【《太赫兹技术应用前景研究文献综述》3200字】

太赫兹技术应用前景研究文献综述太赫兹技术起步较早，最早由国外研究机构提出这一概念，并针对太赫兹领域展开探索[14-15]。近些年来，随着新一代移动通信的普及，太赫兹又一次成为无线通信领域热点，并涌现出了一大批研究成果[14-15]。2004年，美国政府为了加快太赫兹技术的发展，组织了多所顶尖院校制定了一系列发展规划[16-19]。同时欧盟也启动了与太赫兹技术相关的研究规划，如DOTFIVE计划和THz-Bridge计划[20-22]。日本政府更是大力发展太赫兹技术，打算将该项技术应用于2020年奥运会上[23-25]。为了加快国内太赫兹技术的发展，我国政府在2005年的香山科技论坛中制定了发展规划以及行业布局，将其作为通信行业重要发展领域。根据ITU-R公布的雨水和大气模型，可知在大气中传播时，太赫兹波会因被大气中的H2O分子和O2ab图1.2太赫兹波吸收峰与窗口特性太赫兹技术作为未来的科技研究热点，其会对工业发展与社会生活方式产生重大影响，在未来可能引发科学技术的革命性发展。目前，在许多领域内已经出现了相关应用，其发展趋势主要体现在以下五个方向。（1）太赫兹波在无线通信领域中的应用太赫兹频段相比于现阶段的通信波段，具备显著的带宽优势，可以被广泛应用于短距离无线数据传输、卫星通信等领域。日本电信集团（NTT）作为太赫兹领域起步较早的研究单位，首次报道了120GHz无线通信系统，该系统基于光电集合方式[27-28]。然而随着半导体技术的不断发展，太赫兹低噪放以及功放逐渐采用HBT器件以及InPHEMT器件，使得太赫兹固态电路得到了发展，极大促进了太赫兹波在通信领域内的发展。NTT于2010年报道的全固态无线通信系统采用QPSK调制方式，在5.8km的传输距离内，实现了10Gbit/s实时数据传输速率及低于10^-10的误码率[29]。图1.3NTT公司于2010年公布的全固态无线通信系统架构2013年，德国费劳恩霍夫实验实现了传输速率高达100Gbit/s的太赫兹通信模块，传输距离为20m[30]。该实验室又于2015年公布了频率为0.24THz的全固态太赫兹通信系统，在850m的传输距离内，实现了64Gbit/s的通信速率[31]。目前，该实验室正在研究0.66THz的太赫兹通信系统，己经公布了频率为0.66THz的发射系统[32]。图1.4240GHz全固态太赫兹无线通信系统国内由于受限于落后的InPHBT和HMET工艺，在太赫兹通信领域起步较晚。中物院电子所于2013年公布了一套实时速率为2Gbit/s的140GHz无线通信系统，传输距离为1.5km[10]。该电子所于2017年又公布了一套无线通信系统，该系统采用功率器件级联的方式来对输出信号进行放大，在传输距离为20Km时实现了5Gbit/s的传输速率[33]。同时，该团队还采用16QAM调制实现了传输速率为3Gbit/s的340GHz的无线通信系统，但是由于缺少相应频段的低噪放以及功放，该系统工作距离仅为0.25m[34]。图1.50.34THz无线通信系统电子科大于2011年承担了太赫兹技术开发重大项目，已经于2015年通过了验收，公布了一套220GHz太赫兹无线通信系统，该系统采用QPSK调制方式，在100m的传输距离内实现了5Gbit/s的传输速率。（2）太赫兹这在雷达领域内的应用由于太赫兹具备波长短以及高带宽的特性，因此可以应用于雷达成像领域（SAR和ISAR）以实现更高的成像分辨率。德国RPG公司于2009年公布了一套太赫兹三维成像系统，该系统采用连续扫描的方法，达到了毫米级的分辨率以及1帧/秒的成像速率[35]。同时以色列中央大学公布了一套0.33THz线性调频成像系统，该系统最远可以对距离40m处的目标进行成像，成像分辨率为1cm[36]。苏格兰圣安德鲁大学于2012年公布了一套340GHz三维成像雷达，最大成像距离为20m，成像速率为10帧/s[37]。德国费劳恩霍夫高频雷达实验室于2013年报道了一套300GHz主动成像雷达，实现了3.5mm的分辨率以及140m的成像距离[38]。图1.6340GHz三维成像雷达国内由于近年来工艺的进步，同样公布了一系列太赫兹雷达成果。国防科技大学、电子科大、中物院、中电研究所以及航天集团均在太赫兹雷达领域有所建树。（3）太赫兹波在遥感领域中的应用在遥感领域中，太赫兹主要应用于辐射计。该器件的主要功能在于检测地球大气环境。从上世纪九十年代开始，美国宇航局基于此功能己经发射了多颗遥感卫星[39]。同样为了了解气候的变化情况，中国与欧洲也相继发射了搭载了太赫兹探测器件的相关卫星。目前，欧洲航天局正在研制新一代的大气环境探测卫星希望可以实现较宽的通道频率[40-41]。国内近年来也在该领域取得了一定的成果，其中包括用于气象业务的FY-3卫星以及研制了相关频段的辐射计[42]。目前，该卫星已经成功搭载了多个频段的接收模块，出色完成了多项探测任务[43]。另外，中科院空间中心研制了工作频率为425GHz的辐射计，目前已经被应用于风云四号卫星。图1.7FY-3卫星微波湿度计接收机前端（4）太赫兹在太空领域内的应用随着近年来各国对太空领域内的研究和探索愈发重视，太赫兹技术在该领域内的应用也取得了重大成就。备受瞩目的阿塔卡玛地基观测平台（ALML），其拥有300GHz~9050GHz的超宽工作范围，以便于对宇宙暗区进行成像观测[44]。欧空局于2014年发射了一颗搭载了0.56THz频谱探测器的Rosetta卫星，用于检测彗星挥发物质含量。美国宇航局也相继发射了用于探测木星的Ganymede卫星[45]以及探测土星的Titan卫星[46]。（5）太赫兹在安检成像领域中的应用由于太赫兹波的波长较短，穿透力较强，因此在安检成像领域具有广阔的应用市场，且已经应用在机场，车站等人流密集区域。太赫兹技术在应用于安检成像领域时，其主要是为了识别各种危险工具。美国JPL实验室在安检领域起步较早，截止目前已经完成了多款安检样机[47]。其中第四代样机采用线性阵列扫描的方式，已经实现了厘米级的分辨率以及较快的成像速率。2013年，欧盟各成员国开始联合研制TeraSCREEN太赫兹项目，该项目主要针对未来安检领域的应用前景，希望采用主被动及多频段融合的方式来实现新一代的安检器件。另外，英国也公布了一系列太赫兹安检仪器，采用八通道机械扫描形式，其工作频率为250GHz，在3~15m的范围内可以达到6帧/s的成像速率[48]。国内在太赫兹安检成像领域得报道也日益增多，中物院在2016年公布了一套主动安检成像仪，该仪器工作频率为340GHz，实现了厘米级的系统分辨率[49]。中科院电子所也公布了一套成像系统，工作频率为200GHz[50]。图1.8中科院公布的主动安检成像仪分辨率与成像速率是太赫兹安检成像系统的重要指标，目前国内外已经涌现出了一系列优秀的成像系统，虽然在成本上仍难以控制，但依旧具有广阔的前景。随着应用频段的不断升高，系统分辨率的问题逐渐得到了解决。但是，希望提高成像速率则得通过阵列化的方式解决。另外由于目前危险品的划分更加细化，直接导致检测难度上升，采用主被动检测联合多频段融合的太赫兹安检器件将逐渐成为太赫兹技术的重点发展领域。参考文献SiegelPH.Terahertztechnology[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2002,50(3):910-928.刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[[J].电子科技大学学报，2009,38(05):481-486.程兆华，祝大军，刘盛纲.太赫兹技术的研究进展[J].现代物理知识，2005(05):40-44.NicholsEF,TearJD.JoiningtheInfra-redandElectricWaveSpectra[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,1923,9(6):211-214.孙美玉，祁峰，雷静，等.太赫兹技术在医疗领域的研究现状与应用前景[Jl.中国医疗设备，2018,33(07):1-8+36.周俊，刘盛纲.太赫兹生物医学应用的研究进展[[J].现代应用物理，2014(2):85-97.蒋林华，王尉苏，童慧鑫，等.太赫兹成像技术在人体安检领域的研究进展[[J].上海理工大学学报，2019,41(01):46-51.KangaslahtiP,SchlechtE,JiangJ,etal.,editors.CubeSatscalereceiversformeasurementoficeinclouds.201614thSpecialistMeetingonMicrowaveRadiometryandRemoteSensingoftheEnvironment(MicroRad);201611-14April2016.JastehD,HoareEG,CherniakovM,etal.ExperimentalLow-TerahertzRadarImageAnalysisforAutomotiveTerrainSensing[J].IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters,2016,13(4):490-494.WangC,LinC,ChenQ,etal.A10-Gbit/sWirelessCommunicationLinkUsing16-QAMModulationin140-GHzBand[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2013,61(7):2737-2746.BlundellR,BarrenJ,GibsonH,etal.,editors.ProspectsforterahertzradioastronomyfromnorthernChile.ThirteenthInternationalSymposiumonSpaceTerahertzTechnology;2002.ChenZ,MaX,ZhangB,etal.ASurveyonTerahertzCommunications[J].ChinaCommunications,2019,16(2):1–35.SongH，NagatsumaT.PresentandFutureofTerahertzCommunications[J].IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,2011,1(1):256–263.LeeTH,Terahertzelectronics:Thelastfrontier.201444thEuropeanSolidStateDeviceResearchConference(ESSDERC);2014:IEEE.VekslerD,MuravjovA,StillmanW,etal.,editors.DetectionandHomodyneMixingofTerahertzGasLaserRadiationbySubmicronGaAs/A1GaAsFETs.SENSORS,2007IEEE200728-31Oct.2007.AlbrechtJD,RoskerMJ,WallaceHB,etal.,editors.THzElectronicsprojectsatDARPA:Transistors,TMICs,andamplifiers.2010IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposium;201023-28May2010.TucekJ,GallagherD,KreischerK,etal.,editors.Acompact,hi