太赫兹波的特性及其应用（三）
——航天遥感技术
徐长发，华中科技大学，2019.9.15
所谓航天遥感是指，在航天器上装载遥感器，一种特殊的雷达，收集观测目标的辐射或反射的电磁波，除了获取一些常态的信息外，还要分析电磁波的频谱，获取并判认太空、大气、陆地或海洋环境信息的技术。
航天遥感是门综合技术，包括研究各种目标的电磁波的频谱特性，研制各种遥感系统，研究遥感信息记录、传输、接收、处理、分析、解译的方法，还要研究新的目标任务所需要的应用技术。
航天遥感的任务概括起来包括对地观测、地外探测两部分。
对地观测是航天遥感的主要任务，它是指对地球的观测，包括对地球大气圈、水圈、岩石圈和生态圈的观测，也可以概括为对大气、水域和陆地的观测及军事应用等。
地外探测可细分为天文观测和深空探测。天文观测是通过天文卫星实现的，天文卫星在距离地面数百千米或更高的轨道上观测，不受地球大气的影响，可以更灵敏接收到宇宙天体辐射出来的各种波段，包括可见光、红外、紫外、X射线、γ射线等电磁波，实现对宇宙天体和其他空间物质的观测。深空探测是通过深空探测器实现的，深空探测器是飞经、环绕、硬着陆或软着陆在天体（指月球和月球以外的天体）上，并利用遥感手段对天体进行观测。
为什么航天遥感中广泛使用太赫兹波？这是因为太赫兹波有几个特性可以被利用：
1.太赫兹波在太空中几乎是无损耗地传播。这有利于航天器之间的通信；有利于航天器接受和分析宇宙天体辐射出来的各种波段。
2.太赫兹波对大气层来说存在几个透明窗口，即波长为
3.太赫兹波可以穿透电离空气。当飞船、返回舱、导弹，从太空重返大气层时，由于空气摩擦，飞行器周围的空气被高温电离，这种电离空气的分子振动频率大于普通的通信电磁波的频率，普通的通信被这种屏障阻隔；但是，如果采用太赫兹波通信，太赫兹波的频率高于电离空气的振动频率，太赫兹波能够顺利地通过空气电离层，所以在这种情况下，太赫兹通信是惟一的选择。
一．太赫兹波在航天对地探测中的应用
大气中的主要吸收气体是水汽、氧气、二氧化碳气体，这些气体对0.1～1THz频段的电磁波会表现出明显的吸收光谱。
通过对水汽吸收谱线进行测量，可反演出大气湿度的垂直分布廓线。
利用太赫兹波段中许多分子具有特征吸收线的特点，可以探测大气成分，比如水汽、冰云、臭氧等，并借此可以给出与对流层和平流层中上升气流运动有关的信息，从而实现降水分布的监测。
由于太赫兹能够穿透烟雾，所以可用于检测大气中水分、氧气、氮化物、氯化物、二氧化碳等气体的含量及分布情况，以监测气候的“温室”效应。
1991年，美国发射了“上层大气观测卫星”。该探测器观察太赫兹波段的中心频率分别为63GHz、183GHz和205GHz。第一次测量了同温层中的臭氧、水汽、氧化氯等分子含量随大气压力变化的轮廓。
2004年，美国发射了“气味”（Aura）卫星，用于观测平流层和对流层，用于了解局部地区的空气污染将如何影响全球大气，同时探明全球大气化学成分及气候变化如何影响局地空气质量的。
附带说明，对地遥感有很多目的，对于不同的目的要采用不同的检测手段。
二．太赫兹技术在航天地外探测中的应用
在类星体的宇宙尘埃、彗星和行星中是否存在氧气、水和一氧化碳分子？由于从遥远星体上发射出来的太赫兹辐射很容易被接受到；因为星体发射的太赫兹辐射中一定含有这些元素的信息；这些元素的太赫兹光谱人们已经掌握得很清楚；所以只要把接收到的星体光谱和已知元素的光谱比对，就知道该星体上是否有哪些元素。
1983年，美国发射了世界上第一颗红外天文卫星，它的观测频率为2.5THz～37.5THz。
1990年，美国发射了太空哈勃天文望远镜。
1989年，美国发射了“宇宙背景探测者”COBE卫星，确立了宇宙大爆炸理论。
1995年，欧空局发射的“红外空间观测站”ISO，在频率1.25THz～150THz之间，去测定氢分子的同位素比例。
1998年，美国发射了“亚毫米波天文卫星”SWAS，探测宇宙星云间的氧分子、水分子、碳原子及一氧化碳分子发出的辐射。
2001年欧洲的瑞典，法国，芬兰等发射了Odin太赫兹波段卫星，用于天文及高层大气研究。观测频率范围为118.25GHz～119.25GHz，486.1GHz～503.9GHz及541.0GHz～580.4GHz，可以监测氯化物和臭氧层信息。
2004年，欧空局发射Rosetta深空探测卫星，它穿越了彗尾，研究彗星挥发物质，包括水汽、一氧化碳、氨、甲醇的含量，并通过特征谱线的多普勒频移，定量分析挥发物质从彗核逸散的速度。
2009年，美国发射了“宽视场红外巡天探测器”，寻找来自小行星、恒星和星系的天体热源。
2009年，欧空局发射了世界最大的太空天文台“赫歇尔”，主要任务为研究早期宇宙中星系的形成和演化，考察恒星是如何形成和演化的，以及它们与星际介质的相互联系等。
三．太赫兹波与天文地面望远镜
从地面观测外太空是人们早就进行的，世界很多地方都建立过天文望远镜，大部分是使用光学镜片的，也有一些是射电望远镜。无论是哪种类型的天文望远镜，基本上都大量的采用光谱分析方法去观测星体，例如采集某星体的光谱，分析它是否含有水、氢、一氧化碳等元素，用光谱的“红移”去分析星体的运动速度，等等。
中国于2016年9月建成了第一大的“射电望远镜FAST”；其口径有500米，30个足球大小面积；它有4450个活动的反射面板，能把接受到的电磁波共同聚焦于只有药片大小的接收器上，安装精度极高；它有40度的天顶角观测范围。
“射电望远镜FAST”，能采集到远在百亿光年外天体的射电信号，目前所能分析的电磁波的频段为70MHz—3GHz，其先进性至少能保持30年至50年的技术优势。
FAST目前的主要任务之一是寻找宇宙中的脉冲星。和其它天文台一起，现在已经发现了59颗脉冲星。
脉冲星本身并不光亮，但它两极的辐射束却很强大，目前人们只能用射电望远镜来观测脉冲星。
脉冲星之所以受到科学家们的重视，主要由于它质量大、自转周期稳定，脉冲星能在天文学中解释一些重要的问题。例如，脉冲星的分布就像宇宙中的坐标，用它可确定其它星体的位置；利用脉冲星分析引力，发现黑洞；在众多脉冲星中选出最稳定的、毫秒级脉冲的，这种脉冲信号可以应用于空间飞行器导航标准；
因为脉冲星是大质量恒星发生超新星爆炸后的致密残留物，所以脉冲星是探索宇宙、星系、银河系演化的标志星。
FAST能够分析宇宙星云的光谱，分析银河系、其它星系的演化过程；也能够为搜寻更多的奇异天体，观测寻找暗物质、暗能量提供帮助。
FAST是天文界的“世界第一天眼”，它的数据存储与复杂计算同样也是“天文级”的，它的工作有助于信息科学领域的广深发展。
人们会疑问，化那么多钱去搞天文，值吗？事实上，天文研究的发展一定伴随着各种科学方法的应用和发展，人们统计过，每年都有大量的日常生活设备是来源于太空项目的研究成果。
四.结束语
综上所述，太赫兹技术已在对地观测和地外探测领域有了一定的应用和发展，并且多年以来已经取得一些宝贵经验，展望未来，随着太赫兹技术的发展，其在航天遥感，特别是地外探测中的应用中 ，必将进一步拓展提高及广泛应用太赫兹技术。
现有的深空探测，包括各频段的频谱探测器，已拓展到了太赫兹频段。为了获得更加丰富的物质信息，未来会开发出频率更高的太赫兹频谱仪，其功能虽与现有的太赫兹频谱系统类似，但获得的是更宽频带内的信息，分析的内容会更多更详细。
高分辨率太赫兹雷达成像及识别、目标分析与探测、频谱监视以及高速大容量太赫兹通信等系统将是未来空间应用的重要发展方向。随着设备和技术的不断进步，太赫兹光谱分辨率将不断提高，可探测距离将不断加大，太赫兹空间探测技术会有更广阔的应用前景。
此文章版权归属徐长发所有
上一篇：流浪星有哪些特性
下一篇：太赫兹波的特性及其应用（四）