文 | 国家无线电监测中心检测中心 张铣宸 陈珂 杜昊

　　摘要：目前，太赫兹无源遥感技术已广泛应用于星载载荷的对地观测和空间探测，在气象、环境、天文领域都发挥了独特作用，探测使用的主要设备是辐射计。本文整理和汇总了国外太赫兹无源遥感技术的应用和发展情况，列举了国际上的无源遥感载荷及其技术指标。随后，对我国的太赫兹无源遥感技术的发展现状进行了分析，提出了我国技术上存在的短板和问题，提出了我国太赫兹无源遥感技术的未来发展方向。

　　关键词：太赫兹技术 无源遥感 气象卫星 辐射计

　　1 概述

　　太赫兹波（Terahertz，THz）在通常情况下，规定的频率范围是0.1-10THz，与频谱划分规定中的毫米波（30-300GHz）和亚毫米波（0.3-3THz）频段有所重叠，是电子学向光子学过渡的中间频段，具有带宽宽、光子能量低、穿透性强、定向性好等特性。太赫兹无源遥感是指在一定的距离外感知物体辐射的太赫兹波能量，从而进行探测或成像。太赫兹无源遥感技术在很多应用领域具有独特的优势：一是太赫兹波能够穿透云雾、烟尘、雨雪和沙暴等，不会被大气层或者不良天气影响，因此可以实现全天时全天候观测；二是太赫兹波段包括水蒸气、氧气、二氧化碳、臭氧等特征吸收谱线，可以用来反演气体廓线，同时对氢、硫、氮等污染或有害气体敏感，在大气环保方面有独特应用；三是太赫兹波波长与典型的冰云粒子尺寸相当，利于探测冰云的物理参数，以上优势使得太赫兹无源遥感探测技术广泛应用于气象、化学、环境、天文等领域^[1]。

　　无源遥感探测主要使用的设备是微波辐射计，微波辐射计是一种非常敏感的接收器，可在物理温度大于0K 下测量物体发出的热噪声功率，通常配备有多个接收通道。星载微波辐射计的主要目标是获取地球大气或地球外物体的亮度温度数据，从亮温数据中可以反演得到被测物体以及传播介质的各项物理参数信息。

　　2 国际太赫兹无源遥感技术发展情况

　　在太赫兹无源遥感技术方面，美国、欧洲、日本等国家和地区已经取得了一系列研究成果。从探测要素角度主要包括温湿探测、冰云探测、气体成分探测和宇宙深空探测。

　　2.1 温湿探测

　　针对气象遥感中温湿廓线的探测需求，美国研制了民用NOAA 系列气象卫星。其第五代卫星NOAA-14～19于1998 年至2009 年间发射，目前正在轨运行，搭载微波探测器AMSU-A 和AMSU-B。AMSU-A 工作频率为23.8-89GHz，主要用于探测大气温度，AMSU-B 工作频率为89-183GHz，主要用于探测大气湿度和降水。

　　美国国防气象卫星系列搭载了微波辐射计SSM/T-1、SSM/T-2、SSM/I 和SSMIS，SSM/T-1 用于探测大气温度廓线，工作频率为50-60GHz。SSM/T-2 用于探测大气湿度廓线，工作频率为91-183GHz[2]，SSM/I 和SSMIS 的最高工作频率为183GHz，用于探测云层、地表和海面的亮温分布，并能够反演海冰分布、降水量、云层水汽含量等。

　　2011 年美国SNPP 火箭搭载ATMS（星载微波大气探测系统）发射成功。ATMS 共22 个通道，50-60GHz用于探测大气温度廓线，183GHz 附近增了5 个通道用于探测大气湿度场。2017 年，美国NOAA 系列基于SNPP系统，发射了联合极地卫星系统 1 号（JPSS-1）以及其他多颗小卫星，JPSS-1 入轨后更名为NOAA-20，现已投入使用[3]。其搭载的微波探测仪共有22 个微波通道，工作频段为23.8-183.3GHz，幅宽扩展为2500km。每条扫描线共有96 个扫描点，具有更高的空间分辨率和更大的覆盖范围。

　　欧洲2006 年发射的第一代极轨业务气象卫星首发星MetOp-A 最高工作频率为190GHz，最后一颗MetOp-C 星于2018 年11 月在库鲁航天中心发射升空。新一代极轨气象卫星MetOp-SG 计划于2023 年发射，其搭载的MWS 由微波湿度和温度辐射计组成，可以探测大气水汽和温度垂直分布数据。MWS 辐射计通道数为24 个，工作频率为23.8-229GHz^[4]。

　　除了上述极轨气象卫星，在静止轨道方面，美国提出了GEM 项目、欧洲提出了GOMAS 项目，探测频段均为54-425GHz。

　　2.2 冰云探测

　　针对气象遥感中冰云粒子的探测需求，美国NASA研发的CoSSIR 包括183、220、380、640 和874GHz等5 个探测频点，在2007 年完成了飞行实验。NASA 设计的冰立方（Ice Cube）于2017 年5 月成功进入太空，采取新型立方星体制，专门为小卫星设计，仅有一个874GHz 通道用来探测冰云小冰晶。欧洲下一代MetOp-SG搭载的冰云成像仪ICI 工作频率为183-664GHz，2014年ICI 太赫兹辐射计原型机进行了系列测试，664GHz 接收机噪声温度符合预期低于200K^[5]。ICI 作为第一个专门用于冰云探测的卫星载荷系统，能够有效获取全球冰云信息，包括云冰路径、属性和高度测量。此外，ESA 也针对小卫星设计了小型的太赫兹冰云探测仪，比ICI 增加了两个通道，分别为157GHz、874GHz。为避免高频天线体积过大，664GHz 以上和以下的通道将会分开搭载在不同的小卫星上。该仪器所有通道均为双极化通道，能够实现比ICI 更高的时空分辨率。

　　2.3 气体成分探测

　　针对环境遥感中痕量气体成分探测需求，2001 年瑞典等国联合发射了Odin 卫星，计划运行时间为2001 年至2019 年。其上搭载亚毫米波微波辐射计SMR，采用临边探测方式，工作频率达到580GHz，共4 个通道。美国NASA 于2004 年发射的EOS 对地观测系列的Aura 卫星上搭载了微波临边探测仪MLS，探测频率118GHz-2.5THz。日本宇宙航空研究开发机构JAXA 于2009 年发射的JEM / SMILES 登陆ISS 国际空间站，其中的超导亚毫米波临边探测仪SMILES 主要用来探测臭氧、HCl(H37Cl和 H35Cl)、ClO、HOC 和CH3CN 等大气微量气体，工作频段为624.9GHz、625.72GHz 和649.62GHz。

　　2.4 宇宙深空探测

　　针对深空天文探测需求，美国1998 年发射的SWAS卫星探测频率为487-557GHz，主要研究恒星结构及星际化学物质，确定构成恒星的星际云成分。2004 年，欧洲航天局ESA 发射Rosetta 人造飞行器（MIRO）用来探测Comet67P/Churyumov-Gerasimenko 彗尾和彗核中存在的水、一氧化碳、甲醇和氨的含量，工作频率为188GHz 和560GHz。2009 年，ESA 发射Herschel卫星携带被动制冷望远镜，在太赫兹波段和红外波段对宇宙背景进行宽频段探测^[6]。Herschel 搭载的主要载荷为高分辨率外差光谱仪（HIFI），工作频段450GHz-1.9THz。Herschel 的主要任务是探索恒星形成的过程以及宇宙的发展变化，能够帮助人类认识宇宙的变迁和星系的变化。同年，欧洲发射的PLANCK 卫星，工作频段为30-857GHz，目标是探测宇宙微波背景辐射各项异性。

　　2016 年，美国机载探测平台SOFIA 开始其第四次飞行，SOFIA 能够观测可见光、红外及亚毫米波段内的星云辐射情况。此外，美国正在研制用于探测土星和土卫六上的大气和水的亚毫米波探测仪，工作于600GHz 和1.2THz频段，计划于2022 年发射。

　　3 国内太赫兹无源遥感技术发展现状

　　我国无源遥感技术的研究历程距今已有40 余年的历史，在大气探测、深空探测方面发挥着巨大的作用。近几年的星载载荷逐渐由微波频段发展至太赫兹频段，取得了不少成果。

　　2008 年至2017 年间，中国成功发射4 颗“风云三号”系列气象卫星（FY-3A、FY-3B、FY-3C、FY-3D），卫星上成功搭载了微波湿度计、微波温度计、微波成像仪等有效载荷^[7]。其中微波湿度计最高探测频点为183.31GHz，地面分辨率15km，用于探测大气水汽分布特征。我国在研的静止轨道毫米波亚毫米波探测仪预计将于2025 年后搭载于风云四号卫星发射，频率覆盖50-425GHz，天线口径达5m，可以获取大气温、湿度和降水的三维分布数据。在研的冰云被动探测载荷，工作频率为183-664GHz，可实现对冰云粒子的多角度探测。

　　在环境领域，目前针对大气环境探测，主要依赖高分五号光学载荷，作为光学探测的补充。“十三五”期间，我国开展了亚毫米波临边探测仪的研制，工作频率118-640GHz，灵敏度优于1.5K。在深空探测领域，目前主要以地基探测为主，缺乏天基手段与规划。

　　随着我国无源遥感技术的快速发展，与欧美、日本等发达国家差距正在缩小，尤其是在静止轨道微波遥感方向已达到国际领先水平。但总体来看，我国在载荷数量与技术参数上仍与发达国家存在一定差距。目前，我国太赫兹无源遥感技术的应用还存在以下技术瓶颈：现有的太赫兹源功率非常低，在低温环境下，也只能达到毫瓦量级；太赫兹关键器件的发展与国外存在较大差距，如低噪声放大器、混频器、检波器等；自主知识产权的太赫兹遥感技术有待加强。未来，我国还应在太赫兹电大尺寸天馈技术、低噪声超导接收技术、遥感载荷高精度定标技术、遥感数据高效精准应用技术上发力，提升太赫兹遥感的总体设计和研制水平，逐步在国际上占据领先地位。

　　4 我国太赫兹无源遥感技术未来发展方向

　　4.1 提升关键部组件性能

　　我国在遥感载荷的研制方面存在关键部件工艺和加工上的短板。如在大口径高形面精度天线方面，国外在轨载荷的最大天线口径为6m（1.4GHz）和3.5m（5.5THz），我国在轨遥感载荷最大口径目前为1m（89GHz）；在多频段准光学馈电网络方面，国外目前已实现5 频段星载应用，我国只有单极化栅网星载应用；在高频高稳定性接收机方面，国外在轨最高频段为2.5THz，我国在轨最高频段为183GHz；在高精度定标方面，国外已实现最高2.5THz 外定标与内定标星载应用，我国仅实现最高至183GHz 的在轨定标。因此急需提升遥感载荷的关键部件性能，大力攻克各关键部组件设计及加工难点，以支撑未来太赫兹无源遥感探测系统的研制。

　　4.2 提高数据反演应用能力

　　随着星载微波遥感探测的频段逐渐升高，探测目标更加多样，对于微波遥感获取数据的反演处理需求也在不断增加。过去我国的微波遥感是先学习外国先进经验后再进行开发研制，反演算法也多是学习或引进外国成熟的算法。但在我国静止轨道卫星等新体制卫星逐渐发展的今天，国内现有的数据反演能力无法满足创新载荷的论证及后续应用的需求，反演应用能力的不足成为制约太赫兹遥感后续发展的主要因素之一。因此，更应着眼于数据反演应用方法等基础性研究，加快应用牵引，从而推动太赫兹无源遥感探测技术创新发展。

　　4.3 发展高精度定标技术

　　研制高精度的定标源，研究新型定标方法是当前星载辐射计定标技术发展的方向。星载微波辐射计发展至今，工作频率逐渐升高，探测频点逐渐增加，双极化通道逐步取代单极化通道，这都给星载微波辐射计的定标工作带来了更多挑战，尤其是辐射计在轨定标技术，面对复杂多变的宇宙环境，我们需要研究更加稳定和高精度的定标方法，从而保证卫星能够常年稳定地在轨工作。

　　4.4 提升载荷系统总体水平

　　微波遥感载荷的主要服务的用户单位是国家海洋局、中国气象局等政府部门，经过几十年的卫星遥感事业发展，我国在国家和政府层面上构建起了气象卫星应用体系、卫星海洋应用体系、卫星陆地资源勘测应用体系这三大系统。虽然发展速度很快，但在载荷总体研制能力和载荷探测新体制方面仍然与国外存在差距。后续我国应该针对各部门对于探测业务的新需求，推动我国新型载荷系统的建设，把握星载载荷技术的发展趋势，尤其是在静止轨道微波探测和毫米波太赫兹探测方面发力，早日实现国际领跑。

　　5 小结

　　太赫兹频段的无源遥感技术在对地观测中发挥着越来越重要的作用，但我国的数据处理能力、定标技术水平和载荷系统水平上依旧与国际先进水平存在一定差距。为充分发挥太赫兹无源遥感探测的技术优势，未来应大力发展自主可控的太赫兹元器件，加快遥感数据反演算法的研究，推动载荷整体质量的提升。此外，太赫兹空间通信、太赫兹高分辨率雷达和太赫兹光谱检测技术的发展，也将为太赫兹无源遥感探测带来更广阔的应用空间。

　　参考文献：

　　[1] 胡伟东, 季金佳, 刘瑞婷, 等. 太赫兹大气遥感技术[J]. 中国光学, 2017(05):138-147+186.

　　[2] 姚崇斌, 徐红新, 赵锋, 等. 微波无源遥感有效载荷现状与发展[J]. 上海航天, 2018, 035(002):1-12.

　　[3] 陈塞崎, 龚燃. 2019 年国外民商用对地观测卫星发展综述[J]. 国际太空, 2020(3):5.[4] D’Addio S , Kangas V , Klein U , et al.Microwave Imager instrument for MetOp Second G e n e r a t i o n [ C ] / / 2014 S p e c i a l i s t M e e t i n g o n Microwave Radiometry and Remote Sensing of the Environment (MicroRad). IEEE, 2014.

　　[5] Bergada M , Labriola M , Gonzalez R , etal. The Ice Cloud Imager (ICI) preliminary design and performance[C]// Microwave Radiometry & Remote Sensing of the Environment. IEEE, 2016.

　　[6] 梁美彦, 任竹云, 张存林. 太赫兹空间探测技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展,2019,56(18):43-55.

　　[7] 何锡玉, 蔡夕方, 朱亚平, 张雷. 我国风云极轨气象卫星及应用进展[J]. 气象科技进展,2021,11(01):34-39.

　　[8] 杨军，咸迪，唐世浩. 风云系列气象卫星最新进展及应用[J]. 卫星应用, 2018, 83(11): 10-16.

　　[9] 咸迪. 风云四号B 星[J]. 卫星应用,2021(7): 封4.DOI:10.3969/j.issn.1674-9030.2021.07.014