空间探测中的高灵敏度太赫兹探测技术_林栩凌.docx

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1、2013年月第二十六届全国空间探测学术研讨会海南博鳌磁层电离层热层耦合研究中的轨道大气探测李永平秦国泰陈华姣何玉梅吴阳中国科学院空间科学与应用研究中心北京）韩英北京石油化工大学北京）摘要磁层电离层热层耦合作为当今空间物理界的热点问题受到了人们持续的关注与研究本文围绕磁层电离层热层耦合小卫星星座探测计划介绍了国内外轨道大气探测情况阐述了热层中性大气对电离层和磁层的影响以及热层的探测需求描述了轨道大气探测载荷的性能指标。关键词大气探测热层电离层空间探测中的高灵敏度太赫兹探测技术林栩凌何宝琨王超，，北京空间机电研究所）摘要：太赫兹技术是最近二十年来新兴的研究领域太赫兹电磁波独特的特点令太赫兹技术在信

2、息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等诸领域有着重要的应用前景。空间探测的太赫兹波大多来源于星体气体或地面物体的辐射辐射信号的功率比探测器本身的噪声功率还要小得多因此在空间遥感探测领域太赫兹探测器的灵敏度是最为重要的技术指标之。介绍了空间遥感探测领域高灵敏太赫兹探测技术的原理及其国内外应用情况分析了大赫兹探测器件的最新研究进展和发展趋势。2013年月第二十六届全国空间探测学术研讨会海南博鳌关键词：太赫兹空间高灵敏探测引言太赫兹（波通常是指频率从到，波长从到范围，介于毫米波与红外之间的电磁波。太赫兹技术是最近二十年来由于超快激光技术的迅速发展而新兴的个研究领域，该领域涉及电磁学、光学、光电子学

3、、半导体物理学、材料科学以及微加工技术等多个科学，在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等诸领域有着重要的应用前景。从太赫兹技术的发展来看，真正促进太赫兹技术蓬勃发展的需求动力是人们渴望通过新的电磁波观察和探索宇宙和地球。美国国家航空航天局对于宇宙背景辐射的研究结果表明，在可观测的星系中，天体辐射到地球的电磁波中的大部分的光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段。此外地球大气中的许多气体分子在波段有谐振吸收线，因此可以用来检测大气中的特定成分，如大气中的水分、臭氧以及高层大气污染物质等。然而由于自然存在的波般来源于星体，气体或地面物体的热辐射，辐射强度比较弱，有时这些辐射信号的功

4、率比探测器本身的噪声功率还要小得多，因此在空间遥感探测领域太赫兹探测器的灵敏度是最为重要的技术指标之，需要高灵敏度的探测手段才能获取到相应的信息。、局灵敏度太赫兹丨米测技术太赫兹探测可分为主动探测和被动探测，太赫兹主动探测在空间探测中的直接应用还较少，目前主要研究还局限于地面实验研究。在太赫兹空间遥感探测领域，多数采用被动探测，被动探测技术可分为直接探测和外差探测技术。直接探测直接探测是直接将包括信息的光信号，利用光电探测器的光电转换功能实现信息解调的探测方式，响应的是信号的光强信息。如图所示，探测器同时探测到了信号辐射和背景辐射，太赫兹波经光学系统后聚焦在探测器上，引起电信号的变化，经放大器

5、后产生光电流信号。2013年月第二十六届全国空间探测学术研讨会海南博鳌太赫兹直接探测器的主要有测热辐射仪、探测器、热释电探测器和肖特基二极管。在空间遥感、天体物理等领域应用的直接探测方法主要是测热辐射仪，其工作原理是利用热敏电阻在受到热辐射时的阻值变化来测量辐射的强度。测热辐射仪可以在常温下工作，空间探测时为了提高灵敏度往往使其工作在低温环境下。光学系统類器放大器图直接探测原理示意图外差探测外差探测技术是将太赫兹信号频率下转换变为中频信号，保留了探测信号的振幅和相位的信息。如图所示，通过双工器将信号辐射和本地振荡信号非线性耦合，进入混频器进行差频，输出中频信号，相对于待测信号而言，该中频信号的

6、频率较低，容易用电子学的方法进行处理和放大，就可实现待测信息的获取。与直接探测相比，外差探测可以有效的将个弱信号和相对较强的本振混频，而且在有背景噪声的情况下可以把接收信号放大，因此这种探测方式的灵敏度很高。太赫兹混频器是太赫兹外差探测技术中的个重要部分。目前存在的太赫兹混频器有肖特基二极管混频器、超导结混频器和超导热电子热辐射混频器。本振源°中频放大器混频器双工器、图外差探测原理示意图肖特基二极管肖特基二极管混频器最大特点是不需要在低温环境中运行，但它需要较大的本征功率，且灵敏度较低。另外，随着频率的升高，对于肖特基二极管混频器来说，制作极小的波导元件是非常困难的。地球或其它行星的大气研究不

7、需要非常高的灵敏度，般用肖特基二极管混频器。超导超导混频器以光子辅助隧穿机制为理论基础。超导结混频器在以下具有高的灵敏度和接近量子极限的噪声温度。但由于超导能隙的限制，该器件的噪声温度在以上有明显的增加，最近超导混频器的频率范围已推进到。由于超导隧道结混频器接收机在太赫兹波的低噪声表现，所以在近些年的天体物理学的无线电观测中，它已逐渐取代传统的肖特基二极管混频器。虽然超导隧道结是低噪声混频接收机，