太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用
余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌
（湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙 410006）
摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。
太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。
本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。
1 引言
太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。
太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。
太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。
太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。
2 THz技术的研究现状
太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。
美国：THz技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为改变未来世界的十大技术之一，在2006年被列为美国防重点科学，目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术，包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机栽雷达。
欧洲：欧洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED 等机构，制定的研究主题有THz辐射成像（2004-2008），分子生物学研究（2004-2009），THz空间天文学（2005-2009），THz遥感（2005-2012），光子带隙材料（2004-2009），微机械探测器（2006-2015）年，标志性成果是研制出THz远距离检测系统（2006年重大项目）。
日本：日本政府在2005年1月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。
除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资10亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。
日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出1.5公里THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。
中国：中国科学院物理所建立了国内第一台THz光谱测量系统【2】，并对GaAs中载流子的超快弛豫过程以及GaAs／Au界面电场的快速变化过程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天
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津大学激光与光电子研究所在周期极化LiNbO3(PPLN)方面已经进行了大量的研究工作；西安理工大学超快光电技术研究中心在用超短激光脉冲触发光电导开关产生THz射线方面也有一定的突破。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所的曹俊诚等在包括THz物理、器件及其应用方面取得了一系列的研究成果。
中国科学院上海应用物理所和首都师范大学在利用THz时域光谱技术研究材料光谱特性方面也取得一定的研究进展。
3 THz技术的主要特点[2]
太赫兹技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为该波段电磁波的重要性，物质的THz光谱(发射谱、透射谱和反射谱)包含有非常丰富的物理和化学信息，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次，THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：
(1) 瞬态性。
THz脉冲的典型脉宽在皮秒（ps）量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。
目前，其辐射强度测量的信噪比可以大于1Om，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且稳定性更好；
(2) 宽带性。
THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从GHz到几10 THz的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性质；
(3) 相干性。
由相干电流驱动的偶极子振荡产生或由相干的光脉冲通过非线性光学差频产生的THz波具有的时间、空间相干性，THz波的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，无需使用Kramers-Krong色散关系就可以提供介电常数的实部和虚部信息。
因此，能够精确获得样品折射率和吸收系数；
(4) 低能性。
THz光子有较低的能量(4 meV@ 1 THz，比X射线的光子弱近百倍)，不会在生物组织中：引起光损伤及光致电离。
适合于对生物组织进行活体检查；
(5) “指纹”征性。
大多数分子均有相应的THz波段的“指纹”特征谱，特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，这是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。
分子的偶极跃迁犹如人的指纹是千差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构及性质有重要意义；
(6) 凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，THz技术将成为一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。
(7) 对黑体辐射(热背景)不敏感。
室温下，一般物体有热辐射，这一辐射大约对应6 THz。
从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有一半都在光谱中的THz部分。
4 THz技术非常适合于深空探测通信
THz波在太空通信方面具有巨大优势，THz 卫星太空成像和通信技术已成为各大国关注的重要领域【2】。
在信息技术方面，THz波收发机的原理试验已经开展，人造卫星上搭载的THz探测器已成功地绘制了地球上海洋的温度分布图，其作为宽带无线通讯的一种手段也正在研究之中。
THz频率位于红外线和高频无线电(主要用在移动电话和其它无线通信系统中)之间，由于该频率是目前手机通信频率的1 000倍左右，是很好的宽带信息载体，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。
太赫兹波特别适合于深空探测通信，这是因为：（1）在太空环境中，太赫兹波可以无损耗地传输，用很小的功率就可以实现远距离通信，而且，相对于光通信而言，太赫兹波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化和平面化；（2）太赫兹波存在着相对透明的大气窗口（350μm、450μm、620μm、735μm、870μm等波长附近）；而且，与微波通信相比，太赫兹波束较窄，波束方向性好，可实现外差式接收，可用于实现月地间的定点保密通信或大容量的多媒体无线通信传输；（3）当飞行器（导弹、宇宙飞船、卫星返回舱、月球探测采样返回器等）重返大气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离而形成等离子体，使得普通的通信遥测信号迅速衰减，造成信号中断，此时，太赫兹波是唯一有效的通信工具，其理由是：等离子体中的电子在其平衡位置上以一个特征频率fp振动，且随电子密度Ne的增加而增高，当通信系统工作频率f大于fp时，等离子体可看作是低耗介质，电磁波可穿透等离子体。
当飞行器重入大气层时，其周围浓密的等离子体的特征频率迅速增高达到光谱信号频率，普通通信系统的工作频率f将远小于此时的等离子振荡频率fp，通信信号迅速被等离子体的谐振吸收而迅速衰减，造成通
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信中断；若以太赫兹波作为通信载波，则其工作频率f始终大于等离子体的谐振频率fp，太赫兹载波信号仍然可以穿透电离层，使通信继续畅通；（4）与中、近红外线相比较，低端太赫兹波（亚毫米波段）具备很强的烟雾、云层、非金属物质穿透能力，利用太赫兹波的这一特性，可制造高分辨率、全天候的导航系统，实现浓雾中的导航和飞机着陆指挥；（5）利用亚毫米THz波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角跟踪雷达；利用强流相对论电子束，能产生千兆瓦级的亚毫米太赫兹波脉冲功率，这种超大功率的激光武器产生的波束能穿透等离子体，使进入大气层的导弹引爆或干扰其内部的电子设备使之失灵（致盲）。
5 THz技术在深空探测的应用前景
（1）应用于月球车
根据上面对THz技术的分析可见，太赫兹波非常适合于月球车通信系统，主要原因有：首先，THz波可在地球外层空间中近乎无损耗地传播，用很小的功率即可实现远距离通信通信，这是月球车与空间站、月球车与卫星之间、天体之间、卫星星际通信的重要发展方向；其次，可利用太赫兹波的大气窗口实现月球车与地球站之间的月地通信；第三，可用太赫兹波穿透等离子体的特性，实现月球车探测标本返回舱的测控通信。
此外，太赫兹波还可以扩展月球车探测功能：不同物质在太赫兹波谱区域具有不同的吸收和色散性质，很多凝聚态物质分子的振动和转动能级落在太赫兹波段，可以通过太赫兹光谱测量获得其特征光谱，用于区分材料的结构和种类等；利用此特性可实现月球车对月面物质的实时探测。
利用太赫兹波探测技术，可扩展月球车对太空的探测分析功能，如分析宇宙背景辐射中的太赫兹光谱、星系和星系际大气分子特征谱、行星和小星体的大气动力学等，大大提高探月工程的效率。
（2）增强深空探测器的遥感成像能力
THz成像是信号很重要的一类应用【3】。
目前的成像系统技术从成像方式上可以分为被动成像和主动成像两类，而主动成像又可以分为二维成像和三维层析成像．被动成像主要是以自然界物体发出的黑体辐射以及热背景的辐射作为信号．最初的成像形式是利用被动式亚毫米波传感成像，在太空探索中已经有几十年的应用历史。
这些成像系统通常是搭载在人造卫星上，或是建置在寒冷的水蒸气含量极低的南极地区。
欧洲航天局(EsA)投巨资开发在THz波段工作的被动CCD摄像机，在0.25THz和0.3THz频率上获得的THz图像可以清晰地辨识隐藏在被成像人衣服下面的物体，主动成像是由THz源照射目标，然后检测反射或透射过目标的信号；主动成像可以使THz信号的强度提高几个数量级，因而降低了对接收器的灵敏度要求。
主动成像系统可以用连续波(CW)信号源，也可以用脉冲波源照射目标．最早的THz主动成像系统使用CW气体激光器照射目标，使用热辐射探测器或焦热电摄像机成像。
由于脉冲THz成像系统较CW系统具有高得多的信噪比性能，可以进行宽带检测和宽带频谱分析，因此受到了普遍的重视。
第一个THz脉冲二维成像系统是1995年由Bell实验室的Hu和Nuss等建立的，该系统基于TDS技术，使用光可开启光导天线作为THz脉冲源和检测器。
之后，w u等利用二维电光晶体(EO)采样的k脉冲检测技术，提高了图像获取的速度。
Jiang等人利用脉冲技术进行THz 实时成像，进一步提高了信号的提取速率。
另外的研究还有用光导天线阵列检测二维空间场、利用准光学成像、动态孔径成像、近场成像、暗场成像、显微成像等技术等。
这些技术大大丰富了THz成像的研究和应用。
早在THz脉冲成像系统出现以前，CW气体激光器THz源就已经应用到军用飞机比例模型的3D成像和雷达截面(RCS)测量之中。
1997年出现了基于测量反射脉冲行进时间的反射模式THz层析成像系统，能够分辨由不同反射系数的材料层组成的目标反射系数轮廓。
2002年Wang等提出了利用菲涅尔棱镜的频率依赖特点实现层析THz成像的方法。
J．Rufin等人利用THz脉冲的时间反演成像，推导出了可以重构目标的lD、2D、3D幅度和相位像的图像重构算法。
Domey等学者由地物探测原理出发，提出了基于基尔霍夫迁移的THz反射成像技术J．McClatchey等学者提出了基于合成孔径雷达(sAR)技术的THz 3D成像概念模型，基于THz脉冲测距的小比例尺度SAR被用于1：2400的驱逐舰模型的散射成像。
3D全息成像技术可以在同质的背景介质中实现点散布的三维辨识，其潜在优点是具有可以进行实时三维成像的能力。
THz衍射层析成像(Difraction Tomography，DT)技术可以不需要多传感器就可以重构3D图像。
计算机层析成像((T-ray computed tomography，T-ray CT)技术可借助成熟的CT技术，并将其推广应用到THz成像系统中．由于T-my CT可以提取3D图像中每一个像素点处与频率有关的折射率因子，因此具有很大的潜在价值。
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深空探测器可利用这些成像技术对被探测的天体进行各种各样的成像分析，并将相应的分析数据实时地传回地面，这将大大提高深空探测器的使用效率。
（3）增强深空探测器探索未知天体的能力
天体大气中气体分子碰撞的时间尺度为皮秒量级，这使得太赫兹成为这方面研究的工具【4】。
因为碰撞是一个非微扰问题，同时分子间的相互作用强烈地依赖于未知的分子间的势能，所以这项研究十分困难。
然而，近代量子化学已经开始关注这个问题，尤其是在低温情况下。
在极低温度下（小于l0k）分子碰撞将呈现出完全不同的新特点。
在室温下因为存在许多的碰撞通道，所以碰撞截面变化极为缓慢。
然而在极低温度下，碰撞能量和转动能级的间距是可以比拟的，所以碰撞呈现出明显的量子力学特点，比如在碰撞截面附近将会发生共振。
气相动力学研究是一个“将来的愿望”，实际上太赫兹就是对许多系统进行研究的很好的途径。
因为这些过程的时间尺度依赖于压力，准连续波(脉冲宽度约毫秒量级)技术将是进行这方面研究的理想工具。
高分辨连续太赫兹辐射在物理化学、大气科学还有实验室天体物理学方面有许多重要的应用。
人类在地面或太空中已经架设了相当数量的亚微米／太赫兹望远镜，在不远的将来还有许多类似的望远镜会付诸使用。
但是许多此类系统只能提供很不全面的光谱信息，而为了理解这些得到的光谱人们还需要在实验室里进行辅助实验。
在星际空间中可能大量存在诸如碳氢化合物等大分子，也有人认为许多观察到的光谱特征是由它们产生的。
但是人们几乎无法获得这些分子或分子团簇的光谱信息，主要是它们的密度可能很低，而且是部分电离的。
已有人将高强度太赫兹辐射和纳秒级的染料激光结合起来进行研究，实验表明这一方法是获取星际空间分子团簇信息的很有价值的工具。
目前已知的宇宙中大部分行星体都是气态的，固态的类地行星极少；利用太赫兹的这些性质，可以增强深空探测器对未知星体的感知能力，有望使每次深空探测活动为人类带来意外的惊喜。
（4）用于军事侦察和战场态势感知。
美国的星球大战计划的卫星侦察工作频率就采用了太赫兹波段的亚毫米波。
利用卫星上的太赫兹雷达进行远距离成像、多光谱成像(甚至高光谱和超光谱成像)以及三维立体成像实验，为军事侦察、战场态势感知能力的发展奠定了坚实的技术基础。
6 结论
虽然THz技术是一种全新的技术，它的许多理论还不太完善【2】，许多研究还处于探索阶段，因此，该技术在应用领域中还存在一些需要解决的问题：（1）太赫兹波的产生和检测技术方面THz波产生和检测技术是THz科学技术研究中的重点和难点。
缺少高功率、低造价和便携式的室温TIE 光源是限制TIE时域光谱技术、THz诊断和成像技术以及THz雷达和通信等高新技术发展的最主要因素。
现有的波产生和检测装置结构复杂、体积较大并且价格昂贵，因此THz波产生和接受装置是有待解决的问题。
总之，高功率光源、高灵敏度的探测技术、高稳定性的系统和低价小巧的装置是THz波应用的关键[5，6，7]。
（2）理论方面，THz的理论研究还较薄弱，在研究THz技术的各种应用时，需要对其机制做更深的了解，如物质在THz波段范围内信号产生的原因比较复杂，目前，人们尚未能从理论方面对其进行严格的推导或计算，还需对其进行解释和研究。
（3）数据处理方面现有的TIE 系统设备的信息处理过程也很复杂，有待于进一步实用化。
目前THz 射线图像分析的关键在于提高分析速度，改善射线系统的性能和可用性。
用信号处理和小波变换技术从软件上着手实现降低噪声、提高分析速度是当前的一种研究趋势。
近年来，太赫兹波传播及其与物质相互作用的机理研究、太赫兹波源、太赫兹波检测、太赫兹元器件方面的进展很快，上面的种种太赫兹波应用已经存在变为现实的可能。
配合月球车探月工程，大力发展太赫兹通信、遥感成像技术，对拓展太赫兹技术在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、国防、军事、深空探测方面具有重大的现实意义。
参考文献
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