农业工程学报 Vol.34 No2 2018年 Transactions of the Chines Society of Agricultural Engineering Jm2018 ·综合研究· 太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展 李 斌23，龙园2，刘欢123，赵春江12， (1.北京农业信息技术研究中心，北京100097：2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097： 3.农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室，北京100097：4.数字植物北京市重点实验室，北京100097) 接：太波在电波端中收于中红外波与微之具有探测分间 子内部弱相互作用的独特性质，是当前 、星炸物分子 德家者也积极开了太 统地介绍了待测样品理化信息的太赫兹数据获取方法，然后结合太赫兹技术特性，聚焦农业领域，探时了太赫兹光谱和 进 10,1011975issn1002.6819.201802.001 中图分类号：0657.3 文献标志码：A 文音编号：1002-6819到20181-02-0001-09 ,农业工程学报，2018,34（②） and its lication in agricultureln English abstract) n.0U2 ttp://www.tcsae.org 0引言 在光谱检测方面具有诸多独特优势，例如：低能性使 太赫效波指的是频率0110THz(波长为003一 3mm)范用内的电磁辐射的统称，通常也被称为太林兹 辐射、T射线等山。从频率的角度分析，太赫兹波是电础 和进行产品检测：相干性使其能直接测量电场的振幅和 波谱中位于中红外波与微波之间的波段，通常被称为远 相位，进面提取样品的折射率和吸收系数生物大分子 红处站卧。从能景的角应公折大林益被能最头41 的太赫兹指纹特性，使其能用于辨别毒品等物质的特 屈于毫电子伏特的能最级，远低于X射线干电子伏特的 对于组毒和反恐具有重要意义： 太赫益波具有宽 能量级，位于电子与光子能量之间，因此其属于电子学 带和高分排率 肤冲通常可以覆盖从G2至几十太 与光子学的交又额城。 在由装被德由。位王大挂海洁移西遗的红处和为油 近年米，正是因为太赫兹技术独特的性质和用途 技术应用研究已较为成熟，但是太赫兹波段仍然是研究 太赫兹技术得到了各国的高度重视： 国政府2004 上的一“白”由到安们通描求的“大 年将T科技列为“改变未来世界的十大技术”之四： 兹空隙”41。由于之前一直缺乏太赫兹波的产生和探测 日本于2005年1月8日将TH2技术 设备，造成了上世纪尤其是八十年代以前科学家们对太 赫兹技术的研究及认识有限。近年来超快激光技术的迅 大重点战略目标”之首：中国政府在2014年4月专 召开了以“太赫兹波在生物 医学应用中的科学问题与前 速发展，太赫兹波段光源设各的可靠性不断改善，太赫 沿技术”为主题的香山科技会议，制定了中国业技术 兹技术及应用逐步成为光谱检测领域的研究热点同。 星02] 目前全出界围已经形成或了一个T日2技术研究启 湖：在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事 2的研究工作，特别是关国重要的国家实验室，如 NRL,ALS和ORNI 等，都在开展TH2科学技术的研究工作：在欧洲，英国 作者的介李、究员，士，主从率太赫袋光清理论及应用基 的Rutherford国家实验室、剑桥大学、里兹大学和 Strathelyde等+几所大学，德国的KF7、BESSY ※通信作者：赵春江，博士，研究员，博士生导师，主要从事信息技术与精 Cohn和Hamburg等机构，都积极开展Tz 低农业技术体系研究。Email:haocj@nercita.orgc 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第 34 卷 第 2 期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.2 2018 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan. 2018 1 太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展 李 斌 1,2,3,4，龙 园 1,2,3，刘 欢 1,2,3，赵春江 1,2,3,4※ （1. 北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097； 3. 农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室，北京 100097；4. 数字植物北京市重点实验室，北京 100097） 摘 要：太赫兹波在电磁波谱中位于中红外波与微波之间，具有探测分子间或分子内部弱相互作用的独特性质，是当前 研究的热点之一。近年来，随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展，太赫兹光谱及成像技术在多个领域正逐步从实验 室研究转向实际应用，包括安全成像检测、航空航天、爆炸物分子检测等，同时农业领域专家学者也积极开展了太赫兹 技术的农业应用研究，取得了较好的研究进展。该文从太赫兹光谱简介、产生探测原理、样品制备及数据处理出发，系 统地介绍了待测样品理化信息的太赫兹数据获取方法，然后结合太赫兹技术特性，聚焦农业领域，探讨了太赫兹光谱和 成像技术在该领域中的应用研究进展及有待解决的问题，具体包括农业生物大分子检测、农产品质量安全检测、植物生 理检测和环境监测等多个方面，进而揭示太赫兹技术这一新兴科技在农业领域的研究潜力和应用前景。 关键词：农业；光谱分析；监测；太赫兹技术；研究进展 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 中图分类号：O657.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-02-0001-09 李 斌，龙 园，刘 欢，赵春江. 太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展[J]. 农业工程学报，2018，34(2)： 1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org Li Bin, Long Yuan, Liu Huan, Zhao Chunjiang. Research progress on Terahertz technology and its application in agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org 0 引 言 太赫兹波指的是频率 0.1～10 THz（波长为 0.03～ 3 mm）范围内的电磁辐射的统称，通常也被称为太赫兹 辐射、T 射线等[1]。从频率的角度分析，太赫兹波是电磁 波谱中位于中红外波与微波之间的波段，通常被称为远 红外波段；从能量的角度分析，太赫兹波能量为 4.1 meV， 属于毫电子伏特的能量级，远低于 X 射线千电子伏特的 能量级，位于电子与光子能量之间，因此其属于电子学 与光子学的交叉领域[2-3]。 在电磁波谱中，位于太赫兹波段两端的红外和微波 技术应用研究已较为成熟，但是太赫兹波段仍然是研究 上的一个“空白”，也就是科学家们通常描述的“太赫 兹空隙”[4-5]。由于之前一直缺乏太赫兹波的产生和探测 设备，造成了上世纪尤其是八十年代以前科学家们对太 赫兹技术的研究及认识有限。近年来超快激光技术的迅 速发展，太赫兹波段光源设备的可靠性不断改善，太赫 兹技术及应用逐步成为光谱检测领域的研究热点[6]。 收稿日期：2017-06-20 修订日期：2017-12-07 基金项目：北京市自然科学基金“太赫兹光谱用于检测土壤中重金属铅含量 的微观机理研究”；北京市农林科学院创新能力建设专项(KJCX20180119)； 北京市农林科学院国际合作基金（GJHZ2017-7）；“十三五”国家重点研发 计划项目（2016YFD0702002） 作者简介：李 斌，副研究员，博士，主要从事太赫兹光谱理论及应用基础 研究。Email：lib@nercita.org.cn ※通信作者：赵春江，博士，研究员，博士生导师，主要从事信息技术与精 准农业技术体系研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn 鉴于太赫兹波特殊的波段区间，相比其他波段，其 在光谱检测方面具有诸多独特优势，例如：低能性使其 不会因为电离对物品及人体造成伤害；对水的敏感性使 其能通过生物体中水分子的特征吸收谱来研究物质组成 和进行产品检测；相干性使其能直接测量电场的振幅和 相位，进而提取样品的折射率和吸收系数；生物大分子 的太赫兹指纹特性，使其能用于辨别毒品等物质的特征， 对于缉毒和反恐具有重要意义；另外，太赫兹波具有宽 带和高分辨率，单个脉冲通常可以覆盖从 GHz 至几十太 赫兹的范围[7-11]。 近年来，正是因为太赫兹技术独特的性质和用途， 太赫兹技术得到了各国的高度重视：美国政府于 2004 年将 THz 科技列为“改变未来世界的十大技术”之四； 日本于 2005 年 1 月 8 日将 THz 技术列为“国家支柱十 大重点战略目标”之首；中国政府在 2014 年 4 月专门 召开了以“太赫兹波在生物医学应用中的科学问题与前 沿技术”为主题的香山科技会议，制定了中国 THz 技术 发展规划[12]。 目前全世界范围已经形成了一个 THz 技术研究高 潮：在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事 THz 的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如 LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS 和 ORNL 等，都在开展 THz 科学技术的研究工作；在欧洲，英国 的 Rutherford 国家实验室、剑桥大学、里兹大学和 Strathclyde 等十几所大学，德国的 KFZ、BESSY、 Karlsruhe、Cohn 和 Hamburg 等机构，都积极开展 THz ·综合研究·
农业工程学报(http://www.tcsac.og) 2018年 研究工作：在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦 可以认为是光整流效应的逆过程，是由Wu等P和Nahata 项料技大学、国立新加坡大学、 台湾大学、台湾清华大 等 提出并逐渐发展起来的。 学等都积极开展Hz研究工作，并发表了不少高质量的 1.4太赫兹时域光谱系统原理 学术论文，日本东京大学、京都大学、大阪大学、东北 太赫兹时域光谱系绕根据对不同的样品以及测试要 大学、福井大学以及SLLSC、NTT Advanced Technology 求可被划分为透射式、反射式、差分式等，常见透射式 Corporation等公司都大力开展THz的研究与开发工作。 太赫兹时域光谱系统光路图如图】所示。钛宝石飞秒激 当前太赫兹技术产生与探测技术、太赫兹光谱和成像技 光器发射的飞秒激光脉冲，经过分光镜，被分为泵浦脉 术及应用、太赫兹通讯是太赫兹技术的研究热点领域。 冲和探测脉冲。在经过光学斩波器调制之后聚焦于太赫 农业是太赫兹技术的重要应用领域之一 太赫兹光 兹发射器，发射出亚皮秒级太赫兹脉冲。所产生的太赫 谱及成像技术在农业领域的应用探索具有重要研究价 兹脉冲用两个抛物面镜来聚焦于探测器。通过一个光学 值。鉴于此，本文对太赫兹技术及其产生与探测原理 延迟平移台来改变泵浦脉冲和探测脉冲的时间延迟，太 样品制备与信息获取方法以及农业领域的应用研究进行 赫兹波的全部时域分布就可以被追综到。 系统性地综述，为深入探索太赫兹技术的农业应用研究 提供参考。 直光学 1太赫兹光谱技术 1.1太赫兹光谱技术简介 太赫兹光谱技术可追湖至上个世纪80年代， AT&TBel实验室的Austo 由 等和IBM公司的W2 研究中心的Fa 等先后发展起来的 大赫兹脉冲的相 是利用 这项持 直接获取样品 的时波形 然后通过傅里叶变换得到其相应的频域分 通过分析和计算该频谱的相关数据，就可以得 困太赫光谱产生与探测光路图 到被测样品的光学参数 (如折射率 吸收系数等) Fig1 Optical path for THz generation and dete tion 12大赫兹脉冲的产生 透射式系统的特点在于把样品放在太赫兹发射器和 生T2脉冲最常见的两种方法是光电导天线法和 探测器之间。 光整流法 5过多次试哈发围。周体样本厚度一铅在1mm左右 在上个世纪80年代未期，下attinger等41提出使月 将样品固定在二雄平移台上，放置在太赫兹发射器 光电导天线产生太赫兹脉冲 与探测器之间的透镜焦点位置，样品随二维平移台在水 是辐射损伤硅 蓝宝石 日前最常用的光电导材料 低温生 平方向和垂直方向步进制移动，通过太赫兹光谱仪就可 （LT-GaAs)m。 以逐点扫描样品的每一点，从而获取样品上每一点的太 赫兹光谱信息，然后通过计算机编程就可以重构样品的 到 导天线辐 的太赫兹脉冲 般在 10年 微瓦范围内，这取决于激发光强大小与直流偏首 太赫兹图像，实现样品的太赫兹光谱成像测量」 电 20 2样品理化信息的获取和数据处理方法 1.2.2 光整流 2.1 光整流是 一种较为常见和容易的产生太赫兹脉冲 样品制备 方法，这种方法并不需要天线的结构。它是 ·种非线性 样品的制备方法对后续采集样品的光谱特征和图像 光学效应，是电光效应的逆过程.这种技术最早是Yag 特征有很大影响。当样品的形态不同时，制作样品的方 等2在利用皮秒量级激光脉冲在LNbO3产生远红外辐 法有很大别 品的制名 射的过程中来实现的，而后Hu和Zhang等m-2列在上个世 样品为粉末时， 纪90年代初提出了基于亚皮秒光整流机制产生太赫兹脉 般采用压片法 由于粉未状样 冲。目前比较常用的非线性介质有DAST、ZnTe、GaAs 品的自我成型效果不好 股使用 1.3太赫兹脉冲的探测 形 用 在探测宽频带太赫兹滋脉冲方面，光电导取样法与电 光取样法是最常用的两种探测方法。光电导取样其实可 选 乙烯的原因是聚。 日在太 以被看成是光电导天线发射太棒兹脉冲的逆过程，所以 在装置方面，它与光电导天线产生太赫兹脉冲是基本相 应注意样品的厚度和浓度要适当， 且样品要保持均匀平 同的。电光取样是利用电光效应来完成太赫兹探测的， 整，压力不宜过大， 00201Chi onic Publishing House cnki.ne
2 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2018 年 研究工作；在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦 项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大 学等都积极开展 THz 研究工作，并发表了不少高质量的 学术论文，日本东京大学、京都大学、大阪大学、东北 大学、福井大学以及 SLLSC、NTT Advanced Technology Corporation 等公司都大力开展 THz 的研究与开发工作。 当前太赫兹技术产生与探测技术、太赫兹光谱和成像技 术及应用、太赫兹通讯是太赫兹技术的研究热点领域。 农业是太赫兹技术的重要应用领域之一，太赫兹光 谱及成像技术在农业领域的应用探索具有重要研究价 值。鉴于此，本文对太赫兹技术及其产生与探测原理、 样品制备与信息获取方法以及农业领域的应用研究进行 系统性地综述，为深入探索太赫兹技术的农业应用研究 提供参考。 1 太赫兹光谱技术 1.1 太赫兹光谱技术简介 太赫兹光谱技术可追溯至上个世纪 80 年代，由 AT&T Bell 实验室的 Auston 等[13]和 IBM 公司的 Watson 研究中心的 Fattinger 等[14]先后发展起来的，是利用飞秒 超快激光来获取太赫兹脉冲的相干探测技术。这项技术 是通过太赫兹脉冲在样品上透射或反射，直接获取样品 的时域波形，然后通过傅里叶变换得到其相应的频域分 布波形，通过分析和计算该频谱的相关数据，就可以得 到被测样品的光学参数（如折射率、吸收系数等）。 1.2 太赫兹脉冲的产生 产生 THz 脉冲最常见的两种方法是光电导天线法和 光整流法。 1.2.1 光电导天线法 在上个世纪 80 年代末期，Fattinger 等[14-18]提出使用 光电导天线产生太赫兹脉冲。目前最常用的光电导材料 是辐射损伤硅—蓝宝石（RD-SOS）和低温生长砷化镓 （LT-GaAs）[19]。 光导天线辐射的太赫兹脉冲，平均功率一般在 10 纳 瓦到几微瓦范围内，这取决于激发光强大小与直流偏置 电压[20]。 1.2.2 光整流法 光整流是一种较为常见和容易的产生太赫兹脉冲的 方法，这种方法并不需要天线的结构。它是一种非线性 光学效应，是电光效应的逆过程。这种技术最早是 Yang 等[21]在利用皮秒量级激光脉冲在 LiNbO3 产生远红外辐 射的过程中来实现的，而后 Hu 和 Zhang 等[22-23]在上个世 纪 90 年代初提出了基于亚皮秒光整流机制产生太赫兹脉 冲。目前比较常用的非线性介质有 DAST、ZnTe、GaAs。 1.3 太赫兹脉冲的探测 在探测宽频带太赫兹脉冲方面，光电导取样法与电 光取样法是最常用的两种探测方法。光电导取样其实可 以被看成是光电导天线发射太赫兹脉冲的逆过程，所以 在装置方面，它与光电导天线产生太赫兹脉冲是基本相 同的。电光取样是利用电光效应来完成太赫兹探测的， 可以认为是光整流效应的逆过程，是由 Wu 等[24]和 Nahata 等[25-27]提出并逐渐发展起来的。 1.4 太赫兹时域光谱系统原理 太赫兹时域光谱系统根据对不同的样品以及测试要 求可被划分为透射式、反射式、差分式等，常见透射式 太赫兹时域光谱系统光路图如图 1 所示。钛宝石飞秒激 光器发射的飞秒激光脉冲，经过分光镜，被分为泵浦脉 冲和探测脉冲。在经过光学斩波器调制之后聚焦于太赫 兹发射器，发射出亚皮秒级太赫兹脉冲。所产生的太赫 兹脉冲用两个抛物面镜来聚焦于探测器。通过一个光学 延迟平移台来改变泵浦脉冲和探测脉冲的时间延迟，太 赫兹波的全部时域分布就可以被追踪到。 图 1 太赫兹光谱产生与探测光路图 Fig.1 Optical path for THz generation and detection 透射式系统的特点在于把样品放在太赫兹发射器和 探测器之间，让太赫兹脉冲穿透过去，获取样品的太赫 兹时域光谱，所以这也就说明了样品的厚度不宜过厚， 经过多次试验发现，固体样本厚度一般在 1 mm 左右。 将样品固定在二维平移台上，放置在太赫兹发射器 与探测器之间的透镜焦点位置，样品随二维平移台在水 平方向和垂直方向步进制移动，通过太赫兹光谱仪就可 以逐点扫描样品的每一点，从而获取样品上每一点的太 赫兹光谱信息，然后通过计算机编程就可以重构样品的 太赫兹图像，实现样品的太赫兹光谱成像测量。 2 样品理化信息的获取和数据处理方法 2.1 样品制备 样品的制备方法对后续采集样品的光谱特征和图像 特征有很大影响。当样品的形态不同时，制作样品的方 法有很大差别。 2.1.1 粉末样品的制备 样品为粉末时，一般采用压片法[28]。由于粉末状样 品的自我成型效果不好[29-31]，一般使用聚乙烯与样品按 一定比例混合，并在一定压力下进行压片，形成合适的 直径和厚度，用于实验，并且粉末的颗粒不能过大，对 大颗粒粉末需要对其研磨直到其直径小于 0.1 mm[32-34]。 选择聚乙烯的原因是聚乙烯对太赫兹吸收少，且在太赫 兹波段基本透明，有利于压片成型，方便检测。压片时 应注意样品的厚度和浓度要适当，且样品要保持均匀平 整，压力不宜过大
第2期 李斌等：太赫兹技术及其在农业领城的应用研究进展 2.1.2液依样品的制备 样品为液体时， 般将一定厚度的液体放入样品池 中，对其采集T业波谱。卢承振等测量不同形态水的 太赫兹光谱时，将厚度为0.5mm的样品放在规格为 45mmx45mm的石英样品池中采集光谱，李钟等采用 双样品池对比法来测定溶液的太林兹光谱。石英和聚四 氟乙烯材料对于Tz呈现较微弱的吸收，所以实验研究 中，样品池一般采用石英或者聚四氟乙烯材料制作。 2.1.3气体样品的制备 图3参考频城谱 样品为气体时，为了形成参考和样品对比测量， Fig Reference spectra in THz frequency domai 般采用双气室结构测量。赵辉等3使用差分吸收检 测系统对剧毒挥发性1,3-二硝基苯痕量气体采集太赫 兹时域光谱，其中检测系统中一组为标准空气， 为待测样气，通过对两组数据的差分处理再结合光请 特性获得被测样气的浓度，以实现对环境中二硝基苯 气体的检测。 2.2信息获取 2.2.1太林兹光瓣信息获取 太赫兹时域光谱仪通过扫描样品获得时域波形 图408H2下的植物叶片太林成信 然后对其进行傅里叶变换，得到太裤兹波频谱。获得 Fig4 THz image ofa plant leaf at 0.8 THz 的频谱信息包含了其他无关信息和噪声等影响因素， 需要对频谱数据进行预处理，包括数据平滑，减少噪 2)太赫吸收系数 的易 太赫兹波段的光谐吸收特征 声，提高信噪比，对其频谱数据进行分析和处理， 可得到被测样品介电常数、吸收系数、折射率等物理 可根据 针算出样品在特定频域范围 特征信息。 1)太赫兹频域光谱 谐特 太抹兹时域光谱仪采集样品在时间抽上的被形， 据被 样品的行 图2所示，是运用作者农业太赫兹光请与成像实验室的 为作者在 THz仪器(Menlo Systems,TERA KI5,Germany)在室 温下，连续冲入氮气，采集到的 可以看到，葡萄糖分子在太赫兹波段具有明显 一个典型的参考波形」 收 时域波形需要经过傅里叶变换得到频域曲线，进而分析 样品的频谱结构和变化特征，如图3所示，是参考波形 经傅里叶变换后得到的频域波形。对频域请进行平滑去 噪等光谱预处理方式，提取频域谱中的特征频段下的光 谱信息，然后根据样品在不同频段下的不同频谱特征， 对样品进行特征分析和识别检测，包括对样品组分的定 性分析、定量检测、杂质含量检测和异物鉴别等。图 是对 一个植物叶片进行太赫兹二维逐点扫描后，获取 0.8Tz单频下的成像图，后续可运用图像处理技术进行 图5葫萄糖旧体粉末的吸收系数曲线 叶脉等信息的有效提取。 Fig 5 Glucose of solid powder absorption coefficient curve 2.2,2太赫成像信息，获取 大赫兹成像系统相比于 了图像处理装置利和白盐 增力 通过提取 据信息 方法主 等。提取样 功 味宽成 最小 Fig2 Refo 图2参考时城 time domair 赫兹逐 扫描成像系纺 太 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
第 2 期 李 斌等：太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展 3 2.1.2 液体样品的制备 样品为液体时，一般将一定厚度的液体放入样品池 中，对其采集 THz 波谱。卢承振等[35]测量不同形态水的 太赫兹光谱时，将厚度为 0.5 mm 的样品放在规格为 45 mm×45 mm 的石英样品池中采集光谱。李健等[36]采用 双样品池对比法来测定溶液的太赫兹光谱。石英和聚四 氟乙烯材料对于 THz 呈现较微弱的吸收，所以实验研究 中，样品池一般采用石英或者聚四氟乙烯材料制作。 2.1.3 气体样品的制备 样品为气体时，为了形成参考和样品对比测量， 一般采用双气室结构测量。赵辉等[37]使用差分吸收检 测系统对剧毒挥发性 1,3-二硝基苯痕量气体采集太赫 兹时域光谱，其中检测系统中一组为标准空气，一组 为待测样气，通过对两组数据的差分处理再结合光谱 特性获得被测样气的浓度，以实现对环境中二硝基苯 气体的检测。 2.2 信息获取 2.2.1 太赫兹光谱信息获取 太赫兹时域光谱仪通过扫描样品获得时域波形， 然后对其进行傅里叶变换，得到太赫兹波频谱。获得 的频谱信息包含了其他无关信息和噪声等影响因素， 需要对频谱数据进行预处理，包括数据平滑，减少噪 声，提高信噪比，对其频谱数据进行分析和处理，即 可得到被测样品介电常数、吸收系数、折射率等物理 特征信息。 1）太赫兹频域光谱 太赫兹时域光谱仪采集样品在时间轴上的波形，如 图 2 所示，是运用作者农业太赫兹光谱与成像实验室的 THz 仪器（Menlo Systems，TERA K15，Germany）在室 温下，连续冲入氮气，采集到的一个典型的参考波形。 时域波形需要经过傅里叶变换得到频域曲线，进而分析 样品的频谱结构和变化特征，如图 3 所示，是参考波形 经傅里叶变换后得到的频域波形。对频域谱进行平滑去 噪等光谱预处理方式，提取频域谱中的特征频段下的光 谱信息，然后根据样品在不同频段下的不同频谱特征， 对样品进行特征分析和识别检测，包括对样品组分的定 性分析、定量检测、杂质含量检测和异物鉴别等。图 4 是对一个植物叶片进行太赫兹二维逐点扫描后，获取 0.8 THz 单频下的成像图，后续可运用图像处理技术进行 叶脉等信息的有效提取。 图 2 参考时域谱 Fig.2 Reference spectra in THz time domain 图 3 参考频域谱 Fig.3 Reference spectra in THz frequency domain 图 4 0.8 THz 下的植物叶片太赫兹成像 Fig.4 THz image of a plant leaf at 0.8 THz 2）太赫兹吸收系数谱 为进一步研究样品在太赫兹波段的光谱吸收特征， 可根据样品的频域强度，计算出样品在特定频域范围内 的吸收系数，从而获得样品在单位厚度下的吸光度。极 性分子、生物大分子等物质在太赫兹波段具有不同的光 谱特征吸收指纹特性，根据被测样品的特征吸收峰可以 有效的判别被测样品的组分。如图 5 所示，为作者在运 用实验室条件测量的葡萄糖分子在太赫兹波段的吸收系 数谱，可以看到，葡萄糖分子在太赫兹波段具有明显的 吸收峰。 图 5 葡萄糖固体粉末的吸收系数曲线 Fig.5 Glucose of solid powder absorption coefficient curve 2.2.2 太赫兹成像信息获取 太赫兹成像系统相比于太赫兹时域光谱系统，增加 了图像处理装置和扫描控制装置，通过提取太赫兹的反 射或透射信息，获得物体的三维数据信息，然后对物体 的三维信息集合实现重构。现阶段，对样品太赫兹信息 重构的方法主要有飞行时间成像，时域最大值、最小值、 峰值成像，特定频率振幅成像，功率谱成像和脉宽成像 等。提取样品在某一点特定频率、时域最大值、最小值 等特征数据进行三维图像重构。太赫兹成像系统包括太 赫兹逐点扫描成像系统、太赫兹实时焦平面成像系统
农业工程学报(hip:/www.tcsae.o) 2018年 太赫兹波计算机辅助层析成像系统、连续波成像系统， 的特征吸收峰， 根据多元线性回归方法建立D简萄糖含 近场成像系统等 通过成像系统得到的图像数据需 量的预测模 顶相关系数为0.9927。 要经过处理，速美红等利用空间图样成份分析方法对 3.2农产品质量检测方面应用研究 采集到的玉米种子的太赫兹像进行处理，区分识别了不 在农产品质量与安全领域，学者们也开展了太赫兹 同样品的太赫兹图像 光谱技术的应用研究。核桃是 种高营养价值的食品 2,2.3 太赫滋数据优代 对于虫蛀，霉变的核桃，营养成分发生了较大变化，戚 由于受设备木本身性能、样品制备参数及测试环境等 浓叶等利用太赫兹光谱技术检测核桃的霉变变质情 方面的影响，实验采集的样品太赫兹光谱数据信息往往 况，通过对虫蛀、霉变、正常核桃壳、仁标样采集太赫 存在分辨率低、噪声高抖动漂移等问题，需要对太赫兹 兹时域谱图，从化学指标分析得出虫蛀或莓变的核桃壳 光请数据信息进行优化以提高数据的信噪比和可靠性。 仁与正常核桃壳仁的太赫兹波谱存在差异，为今后剔除 马帅等利用SG滤波器对太林兹光语测试过程中产 变质核桃、实现无损分级提供依据：沈晓晨等利用及 噪声等问题进行滤波处理，降低数据噪声： 对于光谱 赫兹光谱技术鉴别转基因与非转基因棉花种子 据点不同的问题，选取相同频段的光谱数据， 米用三 与非转基因对太赫兹光谱有不同的响应，能用来有效鉴 样条插值的方法得到相同数据点数。涂闪等]采集到桥 别转基因与非转基因棉种：葛宏义等到通过对霉变 花种子的太赫兹光谱数据点数较 为了使FFT变换足 蛀、发芽及正常小麦采集太赫兹时域光，再利用傅里 曲线更光符，先对原始数据进行了补零处理。徐利民等 叶变换及计算获得THz吸收系数和折射率， 通过吸收 用空域滤波、高斯平滑、频域滤波和边缘检测等图传 数和折射率， 以及等征语的不同进行列别分析 为储相 降噪和图像增强技术对太赫兹图像进行处理， 有爱克 品质检测和分析提供新的方法 廉飞宇等 利用太赫盈 成像系统的噪声、 宙明等 光语测量大豆油及热 大豆油在0 3.0Hz段范用内函 种局部信息模糊聚类的图像算法对太赫蕊成像进行 时域光谱， 并对其折射率和吸收系数进行分析 图像分割，充分利用局部空间信息和局部灰度信息 折射率和吸收系数都有明显差异 熟油的平均折射率为 以较好的描述模糊性，从而克服太赫兹图像边缘模糊 17,植物油的平均折射率为 6 油的吸收特性曲线 随机噪 条纹噪声等干扰，得到了轮哪完整、精度较 化明显 且存在明显的特征 袖的陵收特性曲线 高的样品太赫兹图像。 变化平稳 无明显特征蜂 该研究成果可以快速准确的 3太赫兹技术在农业领域研究进展 区分植物油和熟油：Janse 利用太赫兹图像信息检测 巧克力中的掺杂物 通过扫描巧克力， 可以清楚的到 3.1生物大分子检测方面应用研究 在巧克力中的玻璃碎片 太赫兹光谱技术能区分可 太赫兹辐射是 一种新刑的远红外相干辐射顺，折年 克力中的掺杂物 例知坚果等其他成分：Redo-Sanche 来，结合T也光谱的独特性能，运用T设备对蛋白质、 利用太 光谱检测食品中抗生素的残留， 1种 糖类、DNA等生物大分子检测的探索研究得到了广泛的 素中有8种抗生素有指纹光谱 有两抗 东和动物 应用，特别是在：生物分子的结构和动力学特性等方面君 饲科 码鱼 仍粉混合后能被 测出来 说明太赫 在较大的应用潜力。蛋白质属于大分子物质 要单 光请在检测食品中抗生素残留方面有 潜力 是氨基酸。对氨基酸分子讲行Hz光携测定 士要方 卢承振等利用太 是采用氨基酸粉末与聚乙烯混合压片后进行Tz光谱测 大山分 量，得到氨基酸分子的指纹普库糊 太林兹技术在糖为 康师傅、 屈臣氏 自来水的太 政光图 进行矧 的检测中也得到广泛的应用研究， 马路善等 通太材 数值分机 对比分析吸收系数和折射率的变化 兹技术获取D-葡萄糖、D-核糖、乳鹅等的光谱特性， 得出去离子水最纯净 自来水杂质校多 司的糖在太赫滋测量波段的吸收在在明显差异，D-上核 特征区分了不同的水质 舫在074和11TH2,D-省萄转在144THz,-羽糖 谱的水太赫兹光学参数误差 得出多次测量引入的随机 合物在0.53和1.38TH2处分别存在特征吸收峰，B乳糖 天左在 0.1 THz范围内基 而接 0 在121和138下Hz处在在两处特征吸收峰。孙恰零等 1.1H 处写引入的随机左变大 利用太赫滋时域光谱系统测量了不国血凝素蛋白及其上 THz-TDS 仪器的测量灵敏度下降及高阻S引 片厚度和S 特异性抗体、无关抗体对照组反应的透射光谱， 并利用 折射率引起的 刘欢等 用Hz光对水分的感 主成分分析方法计算血凝素与光谱数据相关性为 量十中的水分 对测得的折射率和吸收谱与饼干中 08965。Ak等利用太赫滋光著技术测了不后 水分含量建立线性关系及模型 研究表明利用太赫兹技 二披分子的水合状杰。研究表明太赫兹光普技术能测昂 术测量饼干中水分具有 水合作用随时间的变化过程.被体中水分子状态的改对 物质检测灵敏， 当物质中混合了杂质 和溶液中的很多物理现象有关，可以详细描述溶液中多 混合物的太赫兹光谱图会发生明显的变化，Haddad等 种物理化学变化。李斌等例利用太赫兹技术对D-葡萄糖 分别检测了乳糖、果糖、柠檬酸以及三者混合物的太 讲行定性定量分析，D葡萄糖在太赫兹频域段且有明显 兹光请图，分别检测3种纯物质时， 三者的太赫兹吸收 10042018 onic Publishing House enki.ne
4 农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2018 年 太赫兹波计算机辅助层析成像系统、连续波成像系统、 近场成像系统等[38-39]。通过成像系统得到的图像数据需 要经过处理，逯美红等[40]利用空间图样成份分析方法对 采集到的玉米种子的太赫兹像进行处理，区分识别了不 同样品的太赫兹图像。 2.2.3 太赫兹数据优化 由于受设备本身性能、样品制备参数及测试环境等 方面的影响，实验采集的样品太赫兹光谱数据信息往往 存在分辨率低、噪声高抖动漂移等问题，需要对太赫兹 光谱数据信息进行优化以提高数据的信噪比和可靠性。 马帅等[41]利用 S-G 滤波器对太赫兹光谱测试过程中产生 噪声等问题进行滤波处理，降低数据噪声；对于光谱数 据点不同的问题，选取相同频段的光谱数据，采用三次 样条插值的方法得到相同数据点数。涂闪等[42]采集到棉 花种子的太赫兹光谱数据点数较少，为了使 FFT 变换后 曲线更光滑，先对原始数据进行了补零处理。徐利民等[43] 运用空域滤波、高斯平滑、频域滤波和边缘检测等图像 降噪和图像增强技术对太赫兹图像进行处理，有效克服 了成像系统的噪声、激光功率抖动等影响。雷萌等[44]利 用一种局部信息模糊聚类的图像算法对太赫兹成像进行 图像分割，充分利用局部空间信息和局部灰度信息，可 以较好的描述模糊性，从而克服太赫兹图像边缘模糊、 随机噪声、条纹噪声等干扰，得到了轮廓完整、精度较 高的样品太赫兹图像。 3 太赫兹技术在农业领域研究进展 3.1 生物大分子检测方面应用研究 太赫兹辐射是一种新型的远红外相干辐射源，近年 来，结合 THz 光谱的独特性能，运用 THz 设备对蛋白质、 糖类、DNA 等生物大分子检测的探索研究得到了广泛的 应用，特别是在生物分子的结构和动力学特性等方面存 在较大的应用潜力。蛋白质属于大分子物质，主要单位 是氨基酸，对氨基酸分子进行 THz 光谱测定，主要方法 是采用氨基酸粉末与聚乙烯混合压片后进行 THz 光谱测 量，得到氨基酸分子的指纹谱库[45]。太赫兹技术在糖类 的检测中也得到广泛的应用研究，马晓菁等[46]通过太赫 兹技术获取 D-葡萄糖、D-核糖、乳糖等的光谱特性，不 同的糖在太赫兹测量波段的吸收存在明显差异，D-(-)-核 糖在 0.74 和 1.1 THz，D-葡萄糖在 1.44 THz，α-乳糖一水 合物在 0.53 和 1.38 THz 处分别存在特征吸收峰，β-乳糖 在 1.21 和 1.38 THz 处存在两处特征吸收峰。孙怡雯等[47] 利用太赫兹时域光谱系统测量了不同血凝素蛋白及其与 特异性抗体、无关抗体对照组反应的透射光谱，并利用 主成分分析方法计算血凝素与光谱数据相关性为 −0.896 5。Arikawa 等[48]利用太赫兹光谱技术测量了不同 二糖分子的水合状态，研究表明太赫兹光谱技术能测量 水合作用随时间的变化过程，液体中水分子状态的改变 和溶液中的很多物理现象有关，可以详细描述溶液中多 种物理化学变化。李斌等[49]利用太赫兹技术对 D-葡萄糖 进行定性定量分析，D-葡萄糖在太赫兹频域段具有明显 的特征吸收峰，根据多元线性回归方法建立 D-葡萄糖含 量的预测模型，预测相关系数为 0.992 7。 3.2 农产品质量检测方面应用研究 在农产品质量与安全领域，学者们也开展了太赫兹 光谱技术的应用研究。核桃是一种高营养价值的食品， 对于虫蛀，霉变的核桃，营养成分发生了较大变化，戚 淑叶等[50]利用太赫兹光谱技术检测核桃的霉变变质情 况，通过对虫蛀、霉变、正常核桃壳、仁标样采集太赫 兹时域谱图，从化学指标分析得出虫蛀或霉变的核桃壳 仁与正常核桃壳仁的太赫兹波谱存在差异，为今后剔除 变质核桃、实现无损分级提供依据；沈晓晨等[51]利用太 赫兹光谱技术鉴别转基因与非转基因棉花种子，转基因 与非转基因对太赫兹光谱有不同的响应，能用来有效鉴 别转基因与非转基因棉种；葛宏义等[52]通过对霉变、虫 蛀、发芽及正常小麦采集太赫兹时域光谱，再利用傅里 叶变换及计算获得 THz 吸收系数和折射率，通过吸收系 数和折射率，以及特征谱的不同进行判别分析，为储粮 品质检测和分析提供新的方法。廉飞宇等[53]利用太赫兹 光谱测量大豆油及熟大豆油在 0～3.0 THz 波段范围内的 时域光谱，并对其折射率和吸收系数进行分析，它们的 折射率和吸收系数都有明显差异，熟油的平均折射率为 1.7，植物油的平均折射率为 1.6，熟油的吸收特性曲线变 化明显，且存在明显的特征峰，植物油的吸收特性曲线 变化平稳，无明显特征峰，该研究成果可以快速准确的 区分植物油和熟油；Jansen 等[4]利用太赫兹图像信息检测 巧克力中的掺杂物，通过扫描巧克力，可以清楚的看到 在巧克力中的玻璃碎片，通过太赫兹光谱技术能区分巧 克力中的掺杂物，例如坚果等其他成分；Redo-Sanchez 等[54]利用太赫兹光谱检测食品中抗生素的残留，11 种抗 生素中有 8 种抗生素有指纹光谱，有两种抗生素和动物 饲料，鸡蛋粉，奶粉混合后能被检测出来，说明太赫兹 光谱在检测食品中抗生素残留方面有一定潜力。 水在太赫兹波段有强烈的吸收峰，卢承振等利用太 赫兹光谱对不同水进行鉴别，采集去离子水、农夫山泉、 康师傅、屈臣氏、自来水的太赫兹时域光谱图，进行频 域变换、数值分析，对比分析吸收系数和折射率的变化， 得出去离子水最纯净，自来水杂质较多，并且通过曲线 特征区分了不同的水质。李向军等[55]研究反射式时域光 谱的水太赫兹光学参数误差，得出多次测量引入的随机 误差在 0.1～1.1 THz 范围内基本不变，而接近 0.1 和 1.1 THz 处引入的随机误差变大，误差主要是由于 THz-TDS 仪器的测量灵敏度下降及高阻 Si 片厚度和 Si 折射率引起的。刘欢等[56]利用 THz 光谱对水分的敏感性 测量饼干中的水分，对测得的折射率和吸收谱与饼干中 水分含量建立线性关系及模型，研究表明利用太赫兹技 术测量饼干中水分具有一定可行性。 太赫兹对单一物质检测灵敏，当物质中混合了杂质， 混合物的太赫兹光谱图会发生明显的变化，Haddad 等[57] 分别检测了乳糖、果糖、柠檬酸以及三者混合物的太赫 兹光谱图，分别检测 3 种纯物质时，三者的太赫兹吸收
第2期 李斌等：太幕兹技术及其在农业领域的应用研究进展 5 峰明显，乳糖有4个吸收峰，分别是0.53、1.19、137和 变光照条件时，简萄藤中水分含量随之变化，为验证太 181THz,果糖有3个吸收峰，分别是13、173和213 林蕊反树信号强度在一定程度上和光合作用以及植物团 Tz,柠檬酸有3个吸收峰，分别是1.29、1.7和2.4Tz 皮部运输养分有关，截断葡萄藤的筛管，太赫兹反射 三者混合物的吸收修发生了变化，并不仅仅是三若吸以 度布之发生较大变化：lordens等开究了 一种电磁模型 峰的单独叠加，利用这一特征，可以检测出纯净的样品 在太赫兹波段测量叶片的电导率，利用该模型可以准碗 中是否含有掺杂物。 的测量咖啡叶片中的水含量，若能确定其他固体植物材 3.3土壤大气检测方面的应用研究 料参数，该模型也能适用于其他植物叶片的水分含量检 农田环境（土壤、大气）中的重金属、水分、有机 测中：Breitenstein等s将太赫兹技术应用于叶片水分检 物等物质含量与我们的生活密切相关，太赫兹技术在检 测中，验证了太赫兹技术检测叶片水分含量的可行性 测土璃大气质量方面也有了较多研究发展，夏佳欣等 测量咖啡叶片在脱水和垂新水合过程中的太赫兹光谐变 利用太赫兹光请技术测最土的含水量 在土病含水量 化，并测量了失水时间长短的太赫兹光请曲线 研究表 为0一10%范围内，样品对太赫兹吸收较少，信噪比较高 明太赫兹光谱透过率与水分含量有较大的关系 当叶片 光谱测量结果与称重法测量结果相比误差小于1%，整体 水分诚少时，太赫兹透射率增加。龙园等 利用太赫刻 测量误差范围小于3%，相比于中子法和TDR法，由于 技术获取离体绿萝叶片的时域谱成像和频域谱成像， 太赫兹波相对于高频电磁波对水史敏感 波长更短， 步探讨了叶片含水量和太赫兹成像的相关关系， 并比较 赫兹测量精度更高：李斌等四利用太赫兹光谱技术检测」 了相关回归模型，结果表明，时域最小值与叶片水分含 壤中重金属含量，配制了含铅、 铬、锌、4种重金 量建立的模型预测效果最优：Gente等6 提出 种基 的土壤样品，采集样品的太蒜兹光谱曲线 对光著曲丝 透射太赫兹时域光谱数据测定叶片体积含水量的方法， 进行平滑，标准化等预处理过程， 利用偏最 乘法和 通过有效介质模型参数的选代优化， 得到 与重力法 遗传算法分别对样品进行建模， 研究表明太光语 最叶片含水最相似的结果。 术在预测十中重合属含量方面且有 定的可行件：赵 植物叶绿体类囊体膜中含有叶绿素a 叶绿素b和日 春喜对士壤中的有机污染物滴滴涕 七 毗虫啡等 胡萝卜素等色素 这些色素的含量均会影响植物光合作 进行太赫兹光请检测， 含有机污染物样品泥土与聚乙 用。而太赫蕊光谱对这些生物分子的集体振动模变化非 混合后3种样品在0.2~1.8T出范围内都有明显的吸收 常敏感，在研究生物大分子构象柔性及构型变化上已得 蜂，太赫兹光谱可以用米检测土壤中有机污染物：Dvor 到初步运用s。张帅等例探究了叶绿素a和B-胡萝卜素 等利用太赫兹光谱技术可以对不同的土宽样品进行区 的太赫兹光谱和可见光谱以及它们在光迫下的变化情 分， 测量了土袋中的水分、有机物、 悬浮是在不同 况结果表明，在光胁迫下叶绿素a和B-胡萝下素的远 太赫兹烦段下的反射强度， 同时利用图像的方法分析 射光诺和吸收光诺均在光照15min时变化最大 说明此 藏在土壤中的3种物质 太赫滋图像技术可以清楚的对 时的集体振动模变化最大。此外在光胁迫 叶绿素 这3种物质的形态、 位置和大小进行成像」 在可见区的吸收强度下降，表明叶绿素a分子发生了降 胡颖等61采集了大气中 氧化碳的太赫光图图 解。蒋玲等和研究了马尾松松针叶绿素和市售叶绿素 结果发现 氧化碳在0.2 25THz范围内呈现多个 和b标准样的太赫兹光请。结果发现其均在2.86TH频 收峰，在1.5THz附近处的吸收峰最强 利用太赫效光 段出现包络吸收峰，然后利用密度泛函理论验让了叶氨 仪测得的吸收峰位置与 O的理论模拟结果 一致， 素a在2.86THz频段的包络吸收峰是由于叶绿素分子内 步正明 氧化碳的组成足 的卟琳环和叶绿醇的振动和转动。 由于理论计算与实验 3.4植物生理检测方面的应用研究 采田的叶绿素品体结物存在差异，使得计算的叶绿素 水分含量是植物体的 项重生理指环 准确检测 分子虽然在2.86THz频段有吸收峰，但未呈现包络吸 出植物各个生长阶段的水分含量， 对于合理指导灌 收特性，该研究对太赫兹光谱后续用于植物体内叶绿 提高灌渐效率具有重要意义。太赫兹技术对水分敏感 素等分子在线观测与有效鉴别提供了可行手段」 其惧水特性在农业应用中会很有帮助： 可利用这 特 进行农作物的含水量检测研究。 Castro-Camus 等研 结论与展望 了拟南芥叶片中的水分动态变化， 通过太赫兹光谱测量 A1结论 叶片中的水分含量，发现叶片中水分含量与光照 水分 太赫兹光普是近年发展起来的一种新型光谱探测 灌藏、脱洛酸治疗有密切关系， 在不同含水量的基质中 术。世界各国研究学者都积极开展其在冬个领域的应用 长 当停止水分给以后，叶片中水分流失速度不 探索研究工作，在农业领域也取得了较好研究进展。本 在光照和黑暗条件下，叶片中水分含量不 文系统性地介绍了太赫兹产生与探测原理、样品制备 喷酒脱落酸以后，由于气孔变化导致叶片中水分含量变 时频域数据采集与处理、时域数据分析与建模等方法 化：Santesteban等6利用太抹兹技术测量葡萄藤中水分 理论体系，然后综述太赫兹技术在农业领域研究进展。 含量，通过3组不同的实验检测葡萄藤中的水分含量， 为后续研究工作供参考 当灌溉条件不同时，葡萄藤的水分含量变化很明显，改 随若超快激光电路硬件的快速发展，太赫兹技术由于 1994-2018 China Academic Journa Electronic Publis ing louse.All rights reserved. www.cnki.ne
第 2 期 李 斌等：太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展 5 峰明显，乳糖有 4 个吸收峰，分别是 0.53、1.19、1.37 和 1.81 THz，果糖有 3 个吸收峰，分别是 1.3、1.73 和 2.13 THz，柠檬酸有 3 个吸收峰，分别是 1.29、1.7 和 2.4 THz， 三者混合物的吸收峰发生了变化，并不仅仅是三者吸收 峰的单独叠加，利用这一特征，可以检测出纯净的样品 中是否含有掺杂物。 3.3 土壤大气检测方面的应用研究 农田环境（土壤、大气）中的重金属、水分、有机 物等物质含量与我们的生活密切相关，太赫兹技术在检 测土壤大气质量方面也有了较多研究发展。夏佳欣等[58] 利用太赫兹光谱技术测量土壤的含水量，在土壤含水量 为 0～10%范围内，样品对太赫兹吸收较少，信噪比较高， 光谱测量结果与称重法测量结果相比误差小于 1%，整体 测量误差范围小于 3%，相比于中子法和 TDR 法，由于 太赫兹波相对于高频电磁波对水更敏感，波长更短，太 赫兹测量精度更高；李斌等[2]利用太赫兹光谱技术检测土 壤中重金属含量，配制了含铅、铬、锌、镍 4 种重金属 的土壤样品，采集样品的太赫兹光谱曲线，对光谱曲线 进行平滑，标准化等预处理过程，利用偏最小二乘法和 遗传算法分别对样品进行建模，研究表明太赫兹光谱技 术在预测土壤中重金属含量方面具有一定的可行性；赵 春喜[59]对土壤中的有机污染物滴滴涕、七氯、吡虫啉等 进行太赫兹光谱检测，含有机污染物样品泥土与聚乙烯 混合后 3 种样品在 0.2～1.8 THz 范围内都有明显的吸收 峰，太赫兹光谱可以用来检测土壤中有机污染物；Dworak 等[60]利用太赫兹光谱技术可以对不同的土壤样品进行区 分，测量了土壤中的水分、有机物、磁悬浮颗粒在不同 太赫兹频段下的反射强度，同时利用图像的方法分析了 藏在土壤中的 3 种物质，太赫兹图像技术可以清楚的对 这 3 种物质的形态、位置和大小进行成像。 胡颖等[61]采集了大气中一氧化碳的太赫兹光谱图， 结果发现，一氧化碳在 0.2～2.5 THz 范围内呈现多个吸 收峰，在 1.5 THz 附近处的吸收峰最强，利用太赫兹光谱 仪测得的吸收峰位置与 12C16O 的理论模拟结果一致，进 一步证明一氧化碳的组成是 12C16O。 3.4 植物生理检测方面的应用研究 水分含量是植物体的一项重要生理指标，准确检测 出植物各个生长阶段的水分含量，对于合理指导灌溉， 提高灌溉效率具有重要意义。太赫兹技术对水分敏感， 其惧水特性在农业应用中会很有帮助：可利用这一特性 进行农作物的含水量检测研究。Castro-Camus 等[62]研究 了拟南芥叶片中的水分动态变化，通过太赫兹光谱测量 叶片中的水分含量，发现叶片中水分含量与光照、水分 灌溉、脱落酸治疗有密切关系，在不同含水量的基质中 生长，当停止水分供给以后，叶片中水分流失速度不一 样，在光照和黑暗条件下，叶片中水分含量不一样，当 喷洒脱落酸以后，由于气孔变化导致叶片中水分含量变 化；Santesteban 等[63]利用太赫兹技术测量葡萄藤中水分 含量，通过 3 组不同的实验检测葡萄藤中的水分含量， 当灌溉条件不同时，葡萄藤的水分含量变化很明显，改 变光照条件时，葡萄藤中水分含量随之变化，为验证太 赫兹反射信号强度在一定程度上和光合作用以及植物韧 皮部运输养分有关，截断葡萄藤的筛管，太赫兹反射强 度随之发生较大变化；Jördens 等[64]研究了一种电磁模型 在太赫兹波段测量叶片的电导率，利用该模型可以准确 的测量咖啡叶片中的水含量，若能确定其他固体植物材 料参数，该模型也能适用于其他植物叶片的水分含量检 测中；Breitenstein 等[65]将太赫兹技术应用于叶片水分检 测中，验证了太赫兹技术检测叶片水分含量的可行性， 测量咖啡叶片在脱水和重新水合过程中的太赫兹光谱变 化，并测量了失水时间长短的太赫兹光谱曲线，研究表 明太赫兹光谱透过率与水分含量有较大的关系，当叶片 水分减少时，太赫兹透射率增加。龙园等[66]利用太赫兹 技术获取离体绿萝叶片的时域谱成像和频域谱成像，初 步探讨了叶片含水量和太赫兹成像的相关关系，并比较 了相关回归模型，结果表明，时域最小值与叶片水分含 量建立的模型预测效果最优；Gente 等[67]提出了一种基于 透射太赫兹时域光谱数据测定叶片体积含水量的方法。 通过有效介质模型参数的迭代优化，得到了与重力法测 量叶片含水量相似的结果。 植物叶绿体类囊体膜中含有叶绿素 a、叶绿素 b 和β -胡萝卜素等色素，这些色素的含量均会影响植物光合作 用。而太赫兹光谱对这些生物分子的集体振动模变化非 常敏感，在研究生物大分子构象柔性及构型变化上已得 到初步运用[68]。张帅等[69]探究了叶绿素 a 和β-胡萝卜素 的太赫兹光谱和可见光谱以及它们在光胁迫下的变化情 况。结果表明，在光胁迫下叶绿素 a 和β-胡萝卜素的透 射光谱和吸收光谱均在光照 15 min 时变化最大，说明此 时的集体振动模变化最大。此外在光胁迫下，叶绿素 a 在可见区的吸收强度下降，表明叶绿素 a 分子发生了降 解。蒋玲等[70]研究了马尾松松针叶绿素和市售叶绿素 a 和 b 标准样的太赫兹光谱。结果发现其均在 2.86 THz 频 段出现包络吸收峰，然后利用密度泛函理论验证了叶绿 素 a 在 2.86 THz 频段的包络吸收峰是由于叶绿素分子内 的卟啉环和叶绿醇的振动和转动。由于理论计算与实验 采用的叶绿素晶体结构存在差异，使得计算的叶绿素 b 分子虽然在 2.86 THz 频段有吸收峰，但未呈现包络吸 收特性，该研究对太赫兹光谱后续用于植物体内叶绿 素等分子在线观测与有效鉴别提供了可行手段。 4 结论与展望 4.1 结 论 太赫兹光谱是近年发展起来的一种新型光谱探测技 术，世界各国研究学者都积极开展其在各个领域的应用 探索研究工作，在农业领域也取得了较好研究进展。本 文系统性地介绍了太赫兹产生与探测原理、样品制备、 时频域数据采集与处理、时频域数据分析与建模等方法 理论体系，然后综述太赫兹技术在农业领域研究进展， 为后续研究工作提供参考。 随着超快激光电路硬件的快速发展，太赫兹技术由于