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第八章 太赫兹遥感
第八章 太赫兹遥感
8.1 相关介绍
长久以来,分子化学、天文学、等离子诊断等一直是人们研究的重点领域。
然而,近年来随着太赫兹技术的兴起,以及它那广阔美好的应用前景如全球反恐、
医学成像等相关的基础应用,使其逐渐成为研究的焦点。太赫兹遥感也随之诞生
了,但它离实际应用,尚有一段距离。和其他频段的遥感技术一样,太赫兹遥感
现在还存在着许多亟待解决的难关,如传感器的结构和形式、自由空间中的电磁
效应、太赫兹源和探测器、信号处理以及信号传输等。
图 8-1 太赫兹传感器的分类
8.1.1 研究背景
自从“9·11”事件爆发之后,恐怖主义威胁向全世界范围内蔓延,再加上全
球温室效应的日趋严重,遥感领域又面临着一次千载难逢的发展良机。现在恐怖
袭击的手段已经多样化,从导弹袭击到生化武器无所不用,杀伤程度也越来越高,
如何应对这种情况,已经成为世界各国关系的问题。太赫兹遥感技术就是一种能
够对恐怖袭击起到预警作用的技术。
本章对不同结构的太赫兹遥感器进行了对比。在过去的十年间,多种新型太
赫兹遥感器成功研制并投入实用,它们在很多方面已经超越了传统类型的太赫兹
遥感器。例如采用有源太赫兹传感器进行探测隐蔽的武器,或用无源焦平面太赫
兹传感器阵列进行全天候成像。另外,利用太赫兹相关遥感技术可以远程探测到
空气中传播的有毒生物颗粒,探测和鉴定隐藏枪支和违禁物品以及引导航天器全
天候着陆等。
8.1.2 传感器系统
太赫兹技术之所以还没有被广泛的应用于商业和军事系统,最主要的原因就
是缺少性能良好的太赫兹源;另外就是太赫兹通过地球的大气层衰减很严重。其
三,就是没有很好的太赫兹探测器。
利用太赫兹传感系统可以感测到来自物体的空间透射(或反射)信号。如果
以传感器的特性为标准对它们进行分类,则可以有三种分类标准:(1)遥感基准
距(探测器和被探测物质之间的距离)。(2 )太赫兹辐射源,即发射源。(3 )太
赫兹辐射接收,即探测器。它们分别对应于图 8-1 中的传感器层级图。对于点传
感器来说,被探测物被放在离传感器很近的地方,太赫兹从发射极发出。发射极
可以是相干的也可以是非相干的。典型的太赫兹点传感器就是傅立叶变换光谱
仪,它的发射极是非相干的。而典型的具有相干源的太赫兹点探测器就是网络分
析器(network analyzer ),它可以是矢量也可以是标量。由于点传感器和被测物
体相距太近,所以几乎全部的传输功率都直接从被测物体透过或反射回来,因而
点传感器实际所需的传输功率值很小。
对于遥感器来说,被测物和传感器之间的间距相对较大,这就意味着只有很
少一部分的传输功率才能达到被测物体。如果这一小部分传输功率能被探测器接
收到,则这种方式就是主动式探测,所对应的探测器可称为雷达。但是太赫兹波
源的发射功率较低,以及大气层对太赫兹波有强烈的吸收作用,从而限制了太赫
兹雷达的发展,所以太赫兹探测系统可以选择另一种模式-被动式探测。如果非
相干辐射强度足够大,它就能被远程探测器所接收。典型的被动式太赫兹遥感器
就是总功率辐射计(total power radiometer ),它经常被用于测量大气层中的示踪
气体和来自于星际媒质的辐射线。被动式系统的优点很明显,源辐射为自由辐射。
其不足之处在于大气衰减和衰退效应对遥感器的性能发挥有很大的影响。
传感器类型分类的第三种标准就是探测器。探测器和发射器都是只有两种:
相干的和非相干的。其中,相干式探测器又可分为:外差式(heterodyne )和零
差式(homodyne ),而非相干式探测器也可分为:功率探测和光子探测。如图 8-1
所示,通常情况下,相干(非相干)发射器是和相干(非相干)探测器配套使用
的。但是,用相干探测器来接收非相干信号(白噪声)的话,它能够过滤掉的信
号中的傅立叶分量,即与本机振荡器波形相干的信号部分。
8.1.3 太赫兹固态设备
对太赫兹波段的研究包括:被动式准光学元件,固态探测器的量子效应以及
独特的相干源等。
常温下,工作频率在太赫兹波段的任何系统,都有两个非常显著的物理特征。
第一,常温下的太赫兹光子能量hν远小于玻尔兹曼常数k T。第二,在太赫兹z
B
波段,半导体中的电子与空穴的经典作用(漂移和弥散)消失,电磁波和半导体
之间的耦合作用减弱。总
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