太赫兹技术在航天遥感中的应用发展

2018-03-03王晓海空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室

卫星与网络 2018年3期

+ 王晓海（空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室）

1 前言

太赫兹技术综合了电子学和光子学的特色，是一个具有典型的交叉学科背景的前沿科技领域。太赫兹技术的研究始于20世纪80年代末，近年来越来越受到各国的重视。美国早在2004年就将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本也于2005年元月将太赫兹技术升为“国家支柱十大重点战略目标”的首要位置。随后，中国、澳大利亚和欧洲很多国家的研究机构、科研院所都纷纷投入到太赫兹的研究热潮之中。

近三十年来，随着光电子技术和半导体技术的不断发展，研究人员现已能够提供稳定的太赫兹辐射源和可靠的探测手段。从20世纪80年代中期开始，基于太赫兹波的外差探测方式不断发展，不仅实现了空间高分辨率太赫兹探测，而且还逐步在天文观测和对地观测中得到了成功应用，这标志着太赫兹探测技术已经日益成熟。

2 航天遥感

遥感的作用是通过非接触的方式获得远距离客观世界（实体，即目标、区域和现象）的有关信息。遥感的基础是：电磁波与实体相互作用，使其载有实体的信息；获取载有实体信息的电磁波并进行处理，得到含有实体信息的遥感数据：通过遥感信息模型反演出实体所包含的信息。遥感的过程包括正演过程（即遥感数据的获取、测量和处理过程)和反演过程（即遥感数据解译过程，主要是应用遥感信息模型分析遥感数据，从而获得信息的过程）。

航天遥感是指利用装载在航天器上的遥感器收集目标辐射或反射的电磁波，获取并判认太空、大气、陆地或海洋环境信息的技术。航天遥感是门综合技术，包括研究各种目标的电磁波波谱特性，研制各种遥感系统，研究遥感信息记录、传输、接收、处理方法以及分析、解译和应用技术。

航天遥感的任务概括起来包括对地观测、地外探测两部分。对地观测是航天遥感的主要任务，它是指对地球的观测，包括对地球大气圈、水圈、岩石圈和生态圈的观测，也可以概括为对大气、水域和陆地的观测及军事应用等。地外探测也可进一步细分为天文观测和深空探测。天文观测是通过天文卫星实现的，天文卫星在距离地面数百千米或更高的轨道上观测，不受地球大气的影响，可以更灵敏接收到宇宙天体辐射出来的各种波段，包括可见光、红外、紫外、X射线、γ射线等电磁波，实现对宇宙天体和其他空间物质的观测。深空探测是通过深空探测器实现的，深空探测器是飞经、环绕、硬着陆或软着陆在天体（指月球和月球以外的天体）上，并利用遥感手段对天体进行观测。

3 太赫兹技术在航天遥感中的应用发展

根据上述分析可知，航天遥感任务主要被分为两大类别，因此下面也相对应分别从对地观测、地外探测两个方面简要阐述太赫兹技术在航天遥感中应用研究进展。

3.1太赫兹技术在航天对地观测中的应用发展

在0.1～1THz频段内，大气中的主要吸收气体是水汽（H2O）和氧气（O2）。通过对氧气吸收谱线进行测量，可反演出大气温度的垂直分布廓线；通过对水汽吸收谱线进行测量，可反演出大气湿度的垂直分布廓线。另外，利用太赫兹波段中许多分子具有特征吸收线的特点，可以探测大气成分或相态，比如水汽、冰云、臭氧等，并借此给出与对流层和平流层中上升气流运动有关的信息，从而实现降水分布监测。由于太赫兹能够穿透烟雾，所以可用于检测大气中水分、氧气、氮化物、氯化物等气体的含量及分布情况，以监测气候的“温室”效应。

1991年，美国发射了“上层大气观测卫星”（Upper Atmosphere Research Satellite，UARS）。该卫星是世界上首颗用于研究地球高层大气物理和化学过程的卫星。UARS上搭载了微波临边探测器（Microwave Limb Sounder，MLS），该探测器3个辐射计的观察波段中心频率分别为63GHz、183GHz和205GHz。探测器采用外差高分辨率太赫兹谱线测量方式，第一次测量了同温层中的臭氧、水汽、氧化氯等分子含量随大气压力变化的轮廓。

2004年，美国发射了“气味”（Aura）卫星，用于观测同温层和对流层。Aura卫星的重要功能之一就是了解局部地区的空气污染将如何影响全球大气，同时探明全球大气化学成分及气候变化如何影响局地空气质量的。世界上第一个太赫兹频段内的空基超外差观测就是由Aura卫星上的微波临边探测器（MLS）设备完成的。

Aura卫星是对地观测系统（Earth Observing System，EOS）最重要的组成部分，它携带的MLS探测器主要用于测量地球大气临边的微波热辐射，通过临边扫描来观测从平流层到对流层顶的118GHz、119GHz、240GHz、640GHz 和2.5THz光谱范围的微波散射。

2009年，日本将载有超导亚毫米波临边辐射探测仪（Superconducting Sub-millimeter-Wave Limb-Emission Sounder，SMILES）的日本实验舱（Japanese Experiment Module，JEM）发射至国际空间站。该任务通过两级斯特林制冷机以及节流制冷技术，将超导混频探测器（Superconductor Insulator Superconductor，SIS）冷却到4K，以获得平流层轨道气体的全球分布信息。

3.2太赫兹技术在航天地外探测中的应用发展

在类星体的宇宙尘埃、彗星和行星中存在大量氧气、水和一氧化碳分子，这些元素都具有丰富的太赫兹波段指纹信息。由于星际间稀薄的气体对太赫兹衰减很弱，从遥远星体上发射出来的太赫兹波就容易被探测到。

1983年，美国发射了“红外天文卫星”（Infrared Astronomical Satellite，IRAS），这是世界上第一颗红外天文卫星，它的观测频率为2.5THz～37.5THz。

1989年，美国发射了“宇宙背景探测者”（Cosmic Background Explorer，COBE）卫星，观测频率为30GHz～3THz。COBE卫星不仅为人类确立了大爆炸理论的模型，也是人类在宇宙学道路中的里程碑。

1995年，欧空局发射的“红外空间观测站”（Infrared Space Observatory，ISO）携带了2300L超流体液氦，用于超低温冷却（1.8K）掺镓的锗光电导探测器，探测频率为1.25THz～150THz，测定了氢分子的同位素比例。

1998年，美国发射了“亚毫米波天文卫星”（Sub-millimeter Wave Astronomy Satellite，SWAS）携带了冷却到170K的肖特基混频外差接收系统。这是NASA 研究恒星结构及星际化学物质的小型卫星，主要用途是探测宇宙星云间的氧分子、水分子、碳原子及一氧化碳分子发出的波长为487～556GHz的辐射。

2001年欧洲的瑞典、法国、芬兰等发射了Odin太赫兹波段卫星，用于天文及高层大气研究。观测频率范围为118.25GHz～119.25GHz，486.1GHz～503.9GHz及541.0GHz～580.4GHz，可以监测氯化物和臭氧层信息。

2003年，美国发射了“斯必泽太空望远镜”（Spitzer Space Telescope，SST）。该望远镜是大型轨道天文台计划的最后一台望远镜。SST观测频率为2.14～60THz，用以替代先前的IRAS卫星。仪器主要包括4信道红外阵列相机，它在3.6μm、4.5μm、5.8μm和8μm成像；成像光度计具有3个探测器阵列，在24μm、70μm和160μm成像，并且其中1个阵列也将在50～100μm获得低分辨率光谱；光谱摄像仪中红外波长范围（5～40μm）提供高低分辨率光谱观测。

2004年，欧空局的Rosetta深空探测卫星携带的多种科学探测载荷中包括1台562 GHz的频谱探测器，它飞往彗星Comet67P并穿越其彗尾，研究彗星挥发物质，包括水汽、一氧化碳、氨、甲醇的含量，并通过特征谱线的多普勒频移，定量分析挥发物质从彗核逸散的速度。

2006年，日本发射了第一颗红外天文卫星（AKARI），主要任务是探测银河系的演变，寻找褐矮星，搜索太阳系外行星系和发现新彗星。卫星上安装有1台望远镜和2台焦平面仪器。远红外测量仪（Far-Infrared Surveyor，FIS）和红外相机（Infra-Red Camera，IRC）。FIS在远红外四个波段（50～180μm）成像观测，进行远红外巡天，而IRC则用于近中红外三个波段（2～261μm）的成像观测。

2009年，美国发射了“宽视场红外巡天探测器”（Wide-field Infrared Survey Explorer，WISE）天文观测卫星。WISE是NASA的空间红外线望远镜，其首要任务是寻找来自小行星、恒星和星系的天体热源。四个红外探测成像频段分别为3.4μm、4.6μm、12μm和22μm，通过这些影像，可以增进人们对小行星、棕矮星和主要发射红外线的星系的认识。

2009年，欧空局将世界最大的太空天文台“赫歇尔”（Herschel）成功发射上天，主要任务为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，以及它们与星际介质的相互联系等。Herschel是第一个在亚毫米波长范围内进行光度学、测绘和光谱学研究的空间天文台。搭载有3个先进的THz探测设备，包括光谱仪PACS（工作谱段：200～670μm）和光谱光度成像计SPIRE（工作谱段：57～210μm）两个红外波段的辐射热计，以及远红外外差接收装置HIFI（工作谱段：157-670μm）。HIFI为高分辨率外差分光计，结合使用SIS探测器（480GHz～1.25THz）与HEB（1.4THz～1.9THz和2.4THZ～2.7THz）进行混频。

Plank卫星是与Herschel太空望远镜一同发射的。作为欧空局“宇宙愿景2020”计划的一部分，Plank任务的主要目的是探测宇宙背景辐射包括两台仪器：①低频仪器（Low Frequency Instrument，LFI），采用基于高电子迁移二极管的射频接收器件，频率覆盖范围为30～70GHz，工作温度为20K；②高频仪器（High Frequency Instrument，HFI），采用测辐射热计探测器阵列，频率覆盖范围为100～857GHz，工作温度为0.1K。

Herschel和Plank是太赫兹技术在空间天文观测中最典型的应用实例。

2016年2月23日，美国的“同温层红外天文观测台”（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy，SOFIA）再次启动，这是该任务的第四次飞行。SOFIA可提供可见光、红外线及亚毫米光谱范围内的观测与成像，主要应用于研究各种天体，包括行星、太阳系中的彗星等。