太赫兹技术空间应用进展分析与展望

2017年第2期空间电子技术SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1

太赫兹技术空间应用进展分析与展望0雷红文，王虎，杨旭，段崇棣(中国空间技术研究院西安分院，西安

710000)

摘要：太赫兹波处于l〇n~l〇13 Hz,介于微波和远红外之间，是极具研究和开发价值的新频率资源。近年来， 随着空间栽荷技术的飞速发展，太赫兹频段的空间栽荷所表现出来的高分辨率性能和轻小型化特点更是让人叹服， 由于国内外研究机构越来越重视太赫兹技术,太赫兹空间栽荷系统方面的开发和应用研究获得了极大的发展。文 中详细介绍了国内外对太赫兹技术的空间应用，并且指出了发展方向。关键词：太赫兹技术;太赫兹遥感；太赫兹通信；太赫兹雷达;应用进展中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 02-0001-07D O I：10.3969/j.issn. 1674-7135.2017.02.001

Analysis and Progress of Terahertz Techniques Applied in Space Science

LEI Hong-wen,WANG Hu,YANG Xu,DUAN Chong-di(China Academy of Space Technology( Xi ’ an)，Xi ’ an 710000,China)

Abstract ： Terahertz band shows a good research and application prospect because it is located between infrared and millimeter wave(10n 〜1013 Hz).With the development of space technology，the high resolution and miniaturization of the THz systems is amazed.The space systems of the THz technology are developed rapidly due to research institute the pay at­tention to it. The space applications and its development of Terahertz technology were presented in this paper.Key words：THz technology；THz remote sensing；THz communication；THz radar；Apply progress

〇引言太赫兹波通常是指频率位于〇. 1〜10 THz之间 的电磁波，该频段波长为3 mm~30 pm,是宏观电子 学向微观电子学过渡的波段。由于波长短，光子能 量低，该波段的器件研制对加工精度、半导体材料和 工艺有着苛刻的要求，直到加工工艺的提升和技术 的进步，太赫兹技术才迎来了逐步的发展。经过近 三十年的高速发展，该波段的理论机理研究日益完 善。各种太赫兹源和探测方式的涌现，扫除了太赫 兹技术研究的障碍，而各类系统和器件成熟化、商业 化，已把太赫兹技术推向市场应用。曾经的太赫兹 频谱“空白”，现已成为科学研究和科技创新的热点少Ji]<<—- 〇与两侧较为熟知的毫米波与红外光相似，该波 段的系统应用具有其独特性，已获得了国内外大量 研究者的关注。如太赫兹频谱区域聚集了丰富的频 谱特征，这些谱特征与基本的物理过程如分子的转 动跃迁、有机化合物的大振幅振动、固体的晶格振 动、半导体的带内跃迁和超导体的能带带隙相关，这 使得太赫兹波在气象遥感、深空探测、天文探测和频 谱分析等方面应用广泛;太赫兹波频率高，可承载带 宽大，小口径天线具有高增益，可实现数十Gbps传 输速率的轻小型化安全保密和抗干扰的通信系统终 端;而太赫兹波对大部分非金属材料和沙尘烟雾的

①收稿日期:2016-11 -30;修回日期：2017-01 -11。

基金项目：国家自然科学基金（11505135; 61501367)。作者简介:雷红文（1985—），博士,研究方向为空间微波、毫米波、太赫兹技术。2空间电子技术2017年第2期穿透能力好，支持公共场合和复杂环境下厘米量级 或更高分辨率的雷达成像[2]。太赫兹波在大气中传输损耗较大，太赫兹技术 只适合在几米至数千米范围内使用。而在空间真空 环境下，太赫兹免于严重的吸收损耗，太赫兹系统和 器件又具有轻小型化的优点，太赫兹技术将得到广 泛的应用。文中将适用于空间的太赫兹技术称为空 间太赫兹技术。目前，太赫兹技术已在天文探测、气象遥感、深 空探测、高分辨率成像和物质成分分析等方面获得 大量应用，并凸显优势，在电子、信息、生命、国防 和航天等领域蕴含着巨大的应用前景。空间太赫兹 技术以其独特的优势，将在这一技术发展浪潮的推 动下，在空间应用中获得快速的发展。

1太赫兹遥感太赫兹遥感的依据：（1 )黑体辐射原理，即一切 温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，中低温 物体的热辐射主要集中在太赫兹频段。（2)由于气 体分子的振动和转动能谱处于太赫兹频段内，开展 对地球大气太赫兹频段的被动遥感可获得丰富的辐 射信息，可用于获取大气垂直温度、湿度廓线等信 息。根据目前太赫兹遥感在空间的应用方式可分为 临边遥感、静止轨道遥感、深空探测及天文观测等。 1.1临边遥感临边遥感探测模式为卫星传感器在进行大气探 测时（是指探测器视线指向大气），以切线形式实现 对大气的分层扫描，通过改变方位角，观测当前切高 下不同方位角的大气辐射特性。临边遥感因为是分 层扫描，具有较高的垂直分辨力，可以实现对对流 层、平流层和中间层大气的分层扫描；同时辐射传输 和反演方式简单，分层获取信息更可靠[3]。太赫兹 临边探测技术是利用大气痕量气体分子谱线位于太 赫兹波波段的独特优势结合临边分层扫描特点，进 行大气环境探测[4_5]。Odin卫星是瑞典、加拿大、法国与芬兰合作研 究的极轨卫星，于2001年2月20日发射成功。星 上的 SMR(The Submillimetre Radiometer)是位于太赫兹波段的辐射计，探测目标为〇3、CIO、n2o、 hno3、h2o、co、no等大气痕量气体，所获得的大量 价值数据在研究平流层化学成分、平流层与对流层 的交换过程以及中气层化学成分中发挥了重要作用。

SMR探测频率与探测目标如表1所示，载荷性 能指标如表2所示。MLS载荷性能指标如表3所示。AURA卫星由 NASA于2004年7月15日发射成功。其携带的临 边探测载荷MLS位于705 km高度的太阳同步轨 道。MLS的主要科学任务是探测平流层的03、对流 层的〇3，污染物与环境变化[M]。

表1 SMR探测频率与探测目标 Table 1 Detect frequency and target of SMR

辐射计探测频率/GHz 探测目标A1541.0-558.0 HN03,03，H20，N0A2486.1-

503.9 03，C10,03，HN03, H20

B2547.0-

564.0 H20

2

B1563.0-

581.4 03，C0,03，H02，N20

C1118.25-119.25

气温和气压廓线

表2SMR载荷性能指标Table 2Performance of SMR

参数数值指向精度/(”）10

系统噪声温度/K600(毫米波段），3 300(亚毫米波）噪声等效温度/K2.4光谱分辨力/kHz125-1 000

波段宽度/MHz100-1 000垂直分辨力/km1.5-3.0

垂直FOV/km1.6-1.9

探测高度范围/km10-120

表3MLS载荷性能指标Table 3Performance of SMR

参数数值定标温度/K<3系统噪声温度/K1 000(亚毫米波段）

噪声等效温度/K4.2光谱分辨力/MHz6；0.15

波段宽度/MHz1 300；10；200垂直分辨力/km1.5-3.0

垂直FOV/km1.5-3.0

探测高度范围/kmTHz： 15.0-62.5； GHz ：2.5-62.5

它能探测的大气成分包括〇h、ho、h2o、o3、 HC1、C10、H0C1、BrO、HN03、NO、CO、HCN、CH3CN、 火山喷发的so2&冰云等。全球大气痕量气体及温2017年第.2.期蕾红文，等:太赫兹技术空间应用进展分析与展望3

度分布(EOS/MLS )如图1所示。图1全球大气痕量气体及温度分布（EOS/MLS )Fig.l Trace gas and temperature of the global atmosphere该MLS载荷共j受计了 5个频段129个通道。其 中特别要说明的是设计了一•个2.5 THZ的通道，它 采用了 C〇2激光器来产生太赫兹波，提供本振源，用 来探测0H。JEM/SMILES是由日本航天局研究开发的临边 探测器.，搭.载于'ISS.(International Space Station)的 JEM模块中。JEM/SMILES于2009年9月11日由 日本的H-IIB发射器发射升空。ISS的飞行轨道是 一个具有51.6°倾角的圆形轨道》且河以在高度35〇 ~400 km之间进行变轨[s]。SMILES探测频率与探 测圏标如表4所示。MASTER与SOPRANO悬欧空#(ESA)研发的代太赫兹探测器,SOPRANO只包含亚毫米波波 段,,童点探测大气中的C1化学成分，为0的监测提 供数据(表5)。MASTER包含毫米波与亚毫米波波 段，重点关注对流层与平流层低部，研究对流层与■平 流M的交换过程，并用于辐射强迫、环境反馈、低乎 流层化学成分与对流成化学成分的研究。表6为临 边探测载荷〇

表4 SMILES探测频率与探测目标 Table 4 Detect frequency and target of SMILES

探测濒率，咖探测目标

A: 624.32 〜625.5203, H37 Cl,18 000, HN03,17 000, BrO, CH3 CN

B: 625.12 〜626.32o3,h35ci,18ooo,ho2,17ooo

C: 649.12 〜650.32〇

3 , HN02 , BrO,18 000, CIO, HN03

表5 SOPRANO探测频率和探测目标Table 5 Detect frequency and target of SOPRANO

探浦频率/GHz探测目标

A：497.5~ 504.75BrO, 03, CIO, CH3 Cl, h2 0, hno3 , n2 0