太赫茲大氣遙感技術(shù)

胡偉東，季金佳，劉瑞婷，王雯琦，Leo P. LIGTHART,2

(1.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081;2.荷蘭代爾夫特理工大學(xué),代爾夫特 2628 CN 荷蘭)

太赫茲大氣遙感技術(shù)

胡偉東1*，季金佳1，劉瑞婷1，王雯琦1，Leo P. LIGTHART1,2

(1.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081;2.荷蘭代爾夫特理工大學(xué),代爾夫特 2628 CN 荷蘭)

由于其獨(dú)特的大氣敏感特性，太赫茲波在大氣遙感領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。國(guó)際上太赫茲大氣遙感技術(shù)發(fā)展方興未艾。2004 年，美國(guó)NASA發(fā)射AURA衛(wèi)星，探測(cè)儀器中包括了具有兩種極化的2.5 THz 輻射計(jì)；2007年，歐空局ESA研制了Marschals外差式光譜儀，采用臨邊探測(cè)方式探測(cè)氣體成分在亞毫米波段熱輻射的高光譜。我國(guó)在軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)已經(jīng)具備毫米波段輻射計(jì)，風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星是世界上首顆搭載太赫茲遙感儀的地球靜止軌道氣象衛(wèi)星。針對(duì)我國(guó)大氣遙感的現(xiàn)狀，在概述國(guó)內(nèi)外太赫茲遙感應(yīng)用和技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大氣遙感技術(shù)的思路；大力發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲關(guān)鍵器件、太赫茲探測(cè)儀系統(tǒng)集成，研究太赫茲大氣探測(cè)的新原理和反演新方法，整體提升我國(guó)在大氣遙感領(lǐng)域的技術(shù)水平。

太赫茲；大氣遙感；云粒子；輻射計(jì)

1 引 言

太赫茲(THz)波是位于微波和紅外頻段之間的電磁波，通常情況下，規(guī)定為頻率在0.1～10 THz 范圍內(nèi)，也被稱為亞毫米波。太赫茲波具有較強(qiáng)的穿透性、高效抑制背景噪聲、良好的時(shí)間和空間相干性等特性，使得太赫茲技術(shù)在大氣遙感領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，由于太赫茲有效產(chǎn)生源和靈敏檢測(cè)技術(shù)的限制，太赫茲波大氣探測(cè)技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著空間技術(shù)的進(jìn)步，太赫茲波在大氣遙感領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并且可以與現(xiàn)有的波段形成有力的互補(bǔ)，更加推動(dòng)了其發(fā)展[1-2]。

作為人類空間活動(dòng)的最主要區(qū)域，大氣空間的物理特性及其擾動(dòng)變化，與人類的經(jīng)濟(jì)、軍事和科技等活動(dòng)密切相關(guān)[3]，因此大氣探測(cè)是地球空間探測(cè)的重點(diǎn)。本文主要介紹了太赫茲技術(shù)在大氣遙感中的作用，從探測(cè)儀、關(guān)鍵器件到信號(hào)檢測(cè)算法等各個(gè)方面，綜述了太赫茲技術(shù)在大氣遙感領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合目前我國(guó)太赫茲技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了發(fā)展我國(guó)自主可控的太赫茲大氣遙感技術(shù)的思路。

2 太赫茲技術(shù)在大氣遙感中的作用

大氣遙感輻射測(cè)量的主要設(shè)備為輻射計(jì)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)被探測(cè)空間的遙感輻射成像。所謂遙感輻射成像技術(shù)是指通過(guò)接收物體及背景的微波、毫米波、太赫茲米波輻射能量來(lái)探測(cè)物體的特性，進(jìn)而生成圖像[4]。在太赫茲波段，由于大氣中的許多微量氣體分子具有特征吸收線，可以識(shí)別出這些組分， 確定其中大部分氣體(包括羥基自由基在內(nèi)的多種氣體)成分的濃度，從而可以反演出微量氣體垂直廓線，來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣監(jiān)測(cè)。太赫茲波對(duì)含氯、硫、氮和氰等因人類活動(dòng)而排放的廢氣具有特殊的敏感性，可利用此特性進(jìn)行臭氧層的大氣環(huán)保監(jiān)控。同時(shí)，輻射計(jì)可在任何天氣條件下，對(duì)于全球水汽的分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表1為不同頻段的輻射計(jì)對(duì)應(yīng)的主要大氣探測(cè)目標(biāo)。

表1 各頻段輻射計(jì)與主要探測(cè)目標(biāo)的關(guān)系

隨著對(duì)于獲得遙感信息提出多樣化和高精度等越來(lái)越多的要求，探測(cè)技術(shù)也在發(fā)生著變化。大氣的垂直結(jié)構(gòu)從低到高可分為對(duì)流層、平流層、中間層、電離層和散逸層，各層高度可見圖1。根據(jù)觀測(cè)高度與精度的不同需求，目前對(duì)于大氣觀測(cè)主要采用3種方式觀測(cè)：天底觀測(cè)、掩星觀測(cè)和臨邊觀測(cè)。天底觀測(cè)可獲得較大的空間觀測(cè)范圍，但是垂直分辨率會(huì)較低；掩星觀測(cè)雖然垂直分辨率高，但探測(cè)儀繞軌道一周只進(jìn)行兩次有效觀測(cè)，導(dǎo)致空間覆蓋范圍較?。慌R邊觀測(cè)方式將兩種方法結(jié)合，具有較大的空間覆蓋范圍的同時(shí)，又具有高的垂直分辨率。起初，人類主要應(yīng)用的天底觀測(cè)，逐步發(fā)展到了掩星觀測(cè)和臨邊探測(cè)，從單一模式發(fā)展到了多種模式結(jié)合應(yīng)用[5]。同時(shí)為了提高遙感信息的精度，星上定標(biāo)技術(shù)也越來(lái)越受到重視。

圖1 大氣分層結(jié)構(gòu) Fig.1 Layered structure of atmosphere

與可見光、紅外成像系統(tǒng)相比，太赫茲遙感大氣探測(cè)受到的大氣衰減較小，可以像紅外系統(tǒng)一樣在低能見度的黑夜正常工作，因其對(duì)云霧、煙塵、雨雪和沙暴等物質(zhì)的穿透能力極強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的觀測(cè)。與主動(dòng)系統(tǒng)相比，太赫茲波的輻射圖像與光學(xué)圖像很相似，有利于物體的辨認(rèn)[6]。因此，太赫茲技術(shù)在大氣探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 太赫茲探測(cè)儀發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

通過(guò)上述分析可以看出，太赫茲輻射計(jì)在大氣溫度、微量氣體、污染物、水汽廓線、冰粒子大小形狀以及云和降水測(cè)量等方面均具有非常大的應(yīng)用潛力。目前太赫茲大氣探測(cè)儀主要分為星載太赫茲大氣探測(cè)儀和機(jī)載太赫茲大氣探測(cè)儀。

3.1星載太赫茲大氣探測(cè)儀

1974年，前蘇聯(lián)發(fā)射的Cosmos-669衛(wèi)星攜帶了第一個(gè)太空亞毫米波測(cè)輻射熱計(jì)系統(tǒng)，工作頻段范圍：300 GHz～5 THz，用于測(cè)定大氣層的降水、大氣溫度、云、壓強(qiáng)、水汽等分布信息，這也是首次將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于大氣探測(cè)[8]。

1978年，前蘇聯(lián)發(fā)射了攜帶亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的Salyut6空間站，工作頻段范圍：200 GHz～15 THz。同年，載有高分辨4通道微波輻射計(jì)單元(MSU)的Tiros-N的發(fā)射，標(biāo)志著星載平臺(tái)的性能已進(jìn)入穩(wěn)定期。由于地面大規(guī)模數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)的形成，使星載輻射計(jì)正式邁入了商業(yè)應(yīng)用階段。MSU的空間分辨率為110 km，可以獲得云頂及海面溫度，同時(shí)也用以探測(cè)大氣溫度廓線。

1982年，美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局和美國(guó)國(guó)防部實(shí)行DMSP-Block 5D-2 計(jì)劃。在1991年發(fā)射的DMSP-F11、1994 年發(fā)射的DMSP-F12和1997 年發(fā)射的DMSP-F14這三顆衛(wèi)星上成功搭載用于反演水汽廓線的SSM/T-2。輻射計(jì)工作的中心的頻率分別為91 GHz、150 GHz、183 GHz。這3顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，使得人類實(shí)現(xiàn)在任何天氣條件下全球水汽分布的監(jiān)測(cè)[8]。

上世紀(jì)90代年以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于遙感數(shù)據(jù)的獲取、傳輸與共享速度與質(zhì)量的提高起了推動(dòng)作用。同時(shí)，新材料、新器件日新月異，星載大氣探測(cè)儀的結(jié)構(gòu)與性能越來(lái)越完善，向著高頻段、多通道、高分辨率成像、一體化的方向發(fā)展。

1991年，美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)發(fā)射UARS 衛(wèi)星，如圖2所示，上面成功搭載了有3個(gè)通道微波臨邊探測(cè)器(MLS)，3個(gè)工作的中心頻段分別為63 GHz、183 GHz、205 GHz，首次成功使用全功率型常溫雙邊帶超外差式高分辨率光譜接收機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了亞毫米波臨邊探測(cè)應(yīng)用[9]。

圖2 UARS衛(wèi)星 Fig.2 UARS satellite

1998年，NASA 發(fā)射SWAS衛(wèi)星，如圖3所示，上面搭載了橢圓卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡，使用了次諧波肖特基管接收機(jī)。4個(gè)探測(cè)通道：(1)A1:541～558 GHz;(2)A2:486.1～503.9 GHz;(3)B1:563～581.4 GHz;(4)B2:547～564 GHz[10-11]。同年， NOAA-15 衛(wèi)星成功發(fā)射，其上搭載了AMSU-A和AMSU-B ，其工作頻段觀測(cè)頻率：在23.8～83.31 GHz范圍內(nèi) 共20個(gè)通道，同時(shí)擁有較高的空間分辨率，分別為48 km和16 km[11]。

圖3 亞毫米波天文衛(wèi)星(SWAS) Fig.3 Submillimeter Wave Astronomy Satellite

2001年2月，芬蘭、瑞典、加拿大和法國(guó)聯(lián)合發(fā)射ODIN衛(wèi)星，主要載荷為太赫茲波輻射計(jì)，工作頻率為：119 GHz、486～580 GHz。并與2007年4月探測(cè)到了星際介質(zhì)中的氧氣分子。

2003年，美國(guó)國(guó)家防御系列DMSP(F-16)氣象衛(wèi)星上成功搭載了最新式微波成像儀，頻率覆蓋：19～183 GHz，共有24個(gè)通道，探測(cè)目標(biāo)：云特性以及海水表面溫度[13-14]。

2004 年，NASA成功發(fā)射了AURA衛(wèi)星，其上搭載了2.5 THz的臨邊探測(cè)載荷，探測(cè)目標(biāo)：地球大氣中的OH根離子、氯氧化物、臭氧等的縫補(bǔ)和成分濃度[15]。

2005年，CIWSIR由ESA研制，工作頻率：183、243、325、448和664 GHz，共有9個(gè)工作通道，每個(gè)頻率均采用雙極化方式，探測(cè)目標(biāo)：183 GHz(水汽的背景輻射)；剩下4個(gè)工作頻率均是為了探測(cè)冰云。

2007年，ESA發(fā)射Herschel衛(wèi)星，Herschel衛(wèi)星是一臺(tái)被動(dòng)制冷望遠(yuǎn)鏡，如圖4 ，其主要載荷為高分辨率外差頻譜儀，覆蓋頻段：450 GHz～5 THz，目的：對(duì)于深空進(jìn)行寬頻段探測(cè)。優(yōu)勢(shì)：與地基設(shè)備相比，無(wú)大氣干擾，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，分辨率更高。

圖4 Herschel衛(wèi)星搭載的固態(tài)太赫茲倍頻源 Fig.4 Solid state terahertz frequency doubled source carried by Herschel

2009年，JEM/SMILES(Japanese Experiment Module/Super-conducting Submillim-erter-Wave Limb-Emission Sounder)搭載于HTV進(jìn)入ISS國(guó)際空間站[16]。SMILES主要用來(lái)探測(cè)如臭氧，HCl(H37Cl和H35Cl)、ClO、HO2、HOCl、BrO和CH3CN等大氣微量元素。該設(shè)備共有3個(gè)中心頻段，分別為：624.9 GHz、625.72 GHz、649.62 GHz；系統(tǒng)噪聲<500 K;增益誤差：1%；偏移誤差：1 K；NE△T：0.4 K。

2008～2013年間，中國(guó)成功發(fā)射3顆“風(fēng)云三號(hào)”(FY-3)系列氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星上成功搭載了微波濕度計(jì)(MWHS)、微波溫度計(jì)(MWTS)(如圖5)、微波成像儀(MWRI)等有效載荷，F(xiàn)Y-3中頻段覆蓋范圍從10.65～183 GHz中的多個(gè)頻段，載荷主要用于對(duì)于大氣溫度、大氣濕度、降水和云水、大氣可降水、海平面溫度和風(fēng)速、土壤濕度和溫度、雪蓋等進(jìn)行探測(cè)，該系列衛(wèi)星不僅造福于中國(guó)，對(duì)于國(guó)際社會(huì)的大氣、氣象、水文和環(huán)境等業(yè)務(wù)起到有益的作用[17]。

圖5 微波溫度計(jì)實(shí)物 Fig.5 Photos of microwave thermometers

2016年12月11日，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星(01實(shí)驗(yàn)星)，如圖6所示。該衛(wèi)星是中國(guó)第二代靜止軌道氣象衛(wèi)星，衛(wèi)星上搭載了干涉式大氣垂直探測(cè)儀、多通道掃描成像輻射計(jì)、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀這4種先進(jìn)的有效載荷，可為天氣的分析與預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供服務(wù)[18]。

圖6 風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星 Fig.6 Photo of FY-4 Satellite

3.2機(jī)載太赫茲大氣探測(cè)儀

PSR(極化掃描輻射計(jì))由NOAA 研制，是一臺(tái)多功能機(jī)載成像微波輻射計(jì)，掛載于各種飛行器，主要目的：獲取陸地、云、冰、地球海洋、降水等發(fā)出的極化微波信息。

SWCIR(submillimeter-wave cloud ice radiometer)由美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室研制，如圖7所示，搭載于DC-8 飛機(jī)上，4個(gè)中心頻率為：643 GHz、448 GHz、325 GHz和183 GHz，共有4個(gè)工作通道，探測(cè)目標(biāo)：對(duì)流層上層冰云的冰水路徑和等效球形粒子半徑。主要工作目的：研究和驗(yàn)證輻射計(jì)對(duì)于量化卷云微物理特性的探測(cè)，以此來(lái)發(fā)展輕便和低耗的空基冰云輻射計(jì)技術(shù)[19]。

1997年，Evans等人模擬分析亞毫米波段卷云的散射特征，為期后來(lái)的應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。研究頻段：150 GHz、320 GHz、340 GHz、500 GHz、630 GHz和880 GHz，在卷云模式中，同時(shí)考慮了冰晶非球形等多種粒子譜分布。研究結(jié)果表明，由于水汽吸收衰減，500 GHz以上的高頻對(duì)于低卷積云的的煙感能力減弱，但是并不影響其對(duì)于高卷積云的遙測(cè)[21]。Evans等人對(duì)于應(yīng)用在SWCIR上反演冰云的Bayesian算法進(jìn)行了反演研究，驗(yàn)證了該算法擬合這些微物理參數(shù)和亮溫的有效性。

圖7 SWCIR 設(shè)計(jì)圖 Fig.7 Schematic diagram of SWCIR

CoSSIR(Conical Scanning Sub-millimeter-wave Imaging Radiometer)由NASA/戈達(dá)德航天飛行中心研制，如圖8所示，中心頻率：183 GHz、220 GHz、380 GHz、487 GHz和640 GHz，共有12個(gè)通道，搭載于NASA-ER2飛機(jī)，探測(cè)目標(biāo)：遙感冰云的粒子尺度和冰水路徑，同時(shí)可用于遙感水汽廓線和降雪率[21]。結(jié)果顯示：在毫米波波段的噪聲較大，但太赫茲波段相較于低頻段，其對(duì)冰云粒子更敏感，并可以聯(lián)合CloudSat 系統(tǒng)反演IWC 和Dme。

圖8 圓錐掃描亞毫米波成像輻射計(jì)(CoSSIR) Fig.8 Photo of conical scanning sub-millimeter-wave imaging radiometer

Marschals由ESA 在研制，主要為了驗(yàn)證MASTER 的可行性、亞毫米波頻段的優(yōu)勢(shì)以及MASTER 光譜輻射計(jì)的需求。該探測(cè)儀為機(jī)載外差式光譜儀，采用臨邊探測(cè)方式。共有3個(gè)工作頻段，分別為：300 GHz、321 GHz和345 GHz，探測(cè)目標(biāo)為部分氣體成分在亞毫米波段的熱輻射高光譜。

綜上所述，無(wú)論是何種平臺(tái)的大氣探測(cè)儀，接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同，只是為了適應(yīng)不同的場(chǎng)合，在天線型式、定標(biāo)方式、接收機(jī)保溫措施等方面略有不同。在早期，大氣探測(cè)儀實(shí)際上就是超外差接收機(jī)形式微波輻射計(jì)。因此，長(zhǎng)期以來(lái)研究人員的主要精力在尋找提高輻射計(jì)的靈敏度、絕對(duì)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的有效方法，這3個(gè)指標(biāo)也是衡量微波輻射計(jì)性能的最關(guān)鍵指標(biāo)。太赫茲探測(cè)儀的工作頻率都是在大氣敏感窗區(qū)通道，近年來(lái)，664 GHz、874 GHz等太赫茲頻率已被用于冰云探測(cè)；極化通道已成為太赫茲探測(cè)儀的必要配置；太赫茲探測(cè)儀的關(guān)鍵器件決定系統(tǒng)性能，器件噪聲性能影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4 太赫茲關(guān)鍵器件的發(fā)展與趨勢(shì)

4.1太赫茲大氣遙感中混頻器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1978年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者 E.R.Carlson等人采用懸置微帶線技術(shù)，研制出了66～110 GHz的分諧波混頻器，最小噪聲溫度為400 K。

1998年，美國(guó)JPL的學(xué)者 I.Mehdi、P.H.Siegel等人研制了全固態(tài)640 GHz分諧波混頻器。利用平面GaAs肖特基二極管，本振信號(hào)通過(guò)107 GHz的InP Gunn氏管振蕩器提供，本振功率在小于4 mW時(shí)可最佳激勵(lì)二極管對(duì)。

2000年，美國(guó)學(xué)者S.M.Marazita、J.L.Hesler和T.W.Crowe等人研制了585 GHz的集成混頻器，運(yùn)用MASTER技術(shù)，在77 K溫度下雙邊帶噪聲溫度為880 K，室溫下為1 150 K[22]。

2007年，來(lái)自英國(guó)RAL的學(xué)者S.Marsh、B.Alderman等人采用 應(yīng)用GaAs肖特基二極管，研制出了石英基片懸置微帶分諧波混頻器，工作頻率為183 GHz[23]。

2009年，愛爾蘭學(xué)者L.Floyd等研制了380 GHz的分諧波混頻器。該混頻器用類似MMIC的形式直接制作在GaAs基片上，二極管和無(wú)源電路作為混頻器件，再用石英基片微帶將中頻信號(hào)引出[24]。

2010年，英國(guó)Rutherford Appleton Laboratory及英國(guó)University of Leeds聯(lián)合研制出了664 GHz分諧波混頻器。該分諧波混頻器本振功率為4.2 mW，在650～690 GHz范圍內(nèi)，變頻損耗測(cè)試結(jié)果小于10 dB，最優(yōu)仿真結(jié)為8 dB[25]。

綜合分析國(guó)外太赫茲混頻器的發(fā)展可以得出如下的結(jié)論，20世紀(jì)80年代后，主要采用基波混頻形式，典型變頻損耗約為7.5～9 dB；90年代，主要要采用諧波混頻方式，典型變頻損耗為6.5～8 dB；90 年代后，主要方式是分諧波式混頻。

4.2放大檢波電路

2003年，A.Leuther、A.Tessmann和C.Sehwoerer等人應(yīng)用耗盡型MHEMT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單級(jí)低噪聲放大器[26]。結(jié)果顯示，頻率在80～100 GHz時(shí)，最小噪聲系數(shù)=2.1 dB，均值NFavg=2.3 dB，Ga>12 dB。

2008年，Jonathan J.Lynch等人成功研制毫米波預(yù)放大零偏檢波電路組件。該檢波電路組件將W波段低噪聲放大器單片與一片同頻段零偏檢波器單片直接進(jìn)行一體化集成，使得器件的體積實(shí)現(xiàn)了最小化。其中，低噪聲放大器尺寸為2.565 mm×0.845 mm，檢波MMIC在80～110 GHz頻帶上，電壓靈敏度達(dá)到3 000 V/W。

2009年，E.W.Bryerton等人利用波導(dǎo)到微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)完成模塊設(shè)計(jì)研制了W波段四級(jí)LNA單片。測(cè)試結(jié)果顯示在室溫時(shí)，頻率在70～92 GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)僅為3 dB，測(cè)得增益介于26～30 dB之間[25]。

2012年，D.R.Lu等人制作出高增益寬帶放大器。放大器采用65 nm CMOS工藝，工作頻率為75.5～120.5 GHz，帶內(nèi)增益大于20 dB，同時(shí)在87～100 GHz范圍內(nèi)，噪聲系數(shù)介于6～8.3 dB之間[27]。

2013年，M.Hrobak、M.Sterns等人發(fā)布了基于平面零偏置肖特基砷化鎵檢波二極管而進(jìn)行設(shè)計(jì)的檢波器。該檢波器頻率在60～110 GHz內(nèi)，電壓靈敏度大于1 000 mV/mW，切線靈敏度小于-43d Bm[28]。

國(guó)內(nèi)對(duì)低噪放和檢波器的的研制起步較晚，成果相對(duì)落后。

2009年，中電13所的劉永強(qiáng)等利用InP HEMT工藝，成功設(shè)計(jì)了W波段低噪聲放大器[29]。該放大器工作頻率為80～102 GHz，工作頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)噪聲系數(shù)小于5 dB，增益大于19 dB。

2008年，電子科技大學(xué)的王珊珊等人應(yīng)用單片集成電路方法，研制了W波段低噪聲放大器。頻率為82 ～100 GHz，該頻段范圍內(nèi)，放大器增益大于30 dB，同時(shí)在頻率為94 GHz時(shí)，1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率實(shí)現(xiàn)了14.8 dBm[30]。

2013年，電子科技大學(xué)的薛偉研制了共面線輸入的W波段寬帶檢波器。在75～101.5 GHz范圍內(nèi)，電壓靈敏度大于2 mV/μW。在頻率為75～110 GHz范圍中，視頻帶寬約為100 Hz時(shí)，切線靈敏度Tss≤58 dBm[31]。

綜上所述，我國(guó)在太赫茲關(guān)鍵器件的發(fā)展方面同國(guó)外相比存在較大差距，低噪聲放大器、混頻器和檢波器等太赫茲探測(cè)儀的核心器件不能長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口，特別是星載太赫茲探測(cè)儀的關(guān)鍵器件。因此，立足我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲集成電路基礎(chǔ)和工藝水平，加大投入，攻堅(jiān)克難，才能為我國(guó)自主可控的太赫茲探測(cè)儀發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

5 太赫茲信號(hào)檢測(cè)方法的進(jìn)展

我們可以把太赫茲信號(hào)檢測(cè)技術(shù)分為非相干直接能量類和相干時(shí)域連續(xù)波類。非相干直接能量類采用直接方式檢測(cè)，一般狀況下，只可以檢測(cè)太赫茲波的輻射強(qiáng)度，不包括其相位信息，這種檢測(cè)方法為非相干類寬帶檢測(cè)[32]。后者屬于相干檢測(cè)，又可以細(xì)分為太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)技術(shù)和太赫茲低頻端超外差式檢測(cè)器的檢測(cè)技術(shù)。

5.1太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)其優(yōu)點(diǎn)是具有比傳統(tǒng)傅里葉變換更好的信噪比以及頻率分辨率，可以測(cè)量的最大帶寬大概為5 THz，用于微波探測(cè)材料表現(xiàn)出來(lái)的物理特性[33]。

最初使用光電導(dǎo)天線探測(cè)超短電脈沖。光電導(dǎo)采樣和光電導(dǎo)發(fā)射互為逆進(jìn)程的關(guān)系。自由空間電光采樣方法，是利用電光取樣來(lái)得到整個(gè)太赫茲電磁輻射波形信息，其中同時(shí)包含相位和振幅信息，該技術(shù)屬于線性電光效應(yīng)的探測(cè)領(lǐng)域。在太赫茲的低頻范圍，對(duì)于特定的太赫茲輻射，光電導(dǎo)采樣具有較高的靈敏度、較高的信噪比和可達(dá)37 THz的探測(cè)范圍。但是，由于天線參數(shù)的因素，限制了光導(dǎo)天線的探測(cè)頻率，目前最大可以探測(cè)4 THz[34]。

5.2時(shí)域相干連續(xù)檢測(cè)技術(shù)

一般狀況采用窄帶探測(cè)方式來(lái)獲取更高頻率分辨率。通常在毫米波太赫茲波范圍內(nèi)采納外差類方式來(lái)制造較為靈敏探測(cè)器。局部振蕩信號(hào)輸出可大于固定的接收信號(hào)能量，處理時(shí)，可利用外差法通過(guò)混頻器將較難處理的太赫茲高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理的低頻信號(hào)，而后測(cè)量和放大該低頻信號(hào)?；祛l器具有非線性的伏安特性。太赫茲波段常用的混頻檢測(cè)器主要包括三類：超導(dǎo)-絕緣-超導(dǎo)混頻器、肖特基二極管混頻器[35]、熱電子輻射熱計(jì)混頻器。

肖特基二極管混頻器的最大工作頻率為2.5 THz， NEP大約是10-19W/Hz1/ 2量級(jí)[34]。采用光子輔助隧穿機(jī)制的SIS 混頻器，常用于小于1 THz太赫茲信號(hào)的頻率探測(cè)，已于2007年用在了歐洲空間局的亞毫米波空間望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)上。HEB混頻器通常用NbTiN等來(lái)制作微橋，尺寸在微米級(jí)，優(yōu)點(diǎn)是太赫茲信號(hào)的熱效應(yīng)響應(yīng)有靈敏性，電子溫度決定了HEB 的阻抗，在加上直流的偏置之后，測(cè)得的電壓與太赫茲功率成比例關(guān)系。

5.3直接檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)在不需要本振信號(hào)和中頻放大器的情況下，可以把被測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｓ玫碾妷?、電流信?hào)，太赫茲波直檢器包括常溫類和低溫類。其優(yōu)點(diǎn)是較寬的探測(cè)頻段，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。但是，只包含幅度信息，不包括相位信息。其缺點(diǎn)是在后端讀出電路中對(duì)低噪聲有較高要求，靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、有標(biāo)定問題、背景噪聲影響大等[36]。

太赫茲?rùn)z測(cè)向單光子檢測(cè)發(fā)展，基于MEMS 的測(cè)輻射熱計(jì)[373]，可以探測(cè)太赫茲單光子。用高磁場(chǎng)冷卻溫度至50 mK時(shí)，探測(cè)頻率范圍是1.4～1.7 THz，其NEP約為10-22W/Hz1/ 2量級(jí)，高出普通Bolometer的NEP 3個(gè)數(shù)量級(jí)[383]。

6 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲波段的大氣遙感技術(shù)在對(duì)地觀測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。我國(guó)風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星中太赫茲載荷已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲遙感技術(shù)有待加強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)自主可控，我國(guó)必須合理規(guī)劃太赫茲技術(shù)的發(fā)展路線：一方面，大力發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲關(guān)鍵器件，穩(wěn)定、可靠、低噪聲、抗輻照等性能作為考核的重要依據(jù)，穩(wěn)步提高太赫茲器件的工作頻率；另一方面，大力發(fā)展太赫茲探測(cè)儀系統(tǒng)集成，提高測(cè)試水平，提升測(cè)試工作頻率；第三方面，研究太赫茲大氣探測(cè)的新原理和反演新方法，加強(qiáng)探索和實(shí)踐，整體提升我國(guó)在大氣遙感領(lǐng)域的技術(shù)水平。

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Terahertzatmosphereremotesensing

HU Wei-dong1*, JI Jin-jia1, LIU Rui-ting1, WANG Wen-qi1, Leo P. LIGTHART1,2

(1.BeijingInstituteofTechnology,Schoolofinformationandelectronics,Beijing100081,China； 2.DelftUniversityofTechnology,Delft2628CN,Netherlands)

Terahertz waves play an increasingly important role in the field of atmosphere remote sensing due to its unique atmosphere sensitivity. Terahertz atmospheric remote sensing technology has been a research hotspot at the international level. In 2004, NASA launched AURA, which included 2.5THz radiometer with two polarization properties. In 2007, ESA developed the Marschals heterodyne spectrometer, which adopted limb scanning method to detect the hyperspectral spectra of gas components in sub-millimeter wave thermal radiation. Currently, China′s in-orbit meteorological satellite Fengyun-Ⅲ is equipped with a millimeter-band radiometer, and Fengyun-Ⅳ is the world′s first GEMS carrying terahertz remote sensing instrument. Based on the analysis of the application and technology of terahertz remote sensing at home and abroad, this paper puts forward the idea of developing remote sensing technology with independent intellectual property rights according to the current situation of atmospheric remote sensing in China.

terahertz;atmosphere remote sensing;cloud particles;radiometer

TP722.6

A

10.3788/CO.20171005.0656

胡偉東(1975—)，男，山西應(yīng)縣人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事太赫茲遙感技術(shù)方面的研究。E-mail:hoowind@bit.edu.cn

Leo P. Ligthart，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)榮譽(yù)教授，2001年當(dāng)選為電氣與電子工程師學(xué)會(huì)會(huì)士、IET 會(huì)士，歐空局特聘專家；2003年俄羅斯運(yùn)輸科學(xué)院院士。2014年，北京理工大學(xué)外聘教授，進(jìn)入教育部“111”引智計(jì)劃，北京理工大學(xué)外籍專家，主要從事無(wú)線電傳播、多功能天線、多參數(shù)雷達(dá)、MIMO雷達(dá)、大氣遙感、毫米波與太赫茲技術(shù)等方面的研究。

2017-05-11；

2017-08-13

國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目(No.61527805)；國(guó)家自然科學(xué)基金群體項(xiàng)目(No.61421001)；高等學(xué)校創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.B14010)

Supported by Major Instrument Project of National Natural Science Fundation of China(No.61527805)； Group Project of National Natural Science Fundation of China(No.61421001)； Project of Innovation & Introduced Intelligence for colleges and universities of China(No.B14010)

2095-1531(2017)05-0656-10

*Correspondingauthor,E-mail:hoowind@bit.edu.cn