太赫茲技術(shù)在航天遙感中的應用發(fā)展

+ 王曉海（ 空間電子信息技術(shù)研究院 空間微波技術(shù)重點實驗室 ）

1 前言

太赫茲技術(shù)綜合了電子學和光子學的特色，是一個具有典型的交叉學科背景的前沿科技領(lǐng)域。太赫茲技術(shù)的研究始于20世紀80年代末，近年來越來越受到各國的重視。美國早在2004年就將太赫茲技術(shù)評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，日本也于2005年元月將太赫茲技術(shù)升為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標”的首要位置。隨后，中國、澳大利亞和歐洲很多國家的研究機構(gòu)、科研院所都紛紛投入到太赫茲的研究熱潮之中。

近三十年來，隨著光電子技術(shù)和半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員現(xiàn)已能夠提供穩(wěn)定的太赫茲輻射源和可靠的探測手段。從20世紀80年代中期開始，基于太赫茲波的外差探測方式不斷發(fā)展，不僅實現(xiàn)了空間高分辨率太赫茲探測，而且還逐步在天文觀測和對地觀測中得到了成功應用，這標志著太赫茲探測技術(shù)已經(jīng)日益成熟。

2 航天遙感

遙感的作用是通過非接觸的方式獲得遠距離客觀世界（實體，即目標、區(qū)域和現(xiàn)象）的有關(guān)信息。遙感的基礎(chǔ)是：電磁波與實體相互作用，使其載有實體的信息；獲取載有實體信息的電磁波并進行處理，得到含有實體信息的遙感數(shù)據(jù)：通過遙感信息模型反演出實體所包含的信息。遙感的過程包括正演過程（即遙感數(shù)據(jù)的獲取、測量和處理過程)和反演過程（即遙感數(shù)據(jù)解譯過程，主要是應用遙感信息模型分析遙感數(shù)據(jù)，從而獲得信息的過程）。

航天遙感是指利用裝載在航天器上的遙感器收集目標輻射或反射的電磁波，獲取并判認太空、大氣、陸地或海洋環(huán)境信息的技術(shù)。航天遙感是門綜合技術(shù)，包括研究各種目標的電磁波波譜特性，研制各種遙感系統(tǒng)，研究遙感信息記錄、傳輸、接收、處理方法以及分析、解譯和應用技術(shù)。

航天遙感的任務(wù)概括起來包括對地觀測、地外探測兩部分。對地觀測是航天遙感的主要任務(wù)，它是指對地球的觀測，包括對地球大氣圈、水圈、巖石圈和生態(tài)圈的觀測，也可以概括為對大氣、水域和陸地的觀測及軍事應用等。地外探測也可進一步細分為天文觀測和深空探測。天文觀測是通過天文衛(wèi)星實現(xiàn)的，天文衛(wèi)星在距離地面數(shù)百千米或更高的軌道上觀測，不受地球大氣的影響，可以更靈敏接收到宇宙天體輻射出來的各種波段，包括可見光、紅外、紫外、X射線、γ射線等電磁波，實現(xiàn)對宇宙天體和其他空間物質(zhì)的觀測。深空探測是通過深空探測器實現(xiàn)的，深空探測器是飛經(jīng)、環(huán)繞、硬著陸或軟著陸在天體（指月球和月球以外的天體）上，并利用遙感手段對天體進行觀測。

3 太赫茲技術(shù)在航天遙感中的應用發(fā)展

根據(jù)上述分析可知，航天遙感任務(wù)主要被分為兩大類別，因此下面也相對應分別從對地觀測、地外探測兩個方面簡要闡述太赫茲技術(shù)在航天遙感中應用研究進展。

3.1太赫茲技術(shù)在航天對地觀測中的應用發(fā)展

在0.1～1THz頻段內(nèi)，大氣中的主要吸收氣體是水汽（H2O）和氧氣（O2）。通過對氧氣吸收譜線進行測量，可反演出大氣溫度的垂直分布廓線；通過對水汽吸收譜線進行測量，可反演出大氣濕度的垂直分布廓線。另外，利用太赫茲波段中許多分子具有特征吸收線的特點，可以探測大氣成分或相態(tài)，比如水汽、冰云、臭氧等，并借此給出與對流層和平流層中上升氣流運動有關(guān)的信息，從而實現(xiàn)降水分布監(jiān)測。由于太赫茲能夠穿透煙霧，所以可用于檢測大氣中水分、氧氣、氮化物、氯化物等氣體的含量及分布情況，以監(jiān)測氣候的“溫室”效應。

1991年，美國發(fā)射了“上層大氣觀測衛(wèi)星”（Upper Atmosphere Research Satellite，UARS）。該衛(wèi)星是世界上首顆用于研究地球高層大氣物理和化學過程的衛(wèi)星。UARS上搭載了微波臨邊探測器（Microwave Limb Sounder，MLS），該探測器3個輻射計的觀察波段中心頻率分別為63GHz、183GHz和205GHz。探測器采用外差高分辨率太赫茲譜線測量方式，第一次測量了同溫層中的臭氧、水汽、氧化氯等分子含量隨大氣壓力變化的輪廓。

2004年，美國發(fā)射了“氣味”（Aura）衛(wèi)星，用于觀測同溫層和對流層。Aura衛(wèi)星的重要功能之一就是了解局部地區(qū)的空氣污染將如何影響全球大氣，同時探明全球大氣化學成分及氣候變化如何影響局地空氣質(zhì)量的。世界上第一個太赫茲頻段內(nèi)的空基超外差觀測就是由Aura衛(wèi)星上的微波臨邊探測器（MLS）設(shè)備完成的。

Aura衛(wèi)星是對地觀測系統(tǒng)（Earth Observing System，EOS）最重要的組成部分，它攜帶的MLS探測器主要用于測量地球大氣臨邊的微波熱輻射，通過臨邊掃描來觀測從平流層到對流層頂?shù)?18GHz、119GHz、240GHz、640GHz 和2.5THz光譜范圍的微波散射。

2009年，日本將載有超導亞毫米波臨邊輻射探測儀（Superconducting Sub-millimeter-Wave Limb-Emission Sounder，SMILES）的日本實驗艙（Japanese Experiment Module，JEM）發(fā)射至國際空間站。該任務(wù)通過兩級斯特林制冷機以及節(jié)流制冷技術(shù)，將超導混頻探測器（Superconductor Insulator Superconductor，SIS）冷卻到4K，以獲得平流層軌道氣體的全球分布信息。

3.2太赫茲技術(shù)在航天地外探測中的應用發(fā)展

在類星體的宇宙塵埃、彗星和行星中存在大量氧氣、水和一氧化碳分子，這些元素都具有豐富的太赫茲波段指紋信息。由于星際間稀薄的氣體對太赫茲衰減很弱，從遙遠星體上發(fā)射出來的太赫茲波就容易被探測到。

1983年，美國發(fā)射了“紅外天文衛(wèi)星”（Infrared Astronomical Satellite，IRAS），這是世界上第一顆紅外天文衛(wèi)星，它的觀測頻率為2.5THz～37.5THz。

1989年，美國發(fā)射了“宇宙背景探測者”（Cosmic Background Explorer，COBE）衛(wèi)星，觀測頻率為30GHz～3THz。COBE衛(wèi)星不僅為人類確立了大爆炸理論的模型，也是人類在宇宙學道路中的里程碑。

1995年，歐空局發(fā)射的“紅外空間觀測站”（Infrared Space Observatory，ISO）攜帶了2300L超流體液氦，用于超低溫冷卻（1.8K）摻鎵的鍺光電導探測器，探測頻率為1.25THz～150THz，測定了氫分子的同位素比例。

1998年，美國發(fā)射了“亞毫米波天文衛(wèi)星”（Sub-millimeter 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)及星際化學物質(zhì)的小型衛(wèi)星，主要用途是探測宇宙星云間的氧分子、水分子、碳原子及一氧化碳分子發(fā)出的波長為487～556GHz的輻射。

2001年歐洲的瑞典、法國、芬蘭等發(fā)射了Odin太赫茲波段衛(wèi)星，用于天文及高層大氣研究。觀測頻率范圍為118.25GHz～119.25GHz，486.1GHz～503.9GHz及541.0GHz～580.4GHz，可以監(jiān)測氯化物和臭氧層信息。

2003年，美國發(fā)射了“斯必澤太空望遠鏡”（Spitzer Space Telescope，SST）。該望遠鏡是大型軌道天文臺計劃的最后一臺望遠鏡。SST觀測頻率為2.14～60THz，用以替代先前的IRAS衛(wèi)星。儀器主要包括4信道紅外陣列相機，它在3.6μm、4.5μm、5.8μm和8μm成像；成像光度計具有3個探測器陣列，在24μm、70μm和160μm成像，并且其中1個陣列也將在50～100μm獲得低分辨率光譜；光譜攝像儀中紅外波長范圍（5～40μm）提供高低分辨率光譜觀測。

2004年，歐空局的Rosetta深空探測衛(wèi)星攜帶的多種科學探測載荷中包括1臺562 GHz的頻譜探測器，它飛往彗星Comet67P并穿越其彗尾，研究彗星揮發(fā)物質(zhì)，包括水汽、一氧化碳、氨、甲醇的含量，并通過特征譜線的多普勒頻移，定量分析揮發(fā)物質(zhì)從彗核逸散的速度。

2006年，日本發(fā)射了第一顆紅外天文衛(wèi)星（AKARI），主要任務(wù)是探測銀河系的演變，尋找褐矮星，搜索太陽系外行星系和發(fā)現(xiàn)新彗星。衛(wèi)星上安裝有1臺望遠鏡和2臺焦平面儀器。遠紅外測量儀（Far-Infrared Surveyor，F(xiàn)IS）和紅外相機（Infra-Red Camera，IRC）。FIS在遠紅外四個波段（50～180μm）成像觀測，進行遠紅外巡天，而IRC則用于近中紅外三個波段（2～261μm）的成像觀測。

2009年，美國發(fā)射了“寬視場紅外巡天探測器”（Wide-field Infrared Survey Explorer，WISE）天文觀測衛(wèi)星。WISE是NASA的空間紅外線望遠鏡，其首要任務(wù)是尋找來自小行星、恒星和星系的天體熱源。四個紅外探測成像頻段分別為3.4μm、4.6μm、12μm和22μm，通過這些影像，可以增進人們對小行星、棕矮星和主要發(fā)射紅外線的星系的認識。

2009年，歐空局將世界最大的太空天文臺“赫歇爾”（Herschel）成功發(fā)射上天，主要任務(wù)為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)系等。Herschel是第一個在亞毫米波長范圍內(nèi)進行光度學、測繪和光譜學研究的空間天文臺。搭載有3個先進的THz探測設(shè)備，包括光譜儀PACS（工作譜段：200～670μm）和光譜光度成像計SPIRE（工作譜段：57～210μm）兩個紅外波段的輻射熱計，以及遠紅外外差接收裝置HIFI（工作譜段：157-670μm）。HIFI為高分辨率外差分光計，結(jié)合使用SIS探測器（480GHz～1.25THz）與HEB（1.4THz～1.9THz和2.4THZ～2.7THz）進行混頻。

Plank衛(wèi)星是與Herschel太空望遠鏡一同發(fā)射的。作為歐空局“宇宙愿景2020”計劃的一部分，Plank任務(wù)的主要目的是探測宇宙背景輻射包括兩臺儀器：①低頻儀器（Low Frequency Instrument，LFI），采用基于高電子遷移二極管的射頻接收器件，頻率覆蓋范圍為30～70GHz，工作溫度為20K；②高頻儀器（High Frequency Instrument，HFI），采用測輻射熱計探測器陣列，頻率覆蓋范圍為100～857GHz，工作溫度為0.1K。

Herschel和Plank是太赫茲技術(shù)在空間天文觀測中最典型的應用實例。

2016年2月23日，美國的“同溫層紅外天文觀測臺”（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）再次啟動，這是該任務(wù)的第四次飛行。SOFIA可提供可見光、紅外線及亞毫米光譜范圍內(nèi)的觀測與成像，主要應用于研究各種天體，包括行星、太陽系中的彗星等。

4 結(jié)語

綜上所述，太赫茲技術(shù)已在對地觀測和地外探測領(lǐng)域有了一定應用和發(fā)展，并且多年以來已經(jīng)取得一些寶貴經(jīng)驗，展望未來，隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，其在航天遙感，特別是地外探測中的應用必將進一步得到拓展提高及廣泛應用。

現(xiàn)有的深空探測載荷包括各頻段的頻譜探測器，并已拓展到了太赫茲頻段。為了獲得更加豐富的物質(zhì)信息，未來可以開發(fā)太赫茲頻段質(zhì)譜儀，其功能與現(xiàn)有的太赫茲時域頻譜系統(tǒng)（THz-TDS）類似，可以同時獲得很寬頻帶內(nèi)的信息。

高分辨率太赫茲雷達成像及識別、目標分析與探測、頻譜監(jiān)視以及高速大容量太赫茲通信等系統(tǒng)將是未來空間應用的重要發(fā)展方向。隨著設(shè)備和技術(shù)的不斷進步，太赫茲光譜分辨率將不斷提高，可探測距離將不斷加大，太赫茲空間探測技術(shù)會有更廣闊的應用前景。

[1] 余小游、李仁發(fā)、余方、諶曉明、李斌. 太赫茲技術(shù)及其在深空探測中的應用[C]. 中國宇航學會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第五屆年會論文集, 2008. 217-220

[2] 戴寧、葛進、胡淑紅、張雷. 太赫茲探測技術(shù)在遙感應用中的研究進展[J]. 中國電子科學研究院學報, 2009, 4(3): 232-236

[3] 魏華. 太赫茲探測技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 紅外技術(shù), 2010, 32(4): 231-234

[4] 林栩凌、阮寧娟、周峰. 太赫茲技術(shù)空間應用研究探討[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(1):75-80

[5] 宋淑芳. 太赫茲波探測技術(shù)的研究進展”[J].激光與紅外, 2012, 42(12): 1367-1371

[6] 崔萬照、李韻、史平彥、王曉海、王瑞、王新波、張娜、胡天存等譯.太赫茲科學與技術(shù)原理[M].北京,國防工業(yè)出版社,2012年

[7] 姚建銓、鐘凱、徐德剛. 太赫茲空間應用研究與展望[J]. 空間電子技術(shù), 2013, (2): 1-15

[8] 劉豐、朱忠博、崔萬照. 空間太赫茲信息技術(shù)展望[J]. 微波學報, 2013, 29(2): 1-6

[9] 李欣、徐輝、禹旭敏、朱正賢. 太赫茲通信技術(shù)研究進展及空間應用展望[J]. 空間電子技術(shù),2013, (4): 56-60

[10]邊明明、王世濤、雷利華、麻麗香. 太赫茲技術(shù)及空間應用國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀研究[J]. 空間電子技術(shù), 2013, (4): 80-84

[11]劉豐、朱忠博、崔萬照、劉江凡、席曉麗、鐘凱、姚建銓. 太赫茲技術(shù)在空間領(lǐng)域應用的探討[J]. 太赫茲科學與電子信息學報, 2013, 11(6):857-866

[12]劉豐、劉江凡、朱忠博、崔萬照、席曉麗.空間太赫茲亞毫米波載荷初探[J]. 空間電子技術(shù),2014, (4): 1-6

[13]胡蕾、趙睿. 太赫茲技術(shù)在空間探測領(lǐng)域的應用[C]. 第二屆全國太赫茲科學技術(shù)與應用學術(shù)交流會論文集, 2014. 465-470

[14]陸燕. 用于空間領(lǐng)域的太赫茲技術(shù)研究概況[J]. 紅外, 2015, 36(1): 1-11

[15]王曉海. 太赫茲雷達技術(shù)空間應用與研究進展[J]. 空間電子技術(shù), 2015, (1): 7-10