太赫茲技術及其在農業(yè)領域的應用研究進展

李 斌，龍 園，劉 歡，趙春江

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太赫茲技術及其在農業(yè)領域的應用研究進展

李 斌1,2,3,4，龍 園1,2,3，劉 歡1,2,3，趙春江1,2,3,4※

（1. 北京農業(yè)信息技術研究中心，北京 100097；2. 國家農業(yè)信息化工程技術研究中心，北京 100097； 3.農業(yè)部農業(yè)遙感機理與定量遙感重點實驗室，北京 100097；4. 數字植物北京市重點實驗室，北京 100097）

太赫茲波在電磁波譜中位于中紅外波與微波之間，具有探測分子間或分子內部弱相互作用的獨特性質，是當前研究的熱點之一。近年來，隨著太赫茲波產生和探測技術的快速發(fā)展，太赫茲光譜及成像技術在多個領域正逐步從實驗室研究轉向實際應用，包括安全成像檢測、航空航天、爆炸物分子檢測等，同時農業(yè)領域專家學者也積極開展了太赫茲技術的農業(yè)應用研究，取得了較好的研究進展。該文從太赫茲光譜簡介、產生探測原理、樣品制備及數據處理出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了待測樣品理化信息的太赫茲數據獲取方法，然后結合太赫茲技術特性，聚焦農業(yè)領域，探討了太赫茲光譜和成像技術在該領域中的應用研究進展及有待解決的問題，具體包括農業(yè)生物大分子檢測、農產品質量安全檢測、植物生理檢測和環(huán)境監(jiān)測等多個方面，進而揭示太赫茲技術這一新興科技在農業(yè)領域的研究潛力和應用前景。

農業(yè)；光譜分析；監(jiān)測；太赫茲技術；研究進展

0 引 言

太赫茲波指的是頻率0.1～10 THz（波長為0.03～3 mm）范圍內的電磁輻射的統(tǒng)稱，通常也被稱為太赫茲輻射、T射線等[1]。從頻率的角度分析，太赫茲波是電磁波譜中位于中紅外波與微波之間的波段，通常被稱為遠紅外波段；從能量的角度分析，太赫茲波能量為4.1 meV，屬于毫電子伏特的能量級，遠低于X射線千電子伏特的能量級，位于電子與光子能量之間，因此其屬于電子學與光子學的交叉領域[2-3]。

在電磁波譜中，位于太赫茲波段兩端的紅外和微波技術應用研究已較為成熟，但是太赫茲波段仍然是研究上的一個“空白”，也就是科學家們通常描述的“太赫茲空隙”[4-5]。由于之前一直缺乏太赫茲波的產生和探測設備，造成了上世紀尤其是八十年代以前科學家們對太赫茲技術的研究及認識有限。近年來超快激光技術的迅速發(fā)展，太赫茲波段光源設備的可靠性不斷改善，太赫茲技術及應用逐步成為光譜檢測領域的研究熱點[6]。

鑒于太赫茲波特殊的波段區(qū)間，相比其他波段，其在光譜檢測方面具有諸多獨特優(yōu)勢，例如：低能性使其不會因為電離對物品及人體造成傷害；對水的敏感性使其能通過生物體中水分子的特征吸收譜來研究物質組成和進行產品檢測；相干性使其能直接測量電場的振幅和相位，進而提取樣品的折射率和吸收系數；生物大分子的太赫茲指紋特性，使其能用于辨別毒品等物質的特征，對于緝毒和反恐具有重要意義；另外，太赫茲波具有寬帶和高分辨率，單個脈沖通?？梢愿采w從GHz至幾十太赫茲的范圍[7-11]。

近年來，正是因為太赫茲技術獨特的性質和用途，太赫茲技術得到了各國的高度重視：美國政府于2004年將THz科技列為“改變未來世界的十大技術”之四；日本于2005年1月8日將THz技術列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標”之首；中國政府在2014年4月專門召開了以“太赫茲波在生物醫(yī)學應用中的科學問題與前沿技術”為主題的香山科技會議，制定了中國THz技術發(fā)展規(guī)劃[12]。

目前全世界范圍已經形成了一個THz技術研究高潮：在美國包括常青藤大學在內有數十所大學都在從事THz的研究工作，特別是美國重要的國家實驗室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS和ORNL等，都在開展THz科學技術的研究工作；在歐洲，英國的Rutherford國家實驗室、劍橋大學、里茲大學和Strathclyde等十幾所大學，德國的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn和Hamburg等機構，都積極開展THz研究工作；在亞洲國家和地區(qū)，韓國國立漢城大學、浦項科技大學、國立新加坡大學、臺灣大學、臺灣清華大學等都積極開展THz研究工作，并發(fā)表了不少高質量的學術論文，日本東京大學、京都大學、大阪大學、東北大學、福井大學以及SLLSC、NTT Advanced Technology Corporation等公司都大力開展THz的研究與開發(fā)工作。當前太赫茲技術產生與探測技術、太赫茲光譜和成像技術及應用、太赫茲通訊是太赫茲技術的研究熱點領域。

農業(yè)是太赫茲技術的重要應用領域之一，太赫茲光譜及成像技術在農業(yè)領域的應用探索具有重要研究價值。鑒于此，本文對太赫茲技術及其產生與探測原理、樣品制備與信息獲取方法以及農業(yè)領域的應用研究進行系統(tǒng)性地綜述，為深入探索太赫茲技術的農業(yè)應用研究提供參考。

1 太赫茲光譜技術

1.1 太赫茲光譜技術簡介

太赫茲光譜技術可追溯至上個世紀80年代，由AT&T Bell實驗室的Auston等[13]和IBM公司的Watson研究中心的Fattinger等[14]先后發(fā)展起來的，是利用飛秒超快激光來獲取太赫茲脈沖的相干探測技術。這項技術是通過太赫茲脈沖在樣品上透射或反射，直接獲取樣品的時域波形，然后通過傅里葉變換得到其相應的頻域分布波形，通過分析和計算該頻譜的相關數據，就可以得到被測樣品的光學參數（如折射率、吸收系數等）。

1.2 太赫茲脈沖的產生

產生THz脈沖最常見的兩種方法是光電導天線法和光整流法。

1.2.1 光電導天線法

在上個世紀80年代末期，Fattinger等[14-18]提出使用光電導天線產生太赫茲脈沖。目前最常用的光電導材料是輻射損傷硅—藍寶石（RD-SOS）和低溫生長砷化鎵（LT-GaAs）[19]。

光導天線輻射的太赫茲脈沖，平均功率一般在10納瓦到幾微瓦范圍內，這取決于激發(fā)光強大小與直流偏置電壓[20]。

1.2.2 光整流法

光整流是一種較為常見和容易的產生太赫茲脈沖的方法，這種方法并不需要天線的結構。它是一種非線性光學效應，是電光效應的逆過程。這種技術最早是Yang等[21]在利用皮秒量級激光脈沖在LiNbO3產生遠紅外輻射的過程中來實現的，而后Hu和Zhang等[22-23]在上個世紀90年代初提出了基于亞皮秒光整流機制產生太赫茲脈沖。目前比較常用的非線性介質有DAST、ZnTe、GaAs。

1.3 太赫茲脈沖的探測

在探測寬頻帶太赫茲脈沖方面，光電導取樣法與電光取樣法是最常用的兩種探測方法。光電導取樣其實可以被看成是光電導天線發(fā)射太赫茲脈沖的逆過程，所以在裝置方面，它與光電導天線產生太赫茲脈沖是基本相同的。電光取樣是利用電光效應來完成太赫茲探測的，可以認為是光整流效應的逆過程，是由Wu等[24]和Nahata等[25-27]提出并逐漸發(fā)展起來的。

1.4 太赫茲時域光譜系統(tǒng)原理

太赫茲時域光譜系統(tǒng)根據對不同的樣品以及測試要求可被劃分為透射式、反射式、差分式等，常見透射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)光路圖如圖1所示。鈦寶石飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光脈沖，經過分光鏡，被分為泵浦脈沖和探測脈沖。在經過光學斬波器調制之后聚焦于太赫茲發(fā)射器，發(fā)射出亞皮秒級太赫茲脈沖。所產生的太赫茲脈沖用兩個拋物面鏡來聚焦于探測器。通過一個光學延遲平移臺來改變泵浦脈沖和探測脈沖的時間延遲，太赫茲波的全部時域分布就可以被追蹤到。

圖1 太赫茲光譜產生與探測光路圖

透射式系統(tǒng)的特點在于把樣品放在太赫茲發(fā)射器和探測器之間，讓太赫茲脈沖穿透過去，獲取樣品的太赫茲時域光譜，所以這也就說明了樣品的厚度不宜過厚，經過多次試驗發(fā)現，固體樣本厚度一般在1 mm左右。

將樣品固定在二維平移臺上，放置在太赫茲發(fā)射器與探測器之間的透鏡焦點位置，樣品隨二維平移臺在水平方向和垂直方向步進制移動，通過太赫茲光譜儀就可以逐點掃描樣品的每一點，從而獲取樣品上每一點的太赫茲光譜信息，然后通過計算機編程就可以重構樣品的太赫茲圖像，實現樣品的太赫茲光譜成像測量。

2 樣品理化信息的獲取和數據處理方法

2.1 樣品制備

樣品的制備方法對后續(xù)采集樣品的光譜特征和圖像特征有很大影響。當樣品的形態(tài)不同時，制作樣品的方法有很大差別。

2.1.1 粉末樣品的制備

樣品為粉末時，一般采用壓片法[28]。由于粉末狀樣品的自我成型效果不好[29-31]，一般使用聚乙烯與樣品按一定比例混合，并在一定壓力下進行壓片，形成合適的直徑和厚度，用于實驗，并且粉末的顆粒不能過大，對大顆粒粉末需要對其研磨直到其直徑小于0.1 mm[32-34]。選擇聚乙烯的原因是聚乙烯對太赫茲吸收少，且在太赫茲波段基本透明，有利于壓片成型，方便檢測。壓片時應注意樣品的厚度和濃度要適當，且樣品要保持均勻平整，壓力不宜過大。

2.1.2 液體樣品的制備

樣品為液體時，一般將一定厚度的液體放入樣品池中，對其采集THz波譜。盧承振等[35]測量不同形態(tài)水的太赫茲光譜時，將厚度為0.5 mm的樣品放在規(guī)格為45 mm×45 mm的石英樣品池中采集光譜。李健等[36]采用雙樣品池對比法來測定溶液的太赫茲光譜。石英和聚四氟乙烯材料對于THz呈現較微弱的吸收，所以實驗研究中，樣品池一般采用石英或者聚四氟乙烯材料制作。

2.1.3 氣體樣品的制備

樣品為氣體時，為了形成參考和樣品對比測量，一般采用雙氣室結構測量。趙輝等[37]使用差分吸收檢測系統(tǒng)對劇毒揮發(fā)性1,3-二硝基苯痕量氣體采集太赫茲時域光譜，其中檢測系統(tǒng)中一組為標準空氣，一組為待測樣氣，通過對兩組數據的差分處理再結合光譜特性獲得被測樣氣的濃度，以實現對環(huán)境中二硝基苯氣體的檢測。

2.2 信息獲取

2.2.1 太赫茲光譜信息獲取

太赫茲時域光譜儀通過掃描樣品獲得時域波形，然后對其進行傅里葉變換，得到太赫茲波頻譜。獲得的頻譜信息包含了其他無關信息和噪聲等影響因素，需要對頻譜數據進行預處理，包括數據平滑，減少噪聲，提高信噪比，對其頻譜數據進行分析和處理，即可得到被測樣品介電常數、吸收系數、折射率等物理特征信息。

1）太赫茲頻域光譜

太赫茲時域光譜儀采集樣品在時間軸上的波形，如圖2所示，是運用作者農業(yè)太赫茲光譜與成像實驗室的THz儀器（Menlo Systems，TERA K15，Germany）在室溫下，連續(xù)沖入氮氣，采集到的一個典型的參考波形。時域波形需要經過傅里葉變換得到頻域曲線，進而分析樣品的頻譜結構和變化特征，如圖3所示，是參考波形經傅里葉變換后得到的頻域波形。對頻域譜進行平滑去噪等光譜預處理方式，提取頻域譜中的特征頻段下的光譜信息，然后根據樣品在不同頻段下的不同頻譜特征，對樣品進行特征分析和識別檢測，包括對樣品組分的定性分析、定量檢測、雜質含量檢測和異物鑒別等。圖4是對一個植物葉片進行太赫茲二維逐點掃描后，獲取0.8 THz單頻下的成像圖，后續(xù)可運用圖像處理技術進行葉脈等信息的有效提取。

圖2 參考時域譜

圖3 參考頻域譜

圖4 0.8 THz下的植物葉片太赫茲成像

2）太赫茲吸收系數譜

為進一步研究樣品在太赫茲波段的光譜吸收特征，可根據樣品的頻域強度，計算出樣品在特定頻域范圍內的吸收系數，從而獲得樣品在單位厚度下的吸光度。極性分子、生物大分子等物質在太赫茲波段具有不同的光譜特征吸收指紋特性，根據被測樣品的特征吸收峰可以有效的判別被測樣品的組分。如圖5所示，為作者在運用實驗室條件測量的葡萄糖分子在太赫茲波段的吸收系數譜，可以看到，葡萄糖分子在太赫茲波段具有明顯的吸收峰。

圖5 葡萄糖固體粉末的吸收系數曲線

2.2.2 太赫茲成像信息獲取

太赫茲成像系統(tǒng)相比于太赫茲時域光譜系統(tǒng)，增加了圖像處理裝置和掃描控制裝置，通過提取太赫茲的反射或透射信息，獲得物體的三維數據信息，然后對物體的三維信息集合實現重構?，F階段，對樣品太赫茲信息重構的方法主要有飛行時間成像，時域最大值、最小值、峰值成像，特定頻率振幅成像，功率譜成像和脈寬成像等。提取樣品在某一點特定頻率、時域最大值、最小值等特征數據進行三維圖像重構。太赫茲成像系統(tǒng)包括太赫茲逐點掃描成像系統(tǒng)、太赫茲實時焦平面成像系統(tǒng)、太赫茲波計算機輔助層析成像系統(tǒng)、連續(xù)波成像系統(tǒng)、近場成像系統(tǒng)等[38-39]。通過成像系統(tǒng)得到的圖像數據需要經過處理，逯美紅等[40]利用空間圖樣成份分析方法對采集到的玉米種子的太赫茲像進行處理，區(qū)分識別了不同樣品的太赫茲圖像。

2.2.3 太赫茲數據優(yōu)化

由于受設備本身性能、樣品制備參數及測試環(huán)境等方面的影響，實驗采集的樣品太赫茲光譜數據信息往往存在分辨率低、噪聲高抖動漂移等問題，需要對太赫茲光譜數據信息進行優(yōu)化以提高數據的信噪比和可靠性。馬帥等[41]利用S-G濾波器對太赫茲光譜測試過程中產生噪聲等問題進行濾波處理，降低數據噪聲；對于光譜數據點不同的問題，選取相同頻段的光譜數據，采用三次樣條插值的方法得到相同數據點數。涂閃等[42]采集到棉花種子的太赫茲光譜數據點數較少，為了使FFT變換后曲線更光滑，先對原始數據進行了補零處理。徐利民等[43]運用空域濾波、高斯平滑、頻域濾波和邊緣檢測等圖像降噪和圖像增強技術對太赫茲圖像進行處理，有效克服了成像系統(tǒng)的噪聲、激光功率抖動等影響。雷萌等[44]利用一種局部信息模糊聚類的圖像算法對太赫茲成像進行圖像分割，充分利用局部空間信息和局部灰度信息，可以較好的描述模糊性，從而克服太赫茲圖像邊緣模糊、隨機噪聲、條紋噪聲等干擾，得到了輪廓完整、精度較高的樣品太赫茲圖像。

3 太赫茲技術在農業(yè)領域研究進展

3.1 生物大分子檢測方面應用研究

太赫茲輻射是一種新型的遠紅外相干輻射源，近年來，結合THz光譜的獨特性能，運用THz設備對蛋白質、糖類、DNA等生物大分子檢測的探索研究得到了廣泛的應用，特別是在生物分子的結構和動力學特性等方面存在較大的應用潛力。蛋白質屬于大分子物質，主要單位是氨基酸，對氨基酸分子進行THz光譜測定，主要方法是采用氨基酸粉末與聚乙烯混合壓片后進行THz光譜測量，得到氨基酸分子的指紋譜庫[45]。太赫茲技術在糖類的檢測中也得到廣泛的應用研究，馬曉菁等[46]通過太赫茲技術獲取D-葡萄糖、D-核糖、乳糖等的光譜特性，不同的糖在太赫茲測量波段的吸收存在明顯差異，D-(-)-核糖在0.74和1.1 THz，D-葡萄糖在1.44 THz，-乳糖一水合物在0.53和1.38 THz處分別存在特征吸收峰，-乳糖在1.21和1.38 THz處存在兩處特征吸收峰。孫怡雯等[47]利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測量了不同血凝素蛋白及其與特異性抗體、無關抗體對照組反應的透射光譜，并利用主成分分析方法計算血凝素與光譜數據相關性為?0.896 5。Arikawa等[48]利用太赫茲光譜技術測量了不同二糖分子的水合狀態(tài)，研究表明太赫茲光譜技術能測量水合作用隨時間的變化過程，液體中水分子狀態(tài)的改變和溶液中的很多物理現象有關，可以詳細描述溶液中多種物理化學變化。李斌等[49]利用太赫茲技術對D-葡萄糖進行定性定量分析，D-葡萄糖在太赫茲頻域段具有明顯的特征吸收峰，根據多元線性回歸方法建立D-葡萄糖含量的預測模型，預測相關系數為0.992 7。

3.2 農產品質量檢測方面應用研究

在農產品質量與安全領域，學者們也開展了太赫茲光譜技術的應用研究。核桃是一種高營養(yǎng)價值的食品，對于蟲蛀，霉變的核桃，營養(yǎng)成分發(fā)生了較大變化，戚淑葉等[50]利用太赫茲光譜技術檢測核桃的霉變變質情況，通過對蟲蛀、霉變、正常核桃殼、仁標樣采集太赫茲時域譜圖，從化學指標分析得出蟲蛀或霉變的核桃殼仁與正常核桃殼仁的太赫茲波譜存在差異，為今后剔除變質核桃、實現無損分級提供依據；沈曉晨等[51]利用太赫茲光譜技術鑒別轉基因與非轉基因棉花種子，轉基因與非轉基因對太赫茲光譜有不同的響應，能用來有效鑒別轉基因與非轉基因棉種；葛宏義等[52]通過對霉變、蟲蛀、發(fā)芽及正常小麥采集太赫茲時域光譜，再利用傅里葉變換及計算獲得THz吸收系數和折射率，通過吸收系數和折射率，以及特征譜的不同進行判別分析，為儲糧品質檢測和分析提供新的方法。廉飛宇等[53]利用太赫茲光譜測量大豆油及熟大豆油在0～3.0 THz波段范圍內的時域光譜，并對其折射率和吸收系數進行分析，它們的折射率和吸收系數都有明顯差異，熟油的平均折射率為1.7，植物油的平均折射率為1.6，熟油的吸收特性曲線變化明顯，且存在明顯的特征峰，植物油的吸收特性曲線變化平穩(wěn)，無明顯特征峰，該研究成果可以快速準確的區(qū)分植物油和熟油；Jansen等[4]利用太赫茲圖像信息檢測巧克力中的摻雜物，通過掃描巧克力，可以清楚的看到在巧克力中的玻璃碎片，通過太赫茲光譜技術能區(qū)分巧克力中的摻雜物，例如堅果等其他成分；Redo-Sanchez等[54]利用太赫茲光譜檢測食品中抗生素的殘留，11種抗生素中有8種抗生素有指紋光譜，有兩種抗生素和動物飼料，雞蛋粉，奶粉混合后能被檢測出來，說明太赫茲光譜在檢測食品中抗生素殘留方面有一定潛力。

水在太赫茲波段有強烈的吸收峰，盧承振等利用太赫茲光譜對不同水進行鑒別，采集去離子水、農夫山泉、康師傅、屈臣氏、自來水的太赫茲時域光譜圖，進行頻域變換、數值分析，對比分析吸收系數和折射率的變化，得出去離子水最純凈，自來水雜質較多，并且通過曲線特征區(qū)分了不同的水質。李向軍等[55]研究反射式時域光譜的水太赫茲光學參數誤差，得出多次測量引入的隨機誤差在0.1～1.1 THz范圍內基本不變，而接近0.1和1.1 THz處引入的隨機誤差變大，誤差主要是由于THz-TDS儀器的測量靈敏度下降及高阻Si片厚度和Si折射率引起的。劉歡等[56]利用THz光譜對水分的敏感性測量餅干中的水分，對測得的折射率和吸收譜與餅干中水分含量建立線性關系及模型，研究表明利用太赫茲技術測量餅干中水分具有一定可行性。

太赫茲對單一物質檢測靈敏，當物質中混合了雜質，混合物的太赫茲光譜圖會發(fā)生明顯的變化，Haddad等[57]分別檢測了乳糖、果糖、檸檬酸以及三者混合物的太赫茲光譜圖，分別檢測3種純物質時，三者的太赫茲吸收峰明顯，乳糖有4個吸收峰，分別是0.53、1.19、1.37和1.81 THz，果糖有3個吸收峰，分別是1.3、1.73和2.13 THz，檸檬酸有3個吸收峰，分別是1.29、1.7和2.4 THz，三者混合物的吸收峰發(fā)生了變化，并不僅僅是三者吸收峰的單獨疊加，利用這一特征，可以檢測出純凈的樣品中是否含有摻雜物。

3.3 土壤大氣檢測方面的應用研究

農田環(huán)境（土壤、大氣）中的重金屬、水分、有機物等物質含量與我們的生活密切相關，太赫茲技術在檢測土壤大氣質量方面也有了較多研究發(fā)展。夏佳欣等[58]利用太赫茲光譜技術測量土壤的含水量，在土壤含水量為0～10%范圍內，樣品對太赫茲吸收較少，信噪比較高，光譜測量結果與稱重法測量結果相比誤差小于1%，整體測量誤差范圍小于3%，相比于中子法和TDR法，由于太赫茲波相對于高頻電磁波對水更敏感，波長更短，太赫茲測量精度更高；李斌等[2]利用太赫茲光譜技術檢測土壤中重金屬含量，配制了含鉛、鉻、鋅、鎳4種重金屬的土壤樣品，采集樣品的太赫茲光譜曲線，對光譜曲線進行平滑，標準化等預處理過程，利用偏最小二乘法和遺傳算法分別對樣品進行建模，研究表明太赫茲光譜技術在預測土壤中重金屬含量方面具有一定的可行性；趙春喜[59]對土壤中的有機污染物滴滴涕、七氯、吡蟲啉等進行太赫茲光譜檢測，含有機污染物樣品泥土與聚乙烯混合后3種樣品在0.2～1.8 THz范圍內都有明顯的吸收峰，太赫茲光譜可以用來檢測土壤中有機污染物；Dworak等[60]利用太赫茲光譜技術可以對不同的土壤樣品進行區(qū)分，測量了土壤中的水分、有機物、磁懸浮顆粒在不同太赫茲頻段下的反射強度，同時利用圖像的方法分析了藏在土壤中的3種物質，太赫茲圖像技術可以清楚的對這3種物質的形態(tài)、位置和大小進行成像。

胡穎等[61]采集了大氣中一氧化碳的太赫茲光譜圖，結果發(fā)現，一氧化碳在0.2～2.5 THz范圍內呈現多個吸收峰，在1.5 THz附近處的吸收峰最強，利用太赫茲光譜儀測得的吸收峰位置與12C16O的理論模擬結果一致，進一步證明一氧化碳的組成是12C16O。

3.4 植物生理檢測方面的應用研究

水分含量是植物體的一項重要生理指標，準確檢測出植物各個生長階段的水分含量，對于合理指導灌溉，提高灌溉效率具有重要意義。太赫茲技術對水分敏感，其懼水特性在農業(yè)應用中會很有幫助：可利用這一特性進行農作物的含水量檢測研究。Castro-Camus等[62]研究了擬南芥葉片中的水分動態(tài)變化，通過太赫茲光譜測量葉片中的水分含量，發(fā)現葉片中水分含量與光照、水分灌溉、脫落酸治療有密切關系，在不同含水量的基質中生長，當停止水分供給以后，葉片中水分流失速度不一樣，在光照和黑暗條件下，葉片中水分含量不一樣，當噴灑脫落酸以后，由于氣孔變化導致葉片中水分含量變化；Santesteban等[63]利用太赫茲技術測量葡萄藤中水分含量，通過3組不同的實驗檢測葡萄藤中的水分含量，當灌溉條件不同時，葡萄藤的水分含量變化很明顯，改變光照條件時，葡萄藤中水分含量隨之變化，為驗證太赫茲反射信號強度在一定程度上和光合作用以及植物韌皮部運輸養(yǎng)分有關，截斷葡萄藤的篩管，太赫茲反射強度隨之發(fā)生較大變化；J?rdens等[64]研究了一種電磁模型在太赫茲波段測量葉片的電導率，利用該模型可以準確的測量咖啡葉片中的水含量，若能確定其他固體植物材料參數，該模型也能適用于其他植物葉片的水分含量檢測中；Breitenstein等[65]將太赫茲技術應用于葉片水分檢測中，驗證了太赫茲技術檢測葉片水分含量的可行性，測量咖啡葉片在脫水和重新水合過程中的太赫茲光譜變化，并測量了失水時間長短的太赫茲光譜曲線，研究表明太赫茲光譜透過率與水分含量有較大的關系，當葉片水分減少時，太赫茲透射率增加。龍園等[66]利用太赫茲技術獲取離體綠蘿葉片的時域譜成像和頻域譜成像，初步探討了葉片含水量和太赫茲成像的相關關系，并比較了相關回歸模型，結果表明，時域最小值與葉片水分含量建立的模型預測效果最優(yōu)；Gente等[67]提出了一種基于透射太赫茲時域光譜數據測定葉片體積含水量的方法。通過有效介質模型參數的迭代優(yōu)化，得到了與重力法測量葉片含水量相似的結果。

植物葉綠體類囊體膜中含有葉綠素a、葉綠素b和β-胡蘿卜素等色素，這些色素的含量均會影響植物光合作用。而太赫茲光譜對這些生物分子的集體振動模變化非常敏感，在研究生物大分子構象柔性及構型變化上已得到初步運用[68]。張帥等[69]探究了葉綠素a和β-胡蘿卜素的太赫茲光譜和可見光譜以及它們在光脅迫下的變化情況。結果表明，在光脅迫下葉綠素a和β-胡蘿卜素的透射光譜和吸收光譜均在光照15 min時變化最大，說明此時的集體振動模變化最大。此外在光脅迫下，葉綠素a在可見區(qū)的吸收強度下降，表明葉綠素a分子發(fā)生了降解。蔣玲等[70]研究了馬尾松松針葉綠素和市售葉綠素a和b標準樣的太赫茲光譜。結果發(fā)現其均在2.86 THz頻段出現包絡吸收峰，然后利用密度泛函理論驗證了葉綠素a在2.86 THz頻段的包絡吸收峰是由于葉綠素分子內的卟啉環(huán)和葉綠醇的振動和轉動。由于理論計算與實驗采用的葉綠素晶體結構存在差異，使得計算的葉綠素b分子雖然在2.86 THz頻段有吸收峰，但未呈現包絡吸收特性，該研究對太赫茲光譜后續(xù)用于植物體內葉綠素等分子在線觀測與有效鑒別提供了可行手段。

4 結論與展望

4.1 結 論

太赫茲光譜是近年發(fā)展起來的一種新型光譜探測技術，世界各國研究學者都積極開展其在各個領域的應用探索研究工作，在農業(yè)領域也取得了較好研究進展。本文系統(tǒng)性地介紹了太赫茲產生與探測原理、樣品制備、時頻域數據采集與處理、時頻域數據分析與建模等方法理論體系，然后綜述太赫茲技術在農業(yè)領域研究進展，為后續(xù)研究工作提供參考。

隨著超快激光電路硬件的快速發(fā)展，太赫茲技術由于其獨特的光-電性質，在農產品品質、農田環(huán)境以及農業(yè)動植物學等農業(yè)領域已得到了較大發(fā)展，并取得了一定的研究成果，深入研究太赫茲波與待檢測物質的相互作用機理是認識和應用太赫茲技術的前提。由于太赫茲波對非極性物質具有較強的穿透性，太赫茲光譜與成像技術可實現對多種研究對象內部品質的快速檢測和動態(tài)監(jiān)測，與檢測過程復雜、檢測內部品質較為困難的傳統(tǒng)方法相比，太赫茲技術具有無損、省時省力，避免污染等優(yōu)勢。

農業(yè)生物組織一般具有含水特性，而太赫茲波對水分具有較強的敏感性，因此對檢測環(huán)境的要求很高，必須保證環(huán)境的干燥，清潔。若要實現高精度、快速無損的農業(yè)領域應用測量，還需要進行大量的研究工作。

4.2 展 望

太赫茲處于電磁波譜中的特殊波段位置，具有獨特的光譜性質，對于不同的檢測對象具有特定的太赫茲波段光譜響應。太赫茲在光譜檢測領域是一個新興發(fā)展的技術，未來還有許多問題有待解決，比如：在制備樣品過程中，如何確定最優(yōu)制備參數，確保樣品制備的一致性；在檢測樣品過程中，水分對太赫茲光譜具有強烈的吸收作用，影響太赫茲光譜檢測精度，如何降低環(huán)境對太赫茲光譜的影響，減少光譜散射損失，提高光譜性噪比；針對農業(yè)領域的重大應用需求和難點問題，結合太赫茲光譜獨特性質，探索該技術面向農業(yè)重大應用需求和難點問題的太赫茲獨特應用解決方案，找到太赫茲技術的農業(yè)領域突破性應用等。以上這些都是太赫茲技術在實際應用中需要解決的問題。另外，當前太赫茲設備體積較大、成本高昂、且難于走出實驗室，實現移動測量，這些需要農藝學家、農業(yè)工程專家和物理學家的共同努力。

目前，太赫茲技術在從造紙業(yè)的過程監(jiān)督，到對不透明塑料管材的遠程測量，再到對半導體材質內瑕疵的甄別，以及對化學氣體成分的分析等方面展現出良好的工業(yè)應用前景。太赫茲設備成本正在逐步降低，設備正在向著低成本和小型化方向發(fā)展，目前市場上已出現了小型的太赫茲設備，這都為太赫茲技術的農業(yè)領域應用提供實用可行的候選方案奠定了基礎。2016年7月，國務院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》首次將“太赫茲”寫入“發(fā)展新一代信息技術”規(guī)劃。現有的太赫茲研究應用進展和產品的商業(yè)化進程預示著太赫茲系統(tǒng)在不久的將來可能會被大規(guī)模的廣泛應用。相關文獻綜述表明太赫茲技術正朝著工業(yè)應用方向快速發(fā)展，農業(yè)和食品行業(yè)應該盡快加入到太赫茲技術應用研究的隊伍中。

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Research progress on Terahertz technology and its application in agriculture

Li Bin1,2,3,4, Long Yuan1,2,3, Liu Huan1,2,3, Zhao Chunjiang1,2,3,4※

(1.,100097,; 2.,100097,; 3.,100097,; 4.,100097,)

Terahertz (THz) radiation is an electromagnetic radiation whose frequency lies between the microwave and infrared regions of the spectrum. THz remains the least explored region mainly due to the technical difficulties involved in making efficient and compact THz sources and detectors. The lack of suitable technologies leads to the THz band being called the “THz gap”. Until 1980s, the advent of the femtosecond laser started the advancement in THz generation and detection technologies. THz equipment was then developed by researchers in different labs and commercialized by companies, such as TeraView Ltd. (Cambridge, UK), and Picometrix LLC. (Ann Arbor, MI, USA). With the superior THz equipment, researchers from different disciplines were able to study THz and explored its potential applications in different areas. THz has unique properties in detecting weak intermolecular interaction, and is sensitive to the properties of target objects on both amplitude and phase. THz spectroscopy and imaging techniques are the focuses of current research in this area. Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) has been used to evaluate the spectral properties of an object in terahertz range and is being applied in many areas, such as security, semiconductor manufacturing process, communication, and biomedicine. The coherent detection scheme together with the resulting time-domain signal of the terahertz pulse lead to the high sensitivity and excellent contrast that can be achieved in terahertz imaging, which makes terahertz imaging attractive for industrial applications, like metal contacts of a packaged integrated circuit chip, tree-ring analysis, polymer composites and flames, etc. Recently, terahertz techniques have been gradually applied to many fields, including security imaging detection, aerospace, and explosives molecular detection. Experts in field of agricultural research have also actively participated in the application of terahertz technology and have made great progresses. In current paper, the generation and detection methods, sample-making methods, data acquisition and analysis methods of THz spectroscopy and imaging were first systematically summarized and presented. Since there are many factors in agriculture area may influence the THz data acquisition, such as air moisture, samples’ thickness, diameter of samples’ powder, crop’s vulnerability and so on, experimental parameters’ determination methods and some testing cases were introduced and demonstrated, which provided a reference for other THz research groups. Afterwards, the research and applications progress of terahertz spectroscopy and imaging technology in agricultural area were carefully reviewed, including agricultural bio-molecular material detection, quality and safety detection of agricultural products, physiology inspection of crops and pollutions detection in agricultural environment, which revealed its great potential and application prospects of terahertz technology in agriculture. The presented explorative studies in agricultural area showed that THz is a promising technology and will definitely play a critical role in many active research areas of agriculture, such as food quality control, crop inspection, and pollutions detection in agricultural environment. However, there are still some problems deserve more attentions in future, such as, what is the ‘killer application’ of THz in agriculture, how to make the equipment smaller, cheaper, and portable for on-the-spot measurements, etc. which indicated the research directions of THz technology.

agriculture; spectrum analysis; monitoring; THz technology; research progress

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001

O657.3

A

1002-6819(2018)-02-0001-09

2017-06-20

2017-12-07

北京市自然科學基金“太赫茲光譜用于檢測土壤中重金屬鉛含量的微觀機理研究”；北京市農林科學院創(chuàng)新能力建設專項(KJCX20180119)；北京市農林科學院國際合作基金（GJHZ2017-7）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0702002）

李 斌，副研究員，博士，主要從事太赫茲光譜理論及應用基礎研究。Email：lib@nercita.org.cn

趙春江，博士，研究員，博士生導師，主要從事信息技術與精準農業(yè)技術體系研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn

李 斌，龍 園，劉 歡，趙春江. 太赫茲技術及其在農業(yè)領域的應用研究進展[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(2)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org

Li Bin, Long Yuan, Liu Huan, Zhao Chunjiang. Research progress on Terahertz technology and its application in agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org