特別是2005年以太赫茲科學(xué)技術(shù)為主題的第270次香山科學(xué)會(huì)議的召開(kāi)，極大推動(dòng)了我國(guó)太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究。國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等對(duì)太赫茲研究也給予了一定的支持，有關(guān)太赫茲研究已列入國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家863計(jì)劃，這為今后我國(guó)THz研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，針對(duì)國(guó)際上的研究瓶頸問(wèn)題，我國(guó)在太赫茲源、探測(cè)、成像應(yīng)用以及傳輸?shù)阮I(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究上已逐步形成自己的研究特色，并取得了一些重要成果。

自1996年起，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和上海交通大學(xué)在國(guó)內(nèi)較早地開(kāi)展了太赫茲物理與器件方面的研究工作。在國(guó)際上率先成功發(fā)展了太赫茲輻照下的半導(dǎo)體輸運(yùn)平衡方程，深人細(xì)致地研究了太赫茲輻射與半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)的相互作用規(guī)律，對(duì)THz-QCL的基本科學(xué)問(wèn)題也進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，并與加拿大科學(xué)家合作研制了THz-QCL原型器件。

天津大學(xué)在基于超晶格材料光學(xué)拉曼散射、參量振蕩、差頻等二階、三階非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲輻射研究上取得階段性成果，實(shí)現(xiàn)了1.5～2.7THz可調(diào)諧相干太赫茲源，同時(shí)還在超晶格材料非共線、差頻側(cè)面輸出理論方面進(jìn)行了研究，為提高差頻效率奠定了基礎(chǔ)。

中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所也開(kāi)展了基于光學(xué)技術(shù)的大功率太赫茲源研究，主要包括：研制了集成太赫茲發(fā)射器和可飽和布拉格反射器（SBR）的腔內(nèi)型THz-IR雙色輻射源；利用光參量差頻技術(shù)產(chǎn)生大功率的太赫茲輻射，以及基于全光纖激光器的太赫茲產(chǎn)生技術(shù)；開(kāi)展了光激半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中的太赫茲動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究。

中科院物理所于20世紀(jì)90年代初期就建立了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)時(shí)域光譜測(cè)量系統(tǒng)。近年來(lái)，在超強(qiáng)太赫茲脈沖的產(chǎn)生、太赫茲脈沖的傳播和太赫茲波在瞬態(tài)光譜分析中的應(yīng)用等方面，開(kāi)展了卓有成效的研究工作。

中科院紫金山天文臺(tái)和南京大學(xué)是我國(guó)開(kāi)展超導(dǎo)探測(cè)技術(shù)研究的兩個(gè)主要單位。中科院紫金山天文臺(tái)是我國(guó)開(kāi)展毫米波、亞毫米波天文學(xué)研究的主要單位之一，目前負(fù)責(zé)運(yùn)行我國(guó)唯一的毫米波望遠(yuǎn)鏡（青海，13.7m）和亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Portable Submillimeter Telescope，POST）；研制的ALMA第八波段超導(dǎo)SIS混頻器性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，第十波段的工作也于2005年底取得實(shí)破進(jìn)展，并在國(guó)內(nèi)首先開(kāi)展了超導(dǎo)HEB熱電子混頻研究工作，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了4K閉環(huán)制冷方式的超導(dǎo)HEB熱電子混頻研究，在1THz頻段內(nèi)的研究水平與國(guó)際上其它研究小組取得的結(jié)果相當(dāng)。

基于自由電子激光（FEL）的太赫茲源研究工作己在中科院上海應(yīng)用物理所、中國(guó)工程物理研究院和電子科技大學(xué)進(jìn)行，并取得一定的成果。

中國(guó)空間技術(shù)研究院在“十一五”開(kāi)展了國(guó)防重點(diǎn)項(xiàng)目“空間太赫茲應(yīng)用技術(shù)”等課題研究，由于起點(diǎn)要求高，目前與國(guó)外差距不是很大。此外作為空間系統(tǒng)總體單位，中國(guó)空間技術(shù)研究院與高等院校緊密結(jié)合，開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān)，有望通過(guò)衛(wèi)星搭載在太赫茲空間遙感技術(shù)方面作出成績(jī)。

3 太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用展望

國(guó)際上太赫茲技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要圍繞幾個(gè)大的空間和天文研究計(jì)劃課題進(jìn)行，例如AURA、SOFIA、ALMA、Herschel、TELIS、SMILES等，歸根結(jié)底都是圍繞著太赫茲的產(chǎn)生和探測(cè)來(lái)進(jìn)行的。為此我國(guó)在開(kāi)展太赫茲空間技術(shù)研究時(shí)需要著重考慮以下幾個(gè)方面：

（1）太赫茲理論研究

太赫茲的理論研究還比較薄弱，在研究太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用的同時(shí)，需要對(duì)其理論機(jī)制做更深的了解，目前，人們尚未能從理論方面對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的推導(dǎo)或計(jì)算，還需對(duì)其進(jìn)行解釋和研究。

（2）太赫茲波源研究

開(kāi)展適用于空間技術(shù)的太赫茲源研究。太赫茲波的產(chǎn)生和檢測(cè)是太赫茲科學(xué)技術(shù)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。缺少高功率、低造價(jià)和便攜式的室溫太赫茲光源是限制太赫茲成像以及太赫茲雷達(dá)等高新技術(shù)發(fā)展的最主要因素，同時(shí)也是限制太赫茲技術(shù)在空間中應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

（3）太赫茲波探測(cè)

開(kāi)展高靈敏度超導(dǎo)探測(cè)器技術(shù)研究。目前，我國(guó)在太赫茲波段的探測(cè)器研究才剛剛起步，與歐美等國(guó)的差距很大，高靈敏度太赫茲探測(cè)器的研制對(duì)于開(kāi)展太赫茲空間技術(shù)研究尤為重要。

（4）數(shù)據(jù)處理與圖像識(shí)別技術(shù)

開(kāi)展寬帶高分辨率數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)研究?，F(xiàn)有的太赫茲系統(tǒng)設(shè)備的信息處理過(guò)程很復(fù)雜，目前太赫茲波圖像分析的關(guān)鍵在于提高分析速度、改善太赫茲波系統(tǒng)的性能和可用性。為了提高觀測(cè)速度，要求處理帶寬盡量大，同時(shí)處理算法分辨率盡量高。此外，如果研究的目標(biāo)尺寸太大，對(duì)成像造成困難，同時(shí)目標(biāo)表面漫散射，使得目標(biāo)結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，因此需要通過(guò)建模及計(jì)算完成圖像的識(shí)別。

此外，考慮到目前國(guó)內(nèi)外太赫茲技術(shù)的發(fā)展水平和太赫茲波段的特性，在航天遙感領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該主要在被動(dòng)式探測(cè)方面對(duì)空間天體進(jìn)行探測(cè)；考慮到地球大氣對(duì)太赫茲波段的吸收，以探測(cè)大氣環(huán)境為主；在通訊應(yīng)用方面，可以考慮隱蔽通訊的可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于太赫茲處于電磁波譜的特殊位置，使其具有極其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，并已在一些重要的研究領(lǐng)域顯示出其獨(dú)特優(yōu)越性，太赫茲科學(xué)技術(shù)已成為科學(xué)研究的熱門(mén)課題之一。本文介紹了太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況提出了我國(guó)發(fā)展太赫茲空間技術(shù)需要著重解決的幾個(gè)問(wèn)題。

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