PECIAL SUBJECT 专题报道 太赫兹技术 在航天计量测试领城的应用及挑战 上海航天测控通信研究所李恩晨 徐红 ,一赫兹(THz)在电磁波谱中位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微 人观光子学的过渡频段，其频率通常是0.1~10THz(1THz=1012Hz),对 应波长为30-3000μm。 从光谱分辨角度，由于大分子振动、转动特征谱均位于TH2频段，因此 许多有机分子在THz频段具有“指纹”特性，表现出很强的吸收和色散特性， 为物体组成成分识别提供了基础。从安全性角度，THz辐射的能量只有毫电子 伏的数量级，远远小于X射线所具有的能量，同时由于水对T业波具有较强 的吸收特性，THz波仅对皮肤表层存在影响，因此可应用于人体的安全检查和 对生物样品的检测。从穿透性角度，TH2波同时具备了光波的方向性及微波的 穿透能力，因此可以采用特定的波导进行传输，也可以通过准光学器件实现波 的聚焦、准直及反射。 219g 22 lectronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
专题报道 22中国航天 2018年 第10期 S PECIAL SUBJECT 太赫兹技术 在航天计量测试领域的应用及挑战 上海航天测控通信研究所 李恩晨 徐红新 谢振超 余世里 太赫兹（THz）在电磁波谱中位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微 观光子学的过渡频段，其频率通常是0.1~10THz（1THz=1012 Hz），对 应波长为30~3000μm。 从光谱分辨角度，由于大分子振动、转动特征谱均位于 THz 频段，因此 许多有机分子在 THz 频段具有“指纹”特性，表现出很强的吸收和色散特性， 为物体组成成分识别提供了基础。从安全性角度，THz 辐射的能量只有毫电子 伏的数量级，远远小于 X 射线所具有的能量，同时由于水对 THz 波具有较强 的吸收特性，THz 波仅对皮肤表层存在影响，因此可应用于人体的安全检查和 对生物样品的检测。从穿透性角度，THz 波同时具备了光波的方向性及微波的 穿透能力，因此可以采用特定的波导进行传输，也可以通过准光学器件实现波 的聚焦、准直及反射
报道 23 国内外发展现状 尔”(Herschel)太空望远镜，成为第一个在红外及亚 毫米波段工作的冷宇宙天文卫星。 Tz科学和技术作为先进科学技术的代表，得到 了各国政府支持和重视，从事相关研究工作的研究组 3亚洲 织及团队众多，在航天、空间研究等领域首先得到应 2005年，日本把THz技术确人为十大国家支 用。 柱技术之首，写入10年科技战略规划。日本的东京 大学、京部大学、大版大学、东北大学、福用大学 1美国 以及SLLSC,NTT等公司开展了大规模的研究与 1990年起，以美国航空航天局(NASA) 开发工作。2006年，1.5km距离的THz无线通信演 国防部、能源部为代表的政府机构，以及以美国 示系统研制成功，实现世界上首例THz通信演示。 BM,Intel为代表的实验室和公司开始对THz技术 2009年，日本成功发射了亚毫米临边探测器JEM 进行大规模的研究。NASA于1991年发射了微波临 SMILES 边探测器(MLS),首次针对水、臭氧等分子在同温 2005年，以“太赫兹科学技术”为主题的第270 层中的含量分布，通过外差高分辨率THz谱线获得 次香山科学会议在北京顺利召开，成为了中国THz 了分布廓线。1998年美国发射了“亚毫米波天文卫 研究工作的里程碑。2010年4月底，陈佳洱等16 星”(SWAS),卫星中携带了冷却到170K的肖特 位院士绘制出T业科学技术发展的中国路线图。随 基混频外差接收系统，用于研究恒星结构及星际化 后，刘盛纲等19位院士提出了中国发展THz科学技 学物质。2004年7月15日NASA发射了更为先进 术的若干建议，获得了国务院领导的批示。20世纪 的外美式THz探测是MLS.最高频率大到2.5THz 0年代初.中料院物理所在建立了闲内第一台TH 可以测量更多的大气成分及云中的含汽量、大气温 光谱测量系统：天津大学在Tz辐射研究实现了 度以及高层大气中的污染物质。20世纪90年代， 1.5-2.7THz可调谐相干THz源，取得了阶段性成果 0.225THz雷达系统被美国军方与佐治亚理工学院共 中科院上海微系统与信息技术研究所研究了THz物 同研发实现，并完成了对坦克目标的多普勒回波测 理、器件及应用，取得了一系列成果；中科院紫金山 量。2008年，美雨骑气推进实验室(JPL)在2006 天文合和南京大学在THz留导深测技术开究方面已 年研制的0.6THz高分辨率雷达探测系统基础上，将 取得重要突破。 0.58THz三维成像探测系统用于ISAR成像获得了 亚厘米级的分辨率。 太赫兹技术的航天应用 2欧洲 1雷达探测及成像 21世纪以来，欧洲主要针对THz在医疗、遥感 相较于常规雷达，Tz雷达具有频率高、宽带宽 通信等方面的应用开展了大量研究工作，主要的研 等特点，非常有干目标成像和目标特征结物获取 究机构包括STARTIGER、THz-Bridge、Teravision、 实现精准的外形识别。THz雷达可以探测到低径向速 NanoTera等。研究课题涉及THz辐射成像(2004 度目标更大的多普勒频移，因此可用于对慢速动目标 2008)、THz空间天文学(2005-2009)、微机 的发现和识别。THz雷达体积小、质量轻，有利于天 械探测器(2006-2015)等。2001年，为了研究 线的快速扫描，确保较高的数据率。 天文及高层大气，瑞典、法国、芬兰等国联合发射 (1)弹道中段目标预警 了OdinTHz波段卫星，5年后又研制出了THz远距 远程弹道导弹可携带核弹头，射程远，速度快， 离检测系统；2009年，欧空局又成功发射了“赫歇 飞行的中间段会高速穿越太空，破坏能力强，因此需 1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
专题报道 23 Aerospace China 2018.10 一 国内外发展现状 THz 科学和技术作为先进科学技术的代表，得到 了各国政府支持和重视，从事相关研究工作的研究组 织及团队众多，在航天、空间研究等领域首先得到应 用。 1 美国 1990 年 起， 以 美 国 航 空 航 天 局（NASA）、 国防部、能源部为代表的政府机构，以及以美国 IBM、Intel 为代表的实验室和公司开始对 THz 技术 进行大规模的研究。NASA 于 1991 年发射了微波临 边探测器 (MLS)，首次针对水、臭氧等分子在同温 层中的含量分布，通过外差高分辨率 THz 谱线获得 了分布廓线。1998 年美国发射了“亚毫米波天文卫 星”（SWAS），卫星中携带了冷却到 170K 的肖特 基混频外差接收系统，用于研究恒星结构及星际化 学物质。2004 年 7 月 15 日 NASA 发射了更为先进 的外差式 THz 探测器 MLS，最高频率达到 2.5THz。 可以测量更多的大气成分及云中的含汽量、大气温 度以及高层大气中的污染物质。20 世纪 90 年代， 0.225THz 雷达系统被美国军方与佐治亚理工学院共 同研发实现，并完成了对坦克目标的多普勒回波测 量。2008 年，美国喷气推进实验室（JPL）在 2006 年研制的 0.6THz 高分辨率雷达探测系统基础上，将 0.58THz 三维成像探测系统用于 ISAR 成像获得了 亚厘米级的分辨率。 2 欧洲 21 世纪以来，欧洲主要针对 THz 在医疗、遥感、 通信等方面的应用开展了大量研究工作，主要的研 究机构包括 STARTIGER、THz-Bridge、Teravision、 NanoTera 等。研究课题涉及 THz 辐射成像（2004― 2008）、THz 空 间 天 文 学（2005―2009）、 微 机 械 探 测 器（2006―2015） 等。2001 年， 为 了 研 究 天文及高层大气，瑞典、法国、芬兰等国联合发射 了 OdinTHz 波段卫星，5 年后又研制出了 THz 远距 离检测系统；2009 年，欧空局又成功发射了“赫歇 尔”( Herschel) 太空望远镜，成为第一个在红外及亚 毫米波段工作的冷宇宙天文卫星。 3 亚洲 2005 年，日本把 THz 技术确认为十大国家支 柱技术之首，写入 10 年科技战略规划。日本的东京 大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福田大学 以及 SLLSC ，NTT 等公司开展了大规模的研究与 开发工作。2006 年，1.5km 距离的 THz 无线通信演 示系统研制成功，实现世界上首例 THz 通信演示。 2009 年，日本成功发射了亚毫米临边探测器 JEM/ SMILES。 2005 年，以“太赫兹科学技术”为主题的第 270 次香山科学会议在北京顺利召开，成为了中国 THz 研究工作的里程碑。2010 年 4 月底，陈佳洱等 16 位院士绘制出 THz 科学技术发展的中国路线图。随 后，刘盛纲等 19 位院士提出了中国发展 THz 科学技 术的若干建议，获得了国务院领导的批示。20 世纪 90 年代初，中科院物理所在建立了国内第一台 THz 光谱测量系统；天津大学在 THz 辐射研究实现了 1.5~2.7THz 可调谐相干 THz 源，取得了阶段性成果； 中科院上海微系统与信息技术研究所研究了 THz 物 理、器件及应用，取得了一系列成果；中科院紫金山 天文台和南京大学在 THz 超导探测技术研究方面已 取得重要突破。 二 太赫兹技术的航天应用 1 雷达探测及成像 相较于常规雷达，THz 雷达具有频率高、宽带宽 等特点，非常有利于目标成像和目标特征结构获取， 实现精准的外形识别。THz 雷达可以探测到低径向速 度目标更大的多普勒频移，因此可用于对慢速动目标 的发现和识别。THz 雷达体积小、质量轻，有利于天 线的快速扫描，确保较高的数据率。 （1）弹道中段目标预警 远程弹道导弹可携带核弹头，射程远，速度快， 飞行的中间段会高速穿越太空，破坏能力强，因此需
PECIAL SUBJEC 专题报道 Ascent Phase MIDCOURSE Descent Phase Apogee tit Earth's Atmosphere Re- inal Pha arget 图1弹道导弹飞行阶段示意图 要建立对其探测和跟踪的预警系统.完恙和加强防御 体系。 远程弹道导弹的飞行过程分为主动段、中间段和 再入段（图1）。由于弹箭分离后，中间段弹道导弹 的弹头红外特征降低，与此同时会释放出许多干扰目 标作为诱饵，该诱饵与真实弹头具有同样的飞行速度 和轨迹，极大提升了突防概率。因此需要高精确度的 雷达系统对中间段目标实现高效跟踪。天基TH雷 达具有较高的分辨率，可以拓展跟踪范围，避免大气 层影响，有效降低漏警率。 0F米y (2)雷达散射截面研究 目标雷达散射截面(RCS)对雷达系统设计、目 标识别、根院点洗怪知隐身技术只有重要意义。但是 图21/72的缩比坦克模型成像结果 目标RCS通常不能通过理论计算准确得到，因此需 对RCS进行测量。对于大型目标，通常采用的方法 是电磁缩比测试，RCS缩比测量系统的工作频率将 (3)THz无损检测 达到Tz频段。运用THz缩比模型RCS测量方法， 对于大部分干燥、非金属、非极性材料，采取对 可大幅减少测量周期，节约常规微波波段全尺寸目标 立成像技术，利用Hz被穿透能力较程的特点，可 RCS测量成本，提高测量效率（图2）。 检测材料中的缺陷。T2无损检测可用于航天器外部 10 lectronic Publishing House.All rights reserved.hup://www.enki.net
专题报道 24中国航天 2018年 第10期 S PECIAL SUBJECT 要建立对其探测和跟踪的预警系统，完善和加强防御 体系。 远程弹道导弹的飞行过程分为主动段、中间段和 再入段（图 1）。由于弹箭分离后，中间段弹道导弹 的弹头红外特征降低，与此同时会释放出许多干扰目 标作为诱饵，该诱饵与真实弹头具有同样的飞行速度 和轨迹，极大提升了突防概率。因此需要高精确度的 雷达系统对中间段目标实现高效跟踪。天基 THz 雷 达具有较高的分辨率，可以拓展跟踪范围，避免大气 层影响，有效降低漏警率。 （2）雷达散射截面研究 目标雷达散射截面（RCS）对雷达系统设计、目 标识别、跟踪点选择和隐身技术具有重要意义。但是 目标 RCS 通常不能通过理论计算准确得到，因此需 对 RCS 进行测量。对于大型目标，通常采用的方法 是电磁缩比测试，RCS 缩比测量系统的工作频率将 达到 THz 频段。运用 THz 缩比模型 RCS 测量方法， 可大幅减少测量周期，节约常规微波波段全尺寸目标 RCS 测量成本，提高测量效率（图 2）。 （3）THz 无损检测 对于大部分干燥、非金属、非极性材料，采取对 应成像技术，利用 THz 波穿透能力较强的特点，可 检测材料中的缺陷。THz 无损检测可用于航天器外部 图1 弹道导弹飞行阶段示意图 图2 1/72 的缩比坦克模型成像结果
25 燃料箱泡沫隔离层材料、泡沫夹芯雷达天线罩结构 航天器微小损伤和复合材料脱胶等的检测。 2通信应用 大气层对THz波的衰减较大，因此地面测控的 干扰影响小，可将THz波应用于卫星间通信、短程 地面无线局域通信、短程大气通信等领域。THz星间 技术通信数据率可达25-250Gbis。同时，THz波束 图3中国工程物理研究院TH高速无线通信系统与地面试验场最 至，带宽可达到100GHz.因此可以有大量的言首改」 难以被敌方实施的电子干扰所欺骗。另外，THz波还 可实现与重返大气层的飞行器的通信。当飞行器重返 大气层时，由于电离导致飞行器周围形成等离子体， 造成通讯信号迅速衰减甚至中断，而THz波可作为 有效的通信工具。 3气象环境观测 在Tz频段内许多分子具有特征吸收线，通过 特征吸收线，可有效探测踪迹成分信息。因此，利用 THz波可对天文及大气环境进行观测，实现气象遥感 的探测。 (1)天文观测 THz波在天文遥感观测中具有广泛的应用前景 由于THz波穿越星际间稀薄气体时衰减很弱，因此 图4MLS探测器 通过星载探测器等方式可以很容易探测到遥远星体发 射出来的THz波，进而获得星际物质的气态分子信 HC1、O,、C1O等在内的大气成分、冰云及火山喷发 息。此外，由于宇宙膨张，遥远量系发向地球的谐线 S02的有效探测。 会产生红移，而最遥远星系的辐射偏移已达到了TH2 (3】气象遥感 频段，因此可以利用THz波对宇宙演化进行研究。 在地球静止轨首利用THz讲行气象谣感探测回 (2)大气环境 对三分之一地球进行连续观测。传统微波探测通道可 在THz频段，通过痕量气体固有的辐射和吸收 以直接穿透主要大气活动区域，但不能对云层内部气 光谱特征可以识别出这些组分，确定包括羟基自由基 象条件进行精细观测：而运用Tz波进行探测可以 在内的大部分气体成分浓度，反宿微量气休垂直廊线 有效反宿云雨大气温度和限度家线，提供云内部三维 实现大气不境监测。因人类活动而产生的含氯、流 温想度结构信息。特男别是对于几百微米大小的冰云数 氮等废气对臭氧层具有极大破坏性，而Tz波对于 子，T2波探测具有非常好的优势。通过地球静止轨 此类废气具有特殊的敏感性，可用于环保监测。其中 道THz探测，还可实现对台风、暴雨、强对流等灾 较为著名的是AURA/MLS探测器，如图4所示，包 害性天气系统的降水结构及其变化进行“凝视”监测 括118GHz、190GHz、240GHz、640GHz和2.5THz 为有限区域数值天气预报提供理想的初始场。上海航 探测频率的辐射计，可实现对包括HCN、BO、 天电子通讯设备研究所已开展了地球静止轨道THz ?1994-2019 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.net
专题报道 25 Aerospace China 2018.10 图3 中国工程物理研究院THz高速无线通信系统与地面试验场景 图4 MLS探测器 燃料箱泡沫隔离层材料、泡沫夹芯雷达天线罩结构、 航天器微小损伤和复合材料脱胶等的检测。 2 通信应用 大气层对 THz 波的衰减较大，因此地面测控的 干扰影响小，可将 THz 波应用于卫星间通信、短程 地面无线局域通信、短程大气通信等领域。THz 星间 技术通信数据率可达 25~250Gbit/s。同时，THz 波束 窄，带宽可达到 100 GHz，因此可以有大量的信道数， 难以被敌方实施的电子干扰所欺骗。另外，THz 波还 可实现与重返大气层的飞行器的通信。当飞行器重返 大气层时，由于电离导致飞行器周围形成等离子体， 造成通讯信号迅速衰减甚至中断，而 THz 波可作为 有效的通信工具。 3 气象环境观测 在 THz 频段内许多分子具有特征吸收线，通过 特征吸收线，可有效探测踪迹成分信息。因此，利用 THz 波可对天文及大气环境进行观测，实现气象遥感 的探测。 （1）天文观测 THz 波在天文遥感观测中具有广泛的应用前景。 由于 THz 波穿越星际间稀薄气体时衰减很弱，因此 通过星载探测器等方式可以很容易探测到遥远星体发 射出来的 THz 波，进而获得星际物质的气态分子信 息。此外，由于宇宙膨胀，遥远星系发向地球的谱线 会产生红移，而最遥远星系的辐射偏移已达到了 THz 频段，因此可以利用 THz 波对宇宙演化进行研究。 （2）大气环境 在 THz 频段，通过痕量气体固有的辐射和吸收 光谱特征可以识别出这些组分，确定包括羟基自由基 在内的大部分气体成分浓度，反演微量气体垂直廓线， 实现大气环境监测。因人类活动而产生的含氯、硫、 氮等废气对臭氧层具有极大破坏性，而 THz 波对于 此类废气具有特殊的敏感性，可用于环保监测。其中 较为著名的是 AURA/MLS 探测器，如图 4 所示，包 括 118GHz、190GHz、240GHz、640GHz 和 2.5THz 探测频率的辐射计，可实现对包括 HCN、BrO、 HCl、O3、ClO 等在内的大气成分、冰云及火山喷发 SO2 的有效探测。 （3）气象遥感 在地球静止轨道利用 THz 进行气象遥感探测可 对三分之一地球进行连续观测。传统微波探测通道可 以直接穿透主要大气活动区域，但不能对云层内部气 象条件进行精细观测；而运用 THz 波进行探测可以 有效反演云雨大气温度和湿度廓线，提供云内部三维 温湿度结构信息。特别是对于几百微米大小的冰云粒 子，THz 波探测具有非常好的优势。通过地球静止轨 道 THz 探测，还可实现对台风、暴雨、强对流等灾 害性天气系统的降水结构及其变化进行“凝视”监测， 为有限区域数值天气预报提供理想的初始场。上海航 天电子通讯设备研究所已开展了地球静止轨道 THz
PECIAL SUBJECT 专题报道 探测仪的研制工作（图5）。 测量技术主要包括：远场测量技术、近场测量技术和 紧缩场测量技术。远场法测量广泛用于微波频段。对 三太赫兹计量测试挑战 于电大尺寸天线，当达到THz频段时，测量距离和 大气影响成为远场法测量的主要瓶颈。对于平面近场 1电大尺寸天线测试 测量，则需考虑诸如相位误差、扫描精度及热结构变 在电大尺寸天线测试领域中得到广泛应用的传统 化等问题。反射面紧缩场广泛用于毫米波波段，但对 表面精确度有较高要求。以频率1THz进行估算，反 射面的表面均方根精确度通常需达到入100，即反射 面需达到3μm精确度，直接限制了反射面紧缩场测 量的应用。 1992年，赫尔辛基大学提出了一种基于全息图 的紧缩场天线测试方法，该测试方法使用全息光栅 作为紧缩场的准直器，制造成本低，已成功应用于 40-650GHz,成为一种有效的THz频率下电大尺寸 天线测量方法。全息紧缩场原理框图如图6所示，为 了在静区生成需要的平面波，该方法运用一个透射 元幅度全息光栅对馈源喇叭照射的球面波进行调制。 对于未来Tz频率下电大尺寸天线测量，尤其是兰 图5全尺寸5m口径系统样机 DUAL REFLECTOR FEED SYSTEM 12.8 ABSORBERS 9.6m ④ QUIET-ZON 图6全息素缩场测试原理框图 2199
专题报道 26中国航天 2018年 第10期 S PECIAL SUBJECT 探测仪的研制工作（图 5）。 三 太赫兹计量测试挑战 1 电大尺寸天线测试 在电大尺寸天线测试领域中得到广泛应用的传统 测量技术主要包括：远场测量技术、近场测量技术和 紧缩场测量技术。远场法测量广泛用于微波频段。对 于电大尺寸天线，当达到 THz 频段时，测量距离和 大气影响成为远场法测量的主要瓶颈。对于平面近场 测量，则需考虑诸如相位误差、扫描精度及热结构变 化等问题。反射面紧缩场广泛用于毫米波波段，但对 表面精确度有较高要求。以频率 1THz 进行估算，反 射面的表面均方根精确度通常需达到 λ/100，即反射 面需达到 3μm 精确度，直接限制了反射面紧缩场测 量的应用。 1992 年，赫尔辛基大学提出了一种基于全息图 的紧缩场天线测试方法，该测试方法使用全息光栅 作为紧缩场的准直器，制造成本低，已成功应用于 40~650GHz，成为一种有效的 THz 频率下电大尺寸 天线测量方法。全息紧缩场原理框图如图 6 所示，为 了在静区生成需要的平面波，该方法运用一个透射二 元幅度全息光栅对馈源喇叭照射的球面波进行调制。 对于未来 THz 频率下电大尺寸天线测量，尤其是当 图6 全息紧缩场测试原理框图 图5 全尺寸5m口径系统样机 DUAL REFLECTOR FEED SYSTEM AUT QUIET-ZONE HLOLGRAM diameter 3.2m MODIFIED ILLUMINATION ABSORBERS 12.8m 9.6m