射电天文及太赫兹技术的应用与发展

射电天文及太赫兹技术的应用与发展
目录：
1. 射电天文学的介绍；
2. 太赫兹波段的特点；
3. 太赫兹科学技术与应用发展；
4. 高度灵敏探测技术和超导技术的发展；
5. SMA及ALMA计划，后端频谱处理技术，南极天文台太赫兹望远镜计划介绍。

摘要：射电天文学理论认为由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。

射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。

在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。

炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮
（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。

而这些物质在应用THz 技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。

关键词：射电天文太赫兹超导
正文：
一：射电天文：
对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。

人们还可以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频谱和偏振。

研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。

一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。

为此，就必须把射电望远镜造得很大，比如说，大到好几公里。

这必然会带来机械制造上很大的困难。

因此，人们曾认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。

可是，五十年代以后，射电望远镜的发展，特别是射电干涉仪（由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统）的发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。

五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合孔径”，系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。

接着，荷兰、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。

到七十年代后期，工作在短厘米波段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2″，可与地面上的光学望远镜拍摄的照片媲美。

射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。

这种干涉仪的两面射电望远镜之间，距离长达几千公里，乃至上万公里。

用它测量射电天体的位置，已能达到千分之几角秒的精度。

七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪的组合观测，不断取得重要的结果。

二：太赫兹：
人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在，是人们认识自然界的有效线索和工具。

但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波，对它的认识和应用非常匮乏。

其次，THz射线有它自身的特点：（1）是THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。

目前，脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率，但是由于THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。

目前，在时域光谱系统中的信噪比可达105或更高。

(2)THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。

因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。

（3）THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。

（4）许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。

例如，陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对THz 电磁辐射是透明的，因此THz 技术可以作为x射线的非电离和相干的互补辐射源，用于机场、车站等地方的安全监测。

比如探查隐藏的走私物品包括枪械、爆炸物、和毒品等，以及用于集成电路焊接情况的检测等。

极性物质对THz 电磁辐射的吸收比较强，特别是水，THz 光谱技术中应采取各种措施避免水分的影响，不过在THz 成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布等。

太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。

另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。

太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。

鉴于THz射线的特点，必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。

跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。

THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。

前者具有THz时域光谱技术的特点。

同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。

例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。

图3-4 给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最希望的。

同样，如果样品是人的牙齿，
那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。

利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像，目前由于目前主要采用连续波THz源，而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，所以单列出来。

目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。

由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且THz的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。

同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。

首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。

另外，世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也可以利用THz安检设备进行防范。

因为站岗的可以不再是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。

实际上也是成像的一种。

鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。

一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。

这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。

而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz 射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。

THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。

这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。

虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。

三：超导探测发展：
超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。

但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。

到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。

③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。

利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10-20倍，功耗只有四分之一。

高Tc超导红外探测器的研究已成为超导电子学中的重要内容之一，这是因为高Tc超导探测器的研制水平已进入实用阶段,并且成为光电探测技术发展的一个新方向.与传统的半导体探测器相比高Tc超导探测器在大于20μm的长波探测中将成为优良的接收器，这一点填补了电磁波谱中远红外至毫米波段的空白。

四：南极太赫兹望远镜计划及探月工程测轨：
根据我国的南极天文台发展路线图，2008年－2010年，我国将在南极冰穹A进行天文台建设的选址和进一步天文观测，升级并运行天文选址自动观测站PLATO和小型光学天文观测望远镜阵CSTAR；研制、安装和运行傅里叶变换频谱仪（FTS）以及3台50／70厘米南极施米特望远镜阵（AST3）。

2011年－2015年，计划研制、安装和运行1米级光学／红外望远镜，以及5米级亚毫米波／太赫兹望远镜；2012年－2020年，计划研制、安装和运行4米大视场光学／红外望远镜，以及15米亚毫米波／太赫兹望远镜；2020年以后，计划建造安装8米－10米以上口径的极大光学／红外望远镜，同时联合国际在冰穹A建造远红外干涉阵。

我国重大月球探测工程中卫星实时、高精测量、高可靠性调相变轨技术难题，该项目对天文的VLBI系统进行了关键技术创新与集成，取得了突破性成果，完全满足嫦娥一号卫星（CE－1）月球探测快速飞行和多次变轨的要求，成功地完成了卫星关键阶段的测轨任务。

国际上首次将实时VLBI技术应用于探月卫星发射后的工程测轨。

在国际上建成了若干个实时VLBI系统，应用于月球卫星的工程测轨，实时提供VLBI测轨结果，在国际上是首例。

2、VLBI测轨系统数据处理的实时性达到国际先进水平。

VLBI测轨实现了多步骤的复杂运算过程全部实时连贯进行。

在卫星预报轨道误差较大时，采用自动条纹搜索技术。

采用双路热备份，观测数据分为两路进行平行运算，互相检核，实时遴选，选出一路发送北京中心。

最终做到平均滞后时间不大于5分钟，这在国际上也是首例。

3、自主开发了硬件。

软件相关处理机、数据服务器、工作站等大型成套设备。

4、自主开发了系统成套软件包括观测计划、编制软件、数据接受、分发软件、测角和定轨软件等。

VLBI测轨数据的精度要求全面达到或超过了设计指标，出色地完成嫦娥一号卫星的VLBI测轨任务，为将卫星准确送入环月轨道做出了重要贡献。

经过探月一期工程的实践，验证了VLBI测轨系统的高可靠性、高实时性和高测量精度，以及对于航天器精确定轨的重要作用，成果将应用到我国探月二、三期工程和中俄联合火星探测"萤火一号"探测器的VLBI测轨任务，具有重大经济和社会效益。

参考文献及网站： 。