地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (1): 39 -56. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.005

大气海洋 上一篇    下一篇

太赫兹大气临边探测技术研究进展
王文煜(), 许健, 王振占(), 陆浩, 刘璟怡, 张德海   
  1. 中国科学院国家空间科学中心 微波遥感技术重点实验室，北京 100190
  • 收稿日期:2024-07-01 修回日期:2024-10-25 出版日期:2025-01-10
  • 通讯作者: 王振占 E-mail:wangwenyu@mirslab.cn;wangzhenzhan@mirslab.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(42105130)

Advances in Terahertz Atmospheric Limb Sounding Techniques

Wenyu WANG(), Jian XU, Zhenzhan WANG(), Hao LU, Jingyi LIU, Dehai ZHANG   

  1. Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
  • Received:2024-07-01 Revised:2024-10-25 Online:2025-01-10 Published:2025-03-24
  • Contact: Zhenzhan WANG E-mail:wangwenyu@mirslab.cn;wangzhenzhan@mirslab.cn
  • About author:WANG wenyu, research areas include microwave/terahertz atmospheric remote sensing. E-mail: wangwenyu@mirslab.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(42105130)
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地球中高层大气是研究大气过程乃至气候变化的重要区域，目前对中高层大气的长时间观测和数据分析仍然非常欠缺。太赫兹临边探测技术能够全天时、近乎全天候地获得较高垂直分辨率（1~5 km）的大气廓线，特别是对部分臭氧损耗相关的卤素气体敏感，成为测量地球中高层大气参数的重要手段。围绕太赫兹临边探测技术，系统回顾了太赫兹载荷的技术发展历程和现状：太赫兹临边探测已成功实现中高层大气中多种痕量气体的高垂直分辨率廓线测量，但现有载荷仍面临系统体积庞大、噪声抑制能力不足等瓶颈问题；基于最新预研的载荷方案，下一代太赫兹探测系统主要侧重于低噪声和小型化技术的发展；当前主流的物理反演算法计算效率较低，通过引入人工智能技术，可在保证精度的前提下显著提升反演效率；未来亟需突破太赫兹低噪声接收机和高分辨率数字谱仪等核心技术，进一步推动我国太赫兹临边探测技术的发展。

关键词: 太赫兹辐射计, 临边探测, 中高层大气

Long-term observations and data analysis of the Earth's middle and upper atmosphere, an important region for studying atmospheric processes and even climate change for studying human activities and climate change, are still insufficient. Terahertz limb-sounding technology can obtain atmospheric profiles all day and near all weather with high vertical resolution (approximately 1~5 km) and is particularly sensitive to some of the halogen gases associated with ozone depletion, making it an important method for measuring the Earth's middle and upper atmospheric parameters. The basic principles and advantages of terahertz limb sounding are summarized, the basic framework of the terahertz radiometer is introduced, the development of terahertz limb sounding technology domestically and internationally in the past three decades is discussed, the latest research status is reviewed, the future development direction is discussed, and terahertz limb sounding technology is summarized and outlooked to provide a reference basis for related research.

Key words: Terahertz radiometer, Limb sounding, Middle and upper atmosphere

中图分类号: 

图1 临边探测的卫星观测几何
Fig. 1 Satellite geometry for limb sounding
图2 典型分子吸收频率及线强［20］
Fig. 2 Line frequencies and intensities of typical molecules［20］
图3 太赫兹临边探测仪技术体制
Fig. 3 System diagram of terahertz limb sounder
表1 已发射的大气临边观测卫星及载荷信息
Table 1 Information on observation satellites and payloads launched
机构卫星/平台发射/停止时间携带载荷
NASAUARS1991年/2005年MLS
SNSA， CNES， CSAOdin2001年—SMR
NASAAura2004年—MLS
JAXAISS/JEM2009年/2010年SMILES
表2 UARS/MLS探测频率与探测目标
Table 2 UARS/MLS measurement frequencies and targets
辐射计探测频率/GHz探测目标
R162.5~64.0O2（温度）
R2182.7~184.5H2O、O3
R3204.1~206.4ClO、H2O2、O3和HNO3
表3 UARS/MLS系统参数
Table 3 UARS/MLS system parameters
仪器参数参数值
天线口径/m1.6
中心频率/GHz63、183和205
接收机DSB
混频器肖特基二极管（常温）
谱仪类型FBS
谱仪带宽/MHz510
谱分辨率/MHz2~128
垂直扫描范围/km5~95
扫描周期/s65
积分时间/s1.8
垂直视场/km3~9.5
系统噪声温度/K

63 GHz：400

183 GHz：900

205 GHz：990~1 530

重量/kg283
功耗/W162
表4 Odin/SMR探测频率与探测目标
Table 4 Odin/SMR measurement frequencies and targets
辐射计探测频率/GHz探测目标
A1541.0~558.0O3、H2O、HNO3和NO
A2486.1~503.9O2（温度）、O3、ClO、N2O、H2O和HNO3
B1563.0~581.4H2O2
B2547.0~564.0O3、CO、HO2和N2O
C1118.25~119.25O2（温度）
表5 Odin/SMR系统参数
Table 5 Odin/SMR system parameters
特性参数
天线口径/m1.1
中心频率/GHz549、495、555、572和119
接收机SSB
混频器肖特基二极管（制冷至140 K）
谱仪类型ACS和AOS
谱仪带宽100~800 MHz，1 GHz
谱分辨率/MHz0.125~1.000，1.000
垂直扫描范围/km5~110
扫描周期/min2
积分时间/s0.875~3.500
垂直视场/km1.6~6.0
系统噪声温度/K

119 GHz：600（SSB）

495 GHz：3 300（SSB）

561 GHz：3 300（SSB）
图4 Aura/MLS载荷及观测示意图（https：//mls.jpl.nasa.gov/eos/instrument.php）
Fig. 4 Schematic diagram of Aura/MLS payloads and observations （https：//mls.jpl.nasa.gov/eos/instrument.php）
表6 Aura/MLS探测频率与探测目标
Table 6 Aura/MLS measurement frequencies and targets
辐射计探测频率主要探测目标次要探测目标
R1118 GHzO2（温度、位势高度）冰云
R2190 GHzH2O和HNO3ClO、N2O、O3、HCN、CH3CN、火山SO2和冰云
R3240 GHzO3和COO2（温度、位势高度）、火山SO2和冰云
R4640 GHzHCl、ClO、BrO、N2O和HO2O3、HOCl、CH3CN、火山SO2和冰云
R52.5 THzOHO3和O2（温度、位势高度）
表7 Aura/MLS系统参数
Table 7 Aura/MLS system parameters
特性参数
天线口径/m1.6
中心频率118 GHz、190 GHz、240 GHz、640 GHz和2.5 THz
接收机118 GHz为SSB，其余为DSB
混频器肖特基二极管（常温）
谱仪类型FBS和ACS
谱仪带宽/MHz10~1 300
谱分辨率/MHz0.15~500
垂直扫描范围/km5~95
扫描周期/s25
积分时间/s0.16
垂直视场/km1.4~5.8
系统噪声温度/K

118 GHz：1 200（SSB）

190 GHz：1 000（DSB）

240 GHz：1 400（DSB）

640 GHz：4 200（DSB）

2.5 THz：11 000（DSB）

重量/kg453
功耗/W545
表8 JEM/SMILES探测频率与探测目标
Table 8 JEM/SMILES measurement frequencies and targets
辐射计探测频率/GHz探测目标
A624.32~625.52HNO3、81BrO、ClO、NO2、H37Cl、H2O2、O3、HO35Cl和SO2
B625.12~626.32O3、HNO3、HO2、H35Cl和SO2
C649.12~650.3218OOO、17OOO、ClO、HO2、81BrO、HNO3和SO2
表9 JEM/SMILES系统参数
Table 9 JEM/SMILES system parameters
特性参数
天线口径/cm39
中心频率/GHz625和650
接收机SSB
混频器SIS
谱仪类型AOS
谱仪带宽/GHz1.2
谱分辨率/MHz1.2
垂直扫描范围/km10~60
扫描周期/s53
积分时间/s0.5
垂直视场/km3.5~4.1
系统噪声温度/K350
重量/kg476
功耗/W320
图5 SIW载荷示意图［57］
Fig. 5 Schematic of SIW payload［57］
图6 SMILES-2双天线观测示意图［60］
Fig. 6 Schematic of SMILES-2 dual-antenna observation［60］
表10 TELIS、SIW以及SMILES-2的系统参数
Table 10 TELIS， SIW and SMILES-2 system parameters
特性TELISSIWSMILES-2
天线口径/cm263075
中心频率500 GHz、480~650 GHz、1.8 THz650 GHz500 GHz、480~650 GHz、1.8 THz
接收机DSBDSBDSB
混频器SIS和HEB肖特基二极管SIS和HEB
谱仪类型ACSACSACS
谱仪带宽/GHz288
谱分辨率/MHz210.5~1
垂直扫描范围/km10~3510~9020~200
扫描周期/s30~503543
积分时间/s10.50.25
垂直视场/km252~3
系统噪声温度/K

500 GHz：2 000（DSB）

480~650 GHz：200（DSB）

1.8 THz：3 000~4 000（DSB）

1 000~1 200（DSB）

GHz：120（DSB）

THz：990（DSB）

重量/kg140<17<200
功耗/W240<47<320
图7 TLS双天线扫描示意图［62］
Fig. 7 Schematic of TLS dual antenna scanning［62］
图8 SMLS二维扫描示意图［64］
Fig. 8 Schematic diagram of SMLS 2D scanning［64］
图9 TALIS地面样机［73］
Fig. 9 TALIS ground prototype［73］
图10 TALIS系统组成和信号流程［73］
Fig. 10 TALIS system composition and signal flow［73］
图11 TALIS结构示意图
Fig. 11 TALIS structural diagram
图12 TALIS探测目标及频段（点线为平均后有效的高度）
Fig. 12 TALIS observation targets and frequency bands （the dotted line is the effective height after averaging）
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