李 斌，龍 園，劉 歡，趙春江

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太赫茲技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 斌1,2,3,4，龍 園1,2,3，劉 歡1,2,3，趙春江1,2,3,4※

（1. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097； 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)遙感機(jī)理與定量遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4. 數(shù)字植物北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

太赫茲波在電磁波譜中位于中紅外波與微波之間，具有探測分子間或分子內(nèi)部弱相互作用的獨(dú)特性質(zhì)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。近年來，隨著太赫茲波產(chǎn)生和探測技術(shù)的快速發(fā)展，太赫茲光譜及成像技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域正逐步從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，包括安全成像檢測、航空航天、爆炸物分子檢測等，同時(shí)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者也積極開展了太赫茲技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究，取得了較好的研究進(jìn)展。該文從太赫茲光譜簡介、產(chǎn)生探測原理、樣品制備及數(shù)據(jù)處理出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了待測樣品理化信息的太赫茲數(shù)據(jù)獲取方法，然后結(jié)合太赫茲技術(shù)特性，聚焦農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，探討了太赫茲光譜和成像技術(shù)在該領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展及有待解決的問題，具體包括農(nóng)業(yè)生物大分子檢測、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測、植物生理檢測和環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)方面，進(jìn)而揭示太赫茲技術(shù)這一新興科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究潛力和應(yīng)用前景。

農(nóng)業(yè)；光譜分析；監(jiān)測；太赫茲技術(shù)；研究進(jìn)展

0 引 言

太赫茲波指的是頻率0.1～10 THz（波長為0.03～3 mm）范圍內(nèi)的電磁輻射的統(tǒng)稱，通常也被稱為太赫茲輻射、T射線等[1]。從頻率的角度分析，太赫茲波是電磁波譜中位于中紅外波與微波之間的波段，通常被稱為遠(yuǎn)紅外波段；從能量的角度分析，太赫茲波能量為4.1 meV，屬于毫電子伏特的能量級，遠(yuǎn)低于X射線千電子伏特的能量級，位于電子與光子能量之間，因此其屬于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域[2-3]。

在電磁波譜中，位于太赫茲波段兩端的紅外和微波技術(shù)應(yīng)用研究已較為成熟，但是太赫茲波段仍然是研究上的一個(gè)“空白”，也就是科學(xué)家們通常描述的“太赫茲空隙”[4-5]。由于之前一直缺乏太赫茲波的產(chǎn)生和探測設(shè)備，造成了上世紀(jì)尤其是八十年代以前科學(xué)家們對太赫茲技術(shù)的研究及認(rèn)識有限。近年來超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，太赫茲波段光源設(shè)備的可靠性不斷改善，太赫茲技術(shù)及應(yīng)用逐步成為光譜檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。

鑒于太赫茲波特殊的波段區(qū)間，相比其他波段，其在光譜檢測方面具有諸多獨(dú)特優(yōu)勢，例如：低能性使其不會(huì)因?yàn)殡婋x對物品及人體造成傷害；對水的敏感性使其能通過生物體中水分子的特征吸收譜來研究物質(zhì)組成和進(jìn)行產(chǎn)品檢測；相干性使其能直接測量電場的振幅和相位，進(jìn)而提取樣品的折射率和吸收系數(shù)；生物大分子的太赫茲指紋特性，使其能用于辨別毒品等物質(zhì)的特征，對于緝毒和反恐具有重要意義；另外，太赫茲波具有寬帶和高分辨率，單個(gè)脈沖通?？梢愿采w從GHz至幾十太赫茲的范圍[7-11]。

近年來，正是因?yàn)樘掌澕夹g(shù)獨(dú)特的性質(zhì)和用途，太赫茲技術(shù)得到了各國的高度重視：美國政府于2004年將THz科技列為“改變未來世界的十大技術(shù)”之四；日本于2005年1月8日將THz技術(shù)列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首；中國政府在2014年4月專門召開了以“太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的科學(xué)問題與前沿技術(shù)”為主題的香山科技會(huì)議，制定了中國THz技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[12]。

目前全世界范圍已經(jīng)形成了一個(gè)THz技術(shù)研究高潮：在美國包括常青藤大學(xué)在內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事THz的研究工作，特別是美國重要的國家實(shí)驗(yàn)室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS和ORNL等，都在開展THz科學(xué)技術(shù)的研究工作；在歐洲，英國的Rutherford國家實(shí)驗(yàn)室、劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)和Strathclyde等十幾所大學(xué)，德國的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn和Hamburg等機(jī)構(gòu)，都積極開展THz研究工作；在亞洲國家和地區(qū)，韓國國立漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)、國立新加坡大學(xué)、臺灣大學(xué)、臺灣清華大學(xué)等都積極開展THz研究工作，并發(fā)表了不少高質(zhì)量的學(xué)術(shù)論文，日本東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)、東北大學(xué)、福井大學(xué)以及SLLSC、NTT Advanced Technology Corporation等公司都大力開展THz的研究與開發(fā)工作。當(dāng)前太赫茲技術(shù)產(chǎn)生與探測技術(shù)、太赫茲光譜和成像技術(shù)及應(yīng)用、太赫茲通訊是太赫茲技術(shù)的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。

農(nóng)業(yè)是太赫茲技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，太赫茲光譜及成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用探索具有重要研究價(jià)值。鑒于此，本文對太赫茲技術(shù)及其產(chǎn)生與探測原理、樣品制備與信息獲取方法以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行系統(tǒng)性地綜述，為深入探索太赫茲技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究提供參考。

1 太赫茲光譜技術(shù)

1.1 太赫茲光譜技術(shù)簡介

太赫茲光譜技術(shù)可追溯至上個(gè)世紀(jì)80年代，由AT&T Bell實(shí)驗(yàn)室的Auston等[13]和IBM公司的Watson研究中心的Fattinger等[14]先后發(fā)展起來的，是利用飛秒超快激光來獲取太赫茲脈沖的相干探測技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是通過太赫茲脈沖在樣品上透射或反射，直接獲取樣品的時(shí)域波形，然后通過傅里葉變換得到其相應(yīng)的頻域分布波形，通過分析和計(jì)算該頻譜的相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以得到被測樣品的光學(xué)參數(shù)（如折射率、吸收系數(shù)等）。

1.2 太赫茲脈沖的產(chǎn)生

產(chǎn)生THz脈沖最常見的兩種方法是光電導(dǎo)天線法和光整流法。

1.2.1 光電導(dǎo)天線法

在上個(gè)世紀(jì)80年代末期，F(xiàn)attinger等[14-18]提出使用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲脈沖。目前最常用的光電導(dǎo)材料是輻射損傷硅—藍(lán)寶石（RD-SOS）和低溫生長砷化鎵（LT-GaAs）[19]。

光導(dǎo)天線輻射的太赫茲脈沖，平均功率一般在10納瓦到幾微瓦范圍內(nèi)，這取決于激發(fā)光強(qiáng)大小與直流偏置電壓[20]。

1.2.2 光整流法

光整流是一種較為常見和容易的產(chǎn)生太赫茲脈沖的方法，這種方法并不需要天線的結(jié)構(gòu)。它是一種非線性光學(xué)效應(yīng)，是電光效應(yīng)的逆過程。這種技術(shù)最早是Yang等[21]在利用皮秒量級激光脈沖在LiNbO3產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的過程中來實(shí)現(xiàn)的，而后Hu和Zhang等[22-23]在上個(gè)世紀(jì)90年代初提出了基于亞皮秒光整流機(jī)制產(chǎn)生太赫茲脈沖。目前比較常用的非線性介質(zhì)有DAST、ZnTe、GaAs。

1.3 太赫茲脈沖的探測

在探測寬頻帶太赫茲脈沖方面，光電導(dǎo)取樣法與電光取樣法是最常用的兩種探測方法。光電導(dǎo)取樣其實(shí)可以被看成是光電導(dǎo)天線發(fā)射太赫茲脈沖的逆過程，所以在裝置方面，它與光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲脈沖是基本相同的。電光取樣是利用電光效應(yīng)來完成太赫茲探測的，可以認(rèn)為是光整流效應(yīng)的逆過程，是由Wu等[24]和Nahata等[25-27]提出并逐漸發(fā)展起來的。

1.4 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)原理

太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)根據(jù)對不同的樣品以及測試要求可被劃分為透射式、反射式、差分式等，常見透射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)光路圖如圖1所示。鈦寶石飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光脈沖，經(jīng)過分光鏡，被分為泵浦脈沖和探測脈沖。在經(jīng)過光學(xué)斬波器調(diào)制之后聚焦于太赫茲發(fā)射器，發(fā)射出亞皮秒級太赫茲脈沖。所產(chǎn)生的太赫茲脈沖用兩個(gè)拋物面鏡來聚焦于探測器。通過一個(gè)光學(xué)延遲平移臺來改變泵浦脈沖和探測脈沖的時(shí)間延遲，太赫茲波的全部時(shí)域分布就可以被追蹤到。

圖1 太赫茲光譜產(chǎn)生與探測光路圖

透射式系統(tǒng)的特點(diǎn)在于把樣品放在太赫茲發(fā)射器和探測器之間，讓太赫茲脈沖穿透過去，獲取樣品的太赫茲時(shí)域光譜，所以這也就說明了樣品的厚度不宜過厚，經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，固體樣本厚度一般在1 mm左右。

將樣品固定在二維平移臺上，放置在太赫茲發(fā)射器與探測器之間的透鏡焦點(diǎn)位置，樣品隨二維平移臺在水平方向和垂直方向步進(jìn)制移動(dòng)，通過太赫茲光譜儀就可以逐點(diǎn)掃描樣品的每一點(diǎn)，從而獲取樣品上每一點(diǎn)的太赫茲光譜信息，然后通過計(jì)算機(jī)編程就可以重構(gòu)樣品的太赫茲圖像，實(shí)現(xiàn)樣品的太赫茲光譜成像測量。

2 樣品理化信息的獲取和數(shù)據(jù)處理方法

2.1 樣品制備

樣品的制備方法對后續(xù)采集樣品的光譜特征和圖像特征有很大影響。當(dāng)樣品的形態(tài)不同時(shí)，制作樣品的方法有很大差別。

2.1.1 粉末樣品的制備

樣品為粉末時(shí)，一般采用壓片法[28]。由于粉末狀樣品的自我成型效果不好[29-31]，一般使用聚乙烯與樣品按一定比例混合，并在一定壓力下進(jìn)行壓片，形成合適的直徑和厚度，用于實(shí)驗(yàn)，并且粉末的顆粒不能過大，對大顆粒粉末需要對其研磨直到其直徑小于0.1 mm[32-34]。選擇聚乙烯的原因是聚乙烯對太赫茲吸收少，且在太赫茲波段基本透明，有利于壓片成型，方便檢測。壓片時(shí)應(yīng)注意樣品的厚度和濃度要適當(dāng)，且樣品要保持均勻平整，壓力不宜過大。

2.1.2 液體樣品的制備

樣品為液體時(shí)，一般將一定厚度的液體放入樣品池中，對其采集THz波譜。盧承振等[35]測量不同形態(tài)水的太赫茲光譜時(shí)，將厚度為0.5 mm的樣品放在規(guī)格為45 mm×45 mm的石英樣品池中采集光譜。李健等[36]采用雙樣品池對比法來測定溶液的太赫茲光譜。石英和聚四氟乙烯材料對于THz呈現(xiàn)較微弱的吸收，所以實(shí)驗(yàn)研究中，樣品池一般采用石英或者聚四氟乙烯材料制作。

2.1.3 氣體樣品的制備

樣品為氣體時(shí)，為了形成參考和樣品對比測量，一般采用雙氣室結(jié)構(gòu)測量。趙輝等[37]使用差分吸收檢測系統(tǒng)對劇毒揮發(fā)性1,3-二硝基苯痕量氣體采集太赫茲時(shí)域光譜，其中檢測系統(tǒng)中一組為標(biāo)準(zhǔn)空氣，一組為待測樣氣，通過對兩組數(shù)據(jù)的差分處理再結(jié)合光譜特性獲得被測樣氣的濃度，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中二硝基苯氣體的檢測。

2.2 信息獲取

2.2.1 太赫茲光譜信息獲取

太赫茲時(shí)域光譜儀通過掃描樣品獲得時(shí)域波形，然后對其進(jìn)行傅里葉變換，得到太赫茲波頻譜。獲得的頻譜信息包含了其他無關(guān)信息和噪聲等影響因素，需要對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)平滑，減少噪聲，提高信噪比，對其頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，即可得到被測樣品介電常數(shù)、吸收系數(shù)、折射率等物理特征信息。

1）太赫茲頻域光譜

太赫茲時(shí)域光譜儀采集樣品在時(shí)間軸上的波形，如圖2所示，是運(yùn)用作者農(nóng)業(yè)太赫茲光譜與成像實(shí)驗(yàn)室的THz儀器（Menlo Systems，TERA K15，Germany）在室溫下，連續(xù)沖入氮?dú)?，采集到的一個(gè)典型的參考波形。時(shí)域波形需要經(jīng)過傅里葉變換得到頻域曲線，進(jìn)而分析樣品的頻譜結(jié)構(gòu)和變化特征，如圖3所示，是參考波形經(jīng)傅里葉變換后得到的頻域波形。對頻域譜進(jìn)行平滑去噪等光譜預(yù)處理方式，提取頻域譜中的特征頻段下的光譜信息，然后根據(jù)樣品在不同頻段下的不同頻譜特征，對樣品進(jìn)行特征分析和識別檢測，包括對樣品組分的定性分析、定量檢測、雜質(zhì)含量檢測和異物鑒別等。圖4是對一個(gè)植物葉片進(jìn)行太赫茲二維逐點(diǎn)掃描后，獲取0.8 THz單頻下的成像圖，后續(xù)可運(yùn)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行葉脈等信息的有效提取。

圖2 參考時(shí)域譜

圖3 參考頻域譜

圖4 0.8 THz下的植物葉片太赫茲成像

2）太赫茲吸收系數(shù)譜

為進(jìn)一步研究樣品在太赫茲波段的光譜吸收特征，可根據(jù)樣品的頻域強(qiáng)度，計(jì)算出樣品在特定頻域范圍內(nèi)的吸收系數(shù)，從而獲得樣品在單位厚度下的吸光度。極性分子、生物大分子等物質(zhì)在太赫茲波段具有不同的光譜特征吸收指紋特性，根據(jù)被測樣品的特征吸收峰可以有效的判別被測樣品的組分。如圖5所示，為作者在運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室條件測量的葡萄糖分子在太赫茲波段的吸收系數(shù)譜，可以看到，葡萄糖分子在太赫茲波段具有明顯的吸收峰。

圖5 葡萄糖固體粉末的吸收系數(shù)曲線

2.2.2 太赫茲成像信息獲取

太赫茲成像系統(tǒng)相比于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，增加了圖像處理裝置和掃描控制裝置，通過提取太赫茲的反射或透射信息，獲得物體的三維數(shù)據(jù)信息，然后對物體的三維信息集合實(shí)現(xiàn)重構(gòu)?，F(xiàn)階段，對樣品太赫茲信息重構(gòu)的方法主要有飛行時(shí)間成像，時(shí)域最大值、最小值、峰值成像，特定頻率振幅成像，功率譜成像和脈寬成像等。提取樣品在某一點(diǎn)特定頻率、時(shí)域最大值、最小值等特征數(shù)據(jù)進(jìn)行三維圖像重構(gòu)。太赫茲成像系統(tǒng)包括太赫茲逐點(diǎn)掃描成像系統(tǒng)、太赫茲實(shí)時(shí)焦平面成像系統(tǒng)、太赫茲波計(jì)算機(jī)輔助層析成像系統(tǒng)、連續(xù)波成像系統(tǒng)、近場成像系統(tǒng)等[38-39]。通過成像系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理，逯美紅等[40]利用空間圖樣成份分析方法對采集到的玉米種子的太赫茲像進(jìn)行處理，區(qū)分識別了不同樣品的太赫茲圖像。

2.2.3 太赫茲數(shù)據(jù)優(yōu)化

由于受設(shè)備本身性能、樣品制備參數(shù)及測試環(huán)境等方面的影響，實(shí)驗(yàn)采集的樣品太赫茲光譜數(shù)據(jù)信息往往存在分辨率低、噪聲高抖動(dòng)漂移等問題，需要對太赫茲光譜數(shù)據(jù)信息進(jìn)行優(yōu)化以提高數(shù)據(jù)的信噪比和可靠性。馬帥等[41]利用S-G濾波器對太赫茲光譜測試過程中產(chǎn)生噪聲等問題進(jìn)行濾波處理，降低數(shù)據(jù)噪聲；對于光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)不同的問題，選取相同頻段的光譜數(shù)據(jù)，采用三次樣條插值的方法得到相同數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。涂閃等[42]采集到棉花種子的太赫茲光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較少，為了使FFT變換后曲線更光滑，先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)零處理。徐利民等[43]運(yùn)用空域?yàn)V波、高斯平滑、頻域?yàn)V波和邊緣檢測等圖像降噪和圖像增強(qiáng)技術(shù)對太赫茲圖像進(jìn)行處理，有效克服了成像系統(tǒng)的噪聲、激光功率抖動(dòng)等影響。雷萌等[44]利用一種局部信息模糊聚類的圖像算法對太赫茲成像進(jìn)行圖像分割，充分利用局部空間信息和局部灰度信息，可以較好的描述模糊性，從而克服太赫茲圖像邊緣模糊、隨機(jī)噪聲、條紋噪聲等干擾，得到了輪廓完整、精度較高的樣品太赫茲圖像。

3 太赫茲技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究進(jìn)展

3.1 生物大分子檢測方面應(yīng)用研究

太赫茲輻射是一種新型的遠(yuǎn)紅外相干輻射源，近年來，結(jié)合THz光譜的獨(dú)特性能，運(yùn)用THz設(shè)備對蛋白質(zhì)、糖類、DNA等生物大分子檢測的探索研究得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在生物分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性等方面存在較大的應(yīng)用潛力。蛋白質(zhì)屬于大分子物質(zhì)，主要單位是氨基酸，對氨基酸分子進(jìn)行THz光譜測定，主要方法是采用氨基酸粉末與聚乙烯混合壓片后進(jìn)行THz光譜測量，得到氨基酸分子的指紋譜庫[45]。太赫茲技術(shù)在糖類的檢測中也得到廣泛的應(yīng)用研究，馬曉菁等[46]通過太赫茲技術(shù)獲取D-葡萄糖、D-核糖、乳糖等的光譜特性，不同的糖在太赫茲測量波段的吸收存在明顯差異，D-(-)-核糖在0.74和1.1 THz，D-葡萄糖在1.44 THz，-乳糖一水合物在0.53和1.38 THz處分別存在特征吸收峰，-乳糖在1.21和1.38 THz處存在兩處特征吸收峰。孫怡雯等[47]利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測量了不同血凝素蛋白及其與特異性抗體、無關(guān)抗體對照組反應(yīng)的透射光譜，并利用主成分分析方法計(jì)算血凝素與光譜數(shù)據(jù)相關(guān)性為?0.896 5。Arikawa等[48]利用太赫茲光譜技術(shù)測量了不同二糖分子的水合狀態(tài)，研究表明太赫茲光譜技術(shù)能測量水合作用隨時(shí)間的變化過程，液體中水分子狀態(tài)的改變和溶液中的很多物理現(xiàn)象有關(guān)，可以詳細(xì)描述溶液中多種物理化學(xué)變化。李斌等[49]利用太赫茲技術(shù)對D-葡萄糖進(jìn)行定性定量分析，D-葡萄糖在太赫茲頻域段具有明顯的特征吸收峰，根據(jù)多元線性回歸方法建立D-葡萄糖含量的預(yù)測模型，預(yù)測相關(guān)系數(shù)為0.992 7。

3.2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面應(yīng)用研究

在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全領(lǐng)域，學(xué)者們也開展了太赫茲光譜技術(shù)的應(yīng)用研究。核桃是一種高營養(yǎng)價(jià)值的食品，對于蟲蛀，霉變的核桃，營養(yǎng)成分發(fā)生了較大變化，戚淑葉等[50]利用太赫茲光譜技術(shù)檢測核桃的霉變變質(zhì)情況，通過對蟲蛀、霉變、正常核桃殼、仁標(biāo)樣采集太赫茲時(shí)域譜圖，從化學(xué)指標(biāo)分析得出蟲蛀或霉變的核桃殼仁與正常核桃殼仁的太赫茲波譜存在差異，為今后剔除變質(zhì)核桃、實(shí)現(xiàn)無損分級提供依據(jù)；沈曉晨等[51]利用太赫茲光譜技術(shù)鑒別轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因棉花種子，轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因?qū)μ掌澒庾V有不同的響應(yīng)，能用來有效鑒別轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因棉種；葛宏義等[52]通過對霉變、蟲蛀、發(fā)芽及正常小麥采集太赫茲時(shí)域光譜，再利用傅里葉變換及計(jì)算獲得THz吸收系數(shù)和折射率，通過吸收系數(shù)和折射率，以及特征譜的不同進(jìn)行判別分析，為儲糧品質(zhì)檢測和分析提供新的方法。廉飛宇等[53]利用太赫茲光譜測量大豆油及熟大豆油在0～3.0 THz波段范圍內(nèi)的時(shí)域光譜，并對其折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行分析，它們的折射率和吸收系數(shù)都有明顯差異，熟油的平均折射率為1.7，植物油的平均折射率為1.6，熟油的吸收特性曲線變化明顯，且存在明顯的特征峰，植物油的吸收特性曲線變化平穩(wěn)，無明顯特征峰，該研究成果可以快速準(zhǔn)確的區(qū)分植物油和熟油；Jansen等[4]利用太赫茲圖像信息檢測巧克力中的摻雜物，通過掃描巧克力，可以清楚的看到在巧克力中的玻璃碎片，通過太赫茲光譜技術(shù)能區(qū)分巧克力中的摻雜物，例如堅(jiān)果等其他成分；Redo-Sanchez等[54]利用太赫茲光譜檢測食品中抗生素的殘留，11種抗生素中有8種抗生素有指紋光譜，有兩種抗生素和動(dòng)物飼料，雞蛋粉，奶粉混合后能被檢測出來，說明太赫茲光譜在檢測食品中抗生素殘留方面有一定潛力。

水在太赫茲波段有強(qiáng)烈的吸收峰，盧承振等利用太赫茲光譜對不同水進(jìn)行鑒別，采集去離子水、農(nóng)夫山泉、康師傅、屈臣氏、自來水的太赫茲時(shí)域光譜圖，進(jìn)行頻域變換、數(shù)值分析，對比分析吸收系數(shù)和折射率的變化，得出去離子水最純凈，自來水雜質(zhì)較多，并且通過曲線特征區(qū)分了不同的水質(zhì)。李向軍等[55]研究反射式時(shí)域光譜的水太赫茲光學(xué)參數(shù)誤差，得出多次測量引入的隨機(jī)誤差在0.1～1.1 THz范圍內(nèi)基本不變，而接近0.1和1.1 THz處引入的隨機(jī)誤差變大，誤差主要是由于THz-TDS儀器的測量靈敏度下降及高阻Si片厚度和Si折射率引起的。劉歡等[56]利用THz光譜對水分的敏感性測量餅干中的水分，對測得的折射率和吸收譜與餅干中水分含量建立線性關(guān)系及模型，研究表明利用太赫茲技術(shù)測量餅干中水分具有一定可行性。

太赫茲對單一物質(zhì)檢測靈敏，當(dāng)物質(zhì)中混合了雜質(zhì)，混合物的太赫茲光譜圖會(huì)發(fā)生明顯的變化，Haddad等[57]分別檢測了乳糖、果糖、檸檬酸以及三者混合物的太赫茲光譜圖，分別檢測3種純物質(zhì)時(shí)，三者的太赫茲吸收峰明顯，乳糖有4個(gè)吸收峰，分別是0.53、1.19、1.37和1.81 THz，果糖有3個(gè)吸收峰，分別是1.3、1.73和2.13 THz，檸檬酸有3個(gè)吸收峰，分別是1.29、1.7和2.4 THz，三者混合物的吸收峰發(fā)生了變化，并不僅僅是三者吸收峰的單獨(dú)疊加，利用這一特征，可以檢測出純凈的樣品中是否含有摻雜物。

3.3 土壤大氣檢測方面的應(yīng)用研究

農(nóng)田環(huán)境（土壤、大氣）中的重金屬、水分、有機(jī)物等物質(zhì)含量與我們的生活密切相關(guān)，太赫茲技術(shù)在檢測土壤大氣質(zhì)量方面也有了較多研究發(fā)展。夏佳欣等[58]利用太赫茲光譜技術(shù)測量土壤的含水量，在土壤含水量為0～10%范圍內(nèi)，樣品對太赫茲吸收較少，信噪比較高，光譜測量結(jié)果與稱重法測量結(jié)果相比誤差小于1%，整體測量誤差范圍小于3%，相比于中子法和TDR法，由于太赫茲波相對于高頻電磁波對水更敏感，波長更短，太赫茲測量精度更高；李斌等[2]利用太赫茲光譜技術(shù)檢測土壤中重金屬含量，配制了含鉛、鉻、鋅、鎳4種重金屬的土壤樣品，采集樣品的太赫茲光譜曲線，對光譜曲線進(jìn)行平滑，標(biāo)準(zhǔn)化等預(yù)處理過程，利用偏最小二乘法和遺傳算法分別對樣品進(jìn)行建模，研究表明太赫茲光譜技術(shù)在預(yù)測土壤中重金屬含量方面具有一定的可行性；趙春喜[59]對土壤中的有機(jī)污染物滴滴涕、七氯、吡蟲啉等進(jìn)行太赫茲光譜檢測，含有機(jī)污染物樣品泥土與聚乙烯混合后3種樣品在0.2～1.8 THz范圍內(nèi)都有明顯的吸收峰，太赫茲光譜可以用來檢測土壤中有機(jī)污染物；Dworak等[60]利用太赫茲光譜技術(shù)可以對不同的土壤樣品進(jìn)行區(qū)分，測量了土壤中的水分、有機(jī)物、磁懸浮顆粒在不同太赫茲頻段下的反射強(qiáng)度，同時(shí)利用圖像的方法分析了藏在土壤中的3種物質(zhì)，太赫茲圖像技術(shù)可以清楚的對這3種物質(zhì)的形態(tài)、位置和大小進(jìn)行成像。

胡穎等[61]采集了大氣中一氧化碳的太赫茲光譜圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一氧化碳在0.2～2.5 THz范圍內(nèi)呈現(xiàn)多個(gè)吸收峰，在1.5 THz附近處的吸收峰最強(qiáng)，利用太赫茲光譜儀測得的吸收峰位置與12C16O的理論模擬結(jié)果一致，進(jìn)一步證明一氧化碳的組成是12C16O。

3.4 植物生理檢測方面的應(yīng)用研究

水分含量是植物體的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)，準(zhǔn)確檢測出植物各個(gè)生長階段的水分含量，對于合理指導(dǎo)灌溉，提高灌溉效率具有重要意義。太赫茲技術(shù)對水分敏感，其懼水特性在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中會(huì)很有幫助：可利用這一特性進(jìn)行農(nóng)作物的含水量檢測研究。Castro-Camus等[62]研究了擬南芥葉片中的水分動(dòng)態(tài)變化，通過太赫茲光譜測量葉片中的水分含量，發(fā)現(xiàn)葉片中水分含量與光照、水分灌溉、脫落酸治療有密切關(guān)系，在不同含水量的基質(zhì)中生長，當(dāng)停止水分供給以后，葉片中水分流失速度不一樣，在光照和黑暗條件下，葉片中水分含量不一樣，當(dāng)噴灑脫落酸以后，由于氣孔變化導(dǎo)致葉片中水分含量變化；Santesteban等[63]利用太赫茲技術(shù)測量葡萄藤中水分含量，通過3組不同的實(shí)驗(yàn)檢測葡萄藤中的水分含量，當(dāng)灌溉條件不同時(shí)，葡萄藤的水分含量變化很明顯，改變光照條件時(shí)，葡萄藤中水分含量隨之變化，為驗(yàn)證太赫茲反射信號強(qiáng)度在一定程度上和光合作用以及植物韌皮部運(yùn)輸養(yǎng)分有關(guān)，截?cái)嗥咸烟俚暮Y管，太赫茲反射強(qiáng)度隨之發(fā)生較大變化；J?rdens等[64]研究了一種電磁模型在太赫茲波段測量葉片的電導(dǎo)率，利用該模型可以準(zhǔn)確的測量咖啡葉片中的水含量，若能確定其他固體植物材料參數(shù)，該模型也能適用于其他植物葉片的水分含量檢測中；Breitenstein等[65]將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于葉片水分檢測中，驗(yàn)證了太赫茲技術(shù)檢測葉片水分含量的可行性，測量咖啡葉片在脫水和重新水合過程中的太赫茲光譜變化，并測量了失水時(shí)間長短的太赫茲光譜曲線，研究表明太赫茲光譜透過率與水分含量有較大的關(guān)系，當(dāng)葉片水分減少時(shí)，太赫茲透射率增加。龍園等[66]利用太赫茲技術(shù)獲取離體綠蘿葉片的時(shí)域譜成像和頻域譜成像，初步探討了葉片含水量和太赫茲成像的相關(guān)關(guān)系，并比較了相關(guān)回歸模型，結(jié)果表明，時(shí)域最小值與葉片水分含量建立的模型預(yù)測效果最優(yōu)；Gente等[67]提出了一種基于透射太赫茲時(shí)域光譜數(shù)據(jù)測定葉片體積含水量的方法。通過有效介質(zhì)模型參數(shù)的迭代優(yōu)化，得到了與重力法測量葉片含水量相似的結(jié)果。

植物葉綠體類囊體膜中含有葉綠素a、葉綠素b和β-胡蘿卜素等色素，這些色素的含量均會(huì)影響植物光合作用。而太赫茲光譜對這些生物分子的集體振動(dòng)模變化非常敏感，在研究生物大分子構(gòu)象柔性及構(gòu)型變化上已得到初步運(yùn)用[68]。張帥等[69]探究了葉綠素a和β-胡蘿卜素的太赫茲光譜和可見光譜以及它們在光脅迫下的變化情況。結(jié)果表明，在光脅迫下葉綠素a和β-胡蘿卜素的透射光譜和吸收光譜均在光照15 min時(shí)變化最大，說明此時(shí)的集體振動(dòng)模變化最大。此外在光脅迫下，葉綠素a在可見區(qū)的吸收強(qiáng)度下降，表明葉綠素a分子發(fā)生了降解。蔣玲等[70]研究了馬尾松松針葉綠素和市售葉綠素a和b標(biāo)準(zhǔn)樣的太赫茲光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)其均在2.86 THz頻段出現(xiàn)包絡(luò)吸收峰，然后利用密度泛函理論驗(yàn)證了葉綠素a在2.86 THz頻段的包絡(luò)吸收峰是由于葉綠素分子內(nèi)的卟啉環(huán)和葉綠醇的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。由于理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)采用的葉綠素晶體結(jié)構(gòu)存在差異，使得計(jì)算的葉綠素b分子雖然在2.86 THz頻段有吸收峰，但未呈現(xiàn)包絡(luò)吸收特性，該研究對太赫茲光譜后續(xù)用于植物體內(nèi)葉綠素等分子在線觀測與有效鑒別提供了可行手段。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

太赫茲光譜是近年發(fā)展起來的一種新型光譜探測技術(shù)，世界各國研究學(xué)者都積極開展其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用探索研究工作，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也取得了較好研究進(jìn)展。本文系統(tǒng)性地介紹了太赫茲產(chǎn)生與探測原理、樣品制備、時(shí)頻域數(shù)據(jù)采集與處理、時(shí)頻域數(shù)據(jù)分析與建模等方法理論體系，然后綜述太赫茲技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究進(jìn)展，為后續(xù)研究工作提供參考。

隨著超快激光電路硬件的快速發(fā)展，太赫茲技術(shù)由于其獨(dú)特的光-電性質(zhì)，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、農(nóng)田環(huán)境以及農(nóng)業(yè)動(dòng)植物學(xué)等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已得到了較大發(fā)展，并取得了一定的研究成果，深入研究太赫茲波與待檢測物質(zhì)的相互作用機(jī)理是認(rèn)識和應(yīng)用太赫茲技術(shù)的前提。由于太赫茲波對非極性物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透性，太赫茲光譜與成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對多種研究對象內(nèi)部品質(zhì)的快速檢測和動(dòng)態(tài)監(jiān)測，與檢測過程復(fù)雜、檢測內(nèi)部品質(zhì)較為困難的傳統(tǒng)方法相比，太赫茲技術(shù)具有無損、省時(shí)省力，避免污染等優(yōu)勢。

農(nóng)業(yè)生物組織一般具有含水特性，而太赫茲波對水分具有較強(qiáng)的敏感性，因此對檢測環(huán)境的要求很高，必須保證環(huán)境的干燥，清潔。若要實(shí)現(xiàn)高精度、快速無損的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用測量，還需要進(jìn)行大量的研究工作。

4.2 展 望

太赫茲處于電磁波譜中的特殊波段位置，具有獨(dú)特的光譜性質(zhì)，對于不同的檢測對象具有特定的太赫茲波段光譜響應(yīng)。太赫茲在光譜檢測領(lǐng)域是一個(gè)新興發(fā)展的技術(shù)，未來還有許多問題有待解決，比如：在制備樣品過程中，如何確定最優(yōu)制備參數(shù)，確保樣品制備的一致性；在檢測樣品過程中，水分對太赫茲光譜具有強(qiáng)烈的吸收作用，影響太赫茲光譜檢測精度，如何降低環(huán)境對太赫茲光譜的影響，減少光譜散射損失，提高光譜性噪比；針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重大應(yīng)用需求和難點(diǎn)問題，結(jié)合太赫茲光譜獨(dú)特性質(zhì)，探索該技術(shù)面向農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用需求和難點(diǎn)問題的太赫茲獨(dú)特應(yīng)用解決方案，找到太赫茲技術(shù)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域突破性應(yīng)用等。以上這些都是太赫茲技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中需要解決的問題。另外，當(dāng)前太赫茲設(shè)備體積較大、成本高昂、且難于走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測量，這些需要農(nóng)藝學(xué)家、農(nóng)業(yè)工程專家和物理學(xué)家的共同努力。

目前，太赫茲技術(shù)在從造紙業(yè)的過程監(jiān)督，到對不透明塑料管材的遠(yuǎn)程測量，再到對半導(dǎo)體材質(zhì)內(nèi)瑕疵的甄別，以及對化學(xué)氣體成分的分析等方面展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。太赫茲設(shè)備成本正在逐步降低，設(shè)備正在向著低成本和小型化方向發(fā)展，目前市場上已出現(xiàn)了小型的太赫茲設(shè)備，這都為太赫茲技術(shù)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用提供實(shí)用可行的候選方案奠定了基礎(chǔ)。2016年7月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》首次將“太赫茲”寫入“發(fā)展新一代信息技術(shù)”規(guī)劃。現(xiàn)有的太赫茲研究應(yīng)用進(jìn)展和產(chǎn)品的商業(yè)化進(jìn)程預(yù)示著太赫茲系統(tǒng)在不久的將來可能會(huì)被大規(guī)模的廣泛應(yīng)用。相關(guān)文獻(xiàn)綜述表明太赫茲技術(shù)正朝著工業(yè)應(yīng)用方向快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)應(yīng)該盡快加入到太赫茲技術(shù)應(yīng)用研究的隊(duì)伍中。

[1] 謝麗娟，徐文道，應(yīng)義斌，等. 太赫茲波譜無損檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(7)：246－255.

Xie Lijuan, Xu Wendao, Ying Yibin, et al. Advancement and trend of terahertz spectroscopy technique for non-destructive detection[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2013, 44(7): 246－255. (in Chinese with English abstract)

[2] 李斌. 基于太赫茲光譜的土壤主要重金屬檢測機(jī)理研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011：14－15. Li Bin. Feasibility Study on Soil Heavy Metal Detection Using Terahertz Time-Domain Spectroscopy[D]. Beijing: China Agricultural University, 2011: 14－15. (in Chinese with English abstract)

[3] 張棟文，袁建民. 太赫茲技術(shù)概述[J]. 國防科技，2015，36(2)：12－16.

Zhang Dongwen, Yuan Jianmin. Introduction to terahertz technology[J]. National Defense Science & Technology, 2015, 36(2): 12－16. (in Chinese with English abstract)

[4] Jansen C, Wietzke S, Peters O, et al. Terahertz imaging: applications and perspectives[J]. Applied Optics, 2010, 49(19): 48－56.

[5] Gowen A A , Sullivan C O, Donnell C P. Terahertz time domain spectroscopy and imaging: Emerging techniques for food process monitoring and quality control[J]. Trends in Food Science & Technology, 2012, 25: 40－46.

[6] 張蕾，徐新龍，李福利. 太赫茲(THz)成像的進(jìn)展概況[J]. 量子電子報(bào)，2005，22(2)：129－133.

Zhang Lei, Xu Xinlong, Li Fuli. Review of the progress of T-ray imaging[J]. Chinese Journal of Quantum Electronics, 2005, 22(2): 129－133. (in Chinese with English abstract)

[7] 沈京玲，張存林. 太赫茲波無損檢測新技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 無損檢測，2005，27(3)：146－147.

Shen Jingling, Zhang Cunlin. Terahertz nondestructive imaging technology and its application[J]. NDT, 2005, 27(3): 146－147. (in Chinese with English abstract)

[8] 張剛. 淺談太赫茲波技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 科技廣場，2007(11)：238－240.

Zhang Gang. Terahertz technology and its applications[J]. Science Mosaic, 2007(11): 238－240. (in Chinese with English abstract)

[9] 陳晗. 太赫茲波技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 中國科技信息，2007(20)：274－275.

[10] 常勝利，王曉峰，邵錚錚. 太赫茲光譜技術(shù)原理及其應(yīng)用[J]. 國防科技，2015，36(12)：17－21.

Chang Shengli, Wang Xiaofeng, Shao Zhengzheng. Terahertz spectrum and its application[J]. National Defense Science and Technology, 2015, 36(12): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[11] 金飚兵，單文磊，郭旭光，等. 太赫茲檢測技術(shù)[J]. 物理，2013，42(11)：770－779.

Jin Biaobing, Shan Wenlei, Guo Xuguang, et al. Terahertz detectors[J]. Physics, 2013, 42(11): 770－779. (in Chinese with English abstract)

[12] 香山科學(xué)會(huì)議第486－490和S20次學(xué)術(shù)討論會(huì)簡述[J]. 中國基礎(chǔ)科學(xué)·香山紅葉，2014(5)：29－35.

[13] Auston D H, Cheung K P, Valdmanis J A, et al. Cherenkov radiation from femtosecond optical pulses in electro-optic media[J]. Physical Review Letters, 1984, 53: 1555－1558.

[14] Fattinger C, Grischkowsky D. Point source terahertz optics[J]. Applied Physics Letters, 1988, 53(16): 1480－1482.

[15] Auston D H, Cheung K P, Smith P R. Picosecond photo conducting Hertzian dipoles[J]. Applied Physics Letters. 1984, 45(3): 284－286.

[16] Smith P R, Auston D H, Nuss M C. Subpicosecond photoconducting dipole antennas[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1988, 24(2): 255－260.

[17] Fattinger C, Grischkowsky D. Terahertz beams[J]. Applied Physics Letters, 1989, 54(6): 490－494.

[18] Song H J, Nagatsuma T. Handbook of Terahertz Technologies: Devices and Applications[D]. Singapore: Pan Stanford, 2015: 3.

[19] Lee Y S. Principles of Terahertz Science and Technology[M]. Springer US, 2009: 60.

[20] Zhang X C, Xu J. Introduction to THz Wave Photonics[M]. Springer US, 2010: 30.

[21] Yang K H, Richards P L, Shen Y R. Generation of far infrared radiation by picosecond light pulses in LiNbO3[J]. Applied Physics Letters, 1971, 19: 320－323.

[22] Hu B B, Zhang X C, Auston D H, et al. Free-space radiation from electro-optic crystals[J]. Applied Physics Letters, 1990, 56(6): 506－508.

[23] Xu L, Zhang X C, Auston D H. Terahertz beam generation by femtosecond optical pulses in electro-optic materials[J]. Applied Physics Letters, 1992, 61: 1784－1786.

[24] Wu Q, Zhang X C. Electro-optic sampling of freely propagating terahertz field[J]. Optical and Quantum Electronics, 1996, 28(7): 945－951.

[25] Nahata A, Auston D H, Heinz T F, et al. Coherent detection of freely propagating terahertz radiation by electro-optic sampling[J]. Applied Physics Letters, 1996, 68(2): 150－152.

[26] Cai Y, Brener I, Lopata J, et al. Coherent terahertz radiation detection: direct comparison between free-space electro-optic sampling and antenna detection[J]. Applied Physics Letters, 1998, 73(4): 444－446.

[27] Dragoman D, Dragoman M. Terahertz fields and applications[J]. Progress in Quantum Electronics, 2004, 28(1): 1－66.

[28] 夏燚，杜勇，張慧麗，等. 滑石粉中石棉的太赫茲光譜定量分析[J]. 日用化學(xué)品科學(xué)，2014，37(2)：31－33.

Xia Yi, Du Yong, Zhang Huili, et al. Quantitative analysis of asbestos in talc based on terahertz time-domain spectroscopy[J]. Detergent and Cosmetics, 2014, 37(2): 31－33. (in Chinese with English abstract)

[29] 汪一帆，尉萬聰，周鳳娟，等. 太赫茲(THz)光譜在生物大分子研究中的應(yīng)用[J]. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2010，37(5)：484－489.

Wang Yifan, Yu Wancong, Zhou Fengjuan, et al. Applications of terahertz (THz) spectroscopy in biological macromolecules[J]. Progress in Biochemistry and Biophysics, 2010, 37(5): 484－489. (in Chinese with English abstract)

[30] Zeitler J A, Taday P F, Newnham D A, et al. Terahertz pulsed spectroscopy and imaging in the pharmaceutical setting, a review[J]. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 2007, 59(2): 209－223.

[31] Peiponen K E, Silfsten P, Pajander J, et al. Broadening of a THz pulse as a measure of the porosity of pharmaceutical tablets[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2013, 447(1/2): 7－11.

[32] Charron D M, Ajito K, Kim J Y, et al. Chemical mapping of pharmaceutical cocrystals using terahertz spectroscopic imaging[J]. Analytical Chemistry, 2013, 85(4): 1980－1984.

[33] Ge M, Liu G F, Ma S H, et al. Polymorphic forms of furosemide characterized by THz time domain spectroscopy[J]. Terahertz Spectra of Polymorphic Forms of Furosemide, 2009, 30(10): 2265－2268.

[34] Bawuah P, Silfsten P, Ervasti T, et al. Non-contact weight measurement of flat-faced pharmaceutical tablets using terahertz transmission pulse delay measurements[J]. International Journal of Pharmaceutics, 2014, 476(1/2): 16－22.

[35] 盧承振，劉維，孫萍，等. 不同水的太赫茲時(shí)域光譜[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，52(4)：1－8.

Lu Chengzhen, Liu Wei, Sun Ping, et al. Terahertz time domain spectroscopy of different kinds of water[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(4): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[36] 李健，焦麗娟，李逸楠. 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)在分析氟氯氰菊酯正己烷溶液中的應(yīng)用[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2015，13(2)：128－133.

Li Jian, Jiao Lijuan, Li Yinan. Application of terahertz time-domain spectroscopy in determination of cyfluthrin in n-hexane[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2015, 13(2): 128－133. (in Chinese with English abstract)

[37] 趙輝，王高，馬鐵華. 基于THz光譜技術(shù)的1,3-二硝基苯揮發(fā)氣體檢測方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2014，32(4)：902－905.

Zhao Hui, Wang Gao, Ma Tiehua. Based on THz spectroscopy detection method for the concentration of 1,3-Dinitrobenzene volatile gas[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 32(4): 902－905. (in Chinese with English abstract)

[38] 張存林，牧凱軍. 太赫茲波譜與成像[J]. 中國激光雜志社，2010，47(1)：1－14.

Zhang Cunlin, Mu Kaijun. Terahertz Spectroscopy and Imaging[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2010, 47(1): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[39] Qin J Y, Ying Y B, Xie L J. The detection of agricultural products and food using terahertz spectroscopy: A review[J]. Applied Spectroscopy Reviews, 2013, 48: 439－457.

[40] 逯美紅，沈京玲，郭景倫，等. 太赫茲成像技術(shù)對玉米種子的鑒定和識別[J]. 光學(xué)技術(shù)，2006，32(3)：361－366.

Lu Meihong, Shen Jingling, Guo Jinlun, et al. Identification of maize seeds using terahertz transmitted spectral imaging[J]. Optical Technique, 2006, 32(3): 361－366. (in Chinese with English abstract)

[41] 馬帥，沈韜，王瑞琦，等. 基于深層信念網(wǎng)絡(luò)的太赫茲光譜識別[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2015，35(12)：3325－3329.

Ma Shuai, Shen Tao, Wang Ruiqi, et al. Terahertz spectroscopy identification with deep belief network[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(12): 3325－3329. (in Chinese with English abstract)

[42] 涂閃，張文濤，熊顯名，等. 基于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因棉花種子主成分特性分析[J]. 光子學(xué)報(bào)，2015，44(4)：176－181.

Tu Shan, Zhang Wentao, Xiong Xianming, et al. Principle component analysis for transgenic cotton seeds based on terahertz time domain spectroscopy system[J]. Acta Photonica Sinica, 2015, 44(4): 176－181. (in Chinese with English abstract)

[43] 徐利民，范文慧，劉佳. 太赫茲圖像的降噪和增強(qiáng)[J]. 紅外與激光工程，2013，42(10)：2865－2870.

Xu Limin, Fan Wenhui, Liu Jia. De-noising and enhancement for terahertz imaging[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(10): 2865－2870. (in Chinese with English abstract)

[44] 雷萌，黃志堅(jiān)，馬芳粼. 一種基于局部信息模糊聚類的太赫茲圖像分割算法[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37(6)：118－120.

Lei Meng, Huang Zhijian, Ma Fanglin. A THz image segmentation algorithm based on fuzzy local information c-means clustering[J]. Manufacturing Automation, 2015, 37(6): 118－120. (in Chinese with English abstract)

[45] 王雪美. 氨基酸的太赫茲光譜及其振動(dòng)模式研究[D]. 北京：首都師范大學(xué)，2008：14－43.

[46] 馬曉菁，趙紅衛(wèi)，劉桂鋒，等. 多種糖混合物的太赫茲時(shí)域光譜定性及定量分析研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2009，29(11)：2885－2888.

Ma Xiaojing, Zhao Hongwei, Liu Guifeng, et al. Qualitative and quantitative analyses of some saccharides by THz-TDS[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(11): 2885－2888. (in Chinese with English abstract)

[47] 孫怡雯，鐘俊蘭，左劍，等. 血凝素蛋白及抗體相互作用的太赫茲光譜主成分分析[J]. 物理學(xué)報(bào)，2015，64(16)：444－450.

Sun Yiwen, Zhong Junlan, Zuo Jian, et al. Principal component analysis of terahertz spectrum on hemagglutinin protein and its antibody[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(16): 444－450. (in Chinese with English abstract)

[48] Arikawa T, Nagai M, Tanaka K. Characterizing hydration state in solution using terahertz time-domain attenuated total reflection spectroscopy[J]. Chemical Physics Letters, 2008, 457: 12－17.

[49] 李斌，龍園，劉海順，等. 基于太赫茲光譜技術(shù)的D-無水葡萄糖定性定量分析研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2017，37(7)：2165－2170.

Li Bin, Long Yuan, Liu Haishun, et al. The determination of glucose based on terahertz spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(7): 2165－2170. (in Chinese with English abstract)

[50] 戚淑葉，張振偉，趙昆，等. 太赫茲時(shí)域光譜無損檢測核桃品質(zhì)的研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2012，32(12)：3390－3393.

Qi Shuye, Zhang Zhenwei, Zhao Kun, et al. Evaluation of walnut by terahertz nondestructive technology[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(12): 3390－3393. (in Chinese with English abstract)

[51] 沈曉晨，李斌，李霞，等. 基于太赫茲時(shí)域光譜的轉(zhuǎn)基因與非轉(zhuǎn)基因棉花種子鑒別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(增刊1)：288－292.

Shen Xiaochen, Li Bin, Li Xia, et al. Identification of transgenic and non-transgenic cotton seed based on terahertz range spectroscopy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(Supp.1): 288－292. (in Chinese with English abstract)

[52] 葛宏義，蔣玉英，廉飛宇，等. 小麥品質(zhì)的太赫茲波段光學(xué)與光譜特性研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2014，34(11)：2897－2900.

Ge Hongyi, Jiang Yuying, Lian Feiyu, et al. Nondestructive evaluation of wheat quality using terahertz time domain spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2014, 34(11): 2897－2900. (in Chinese with English abstract)

[53] 廉飛宇，秦建平，牛波，等. 一種利用太赫茲波譜檢測地溝油的新方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012，2(6)：37－40.

Lian Feiyu, Qin Jianping, Niu Bo, et al. Research on detecting waste oil utilizing terahertz spectroscopy[J]. Agricultural Engineering, 2012, 2(6): 37－40. (in Chinese with English abstract)

[54] Redo-Sanchez A, Salvatella G, Galceran R, et al. Assessment of terahertz spectroscopy to detect antibiotic residues in food and feed matrices[J]. Analyst, 2011, 136(8): 1733－1738.

[55] 李向軍，楊曉杰，劉建軍. 基于反射式太赫茲時(shí)域譜的水太赫茲光學(xué)參數(shù)測量與誤差分析[J]. 光電子·激光，2015，26(1)：135－140.

Li Xiangjun, Yang Xiaojie, Liu Jianjun. Measurement and error analysis of water THz optical parameters using THz reflection time-domain spectroscopy[J]. Journal of Optoelectronics Laser, 2015, 26(1): 135－140. (in Chinese with English abstract)

[56] 劉歡，韓東海. 基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的餅干水分定量分析[J]. 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報(bào)，2014，5(3)：725－729.

Liu Huan, Han Donghai. Quantitative detection of moisture content of biscuits by terahertz time-domain spectroscopy[J]. Journal of Food Safety and Quality, 2014, 5(3): 725－729. (in Chinese with English abstract)

[57] Haddad J E, De Miollis F, Sleiman J B, et al. Chemometrics applied to quantitative analysis of ternary mixtures by terahertz spectroscopy[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86: 4927－4933.

[58] 夏佳欣，范成發(fā)，王可嘉，等. 基于太赫茲透射譜的土壤含水量測量[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48(2)：93－98.

Xia Jiaxin, Fan Chengfa, Wang Kejia, et al. Soil moisture measurement based on terahertz transmission spectrum[J]. Laser and Optoelectronics Progress, 2011, 48(2): 93－98. (in Chinese with English abstract)

[59] 趙春喜. 土壤中有機(jī)污染物的太赫茲時(shí)域光譜檢測分析[J]. 科技信息，2010(8)：102.

[60] Dworak V, Augustin S, Gebbers R. Application of terahertz radiation to soil measurements: Initial results[J]. Sensors, 2011, 11: 9973－9988.

[61] 胡穎，王曉紅，郭瀾濤，等. 一氧化碳的太赫茲時(shí)域光譜研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2006，26(6)：1008－1022.

Hu Ying, Wang Xiaohong, Guo Lantao, et al. Terahertz time-domain spectroscopic study of carbon monoxide[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(6): 1008－1022. (in Chinese with English abstract)

[62] Castro-Camus E, Palomar M, Covarrubias A A. Leaf water dynamics of Arabidopsis thaliana monitored-using terahertz time-domain spectroscopy[J]. Scientific Reports, 2013, 3(10): 2910.

[63] Santesteban L G, Palacios I, Miranda, et al. Terahertz time domain spectroscopy allows contactless monitoring of grapevine water status[J]. Frontiers in Plant Science, 2015, 6: 1－9.

[64] J?rdens C, Scheller M, Selmar B, et al. Evaluation of leaf water status by means of permittivity at terahertz frequencies[J]. Journal of Biological Physics, 2009, 35: 255－264.

[65] Breitenstein B, Scheller M, Shakfa M K, et al. Introducing terahertz technology into plant biology:A novel method to monitor changes in leaf water status[J]. Journal of Applied Botany and Food Quality, 2011, 84: 158－161.

[66] 龍園，趙春江，李斌. 基于太赫茲技術(shù)的植物葉片水分檢測初步研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2017，37(10)：3027－3031.

Long Yuan, Zhao Chunjiang, Li Bin. The preliminary research on isolated leaf moisture detection using terahertz technology[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(10): 3027－3031. (in Chinese with English abstract)

[67] Gente R, Born N, Vo? N, et al. Determination of leaf water content from terahertz time-domain spectroscopic data[J]. Journal of Infrared Millimeter & Terahertz Waves, 2013, 34: 316－323.

[68] Wilmink G J, Grundt J E. Invited review article: Current state of research on biological effects of terahertz radiation[J]. Journal of Infrared Millimeter & Terahertz Waves, 2011, 32(10): 1074－1122.

[69] 張帥，曲元?jiǎng)偅窦?，?光照引起的葉綠素a和β-胡蘿卜素在太赫茲和可見區(qū)的光譜變化研究[J].中國科學(xué)：生命科學(xué)，2017，47(2)：230－235.

Zhang Shuai, Qu Yuangang, Lian Yuji, et al. Function of terahertz spectra in monitoring the decomposing process of biological macromolecules and in investigating the cause of photoinhibition[J]. Sci China Life Sci, 2017, 47(2): 230－235. (in Chinese with English abstract)

[70] 蔣玲，虞江萍，徐雨田，等. 葉綠素的太赫茲光譜特性[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2015, 39(6): 181－184.

Jang Ling, Yu Jiangping, Xu Yutian, et al. Investigation of terahertz spectra of chlorophyll[J]. Journal of Nanjing Forestry University :Natural Sciences Edition, 2015, 39(6): 181－184. (in Chinese with English abstract)

Research progress on Terahertz technology and its application in agriculture

Li Bin1,2,3,4, Long Yuan1,2,3, Liu Huan1,2,3, Zhao Chunjiang1,2,3,4※

(1.,100097,; 2.,100097,; 3.,100097,; 4.,100097,)

Terahertz (THz) radiation is an electromagnetic radiation whose frequency lies between the microwave and infrared regions of the spectrum. THz remains the least explored region mainly due to the technical difficulties involved in making efficient and compact THz sources and detectors. The lack of suitable technologies leads to the THz band being called the “THz gap”. Until 1980s, the advent of the femtosecond laser started the advancement in THz generation and detection technologies. THz equipment was then developed by researchers in different labs and commercialized by companies, such as TeraView Ltd. (Cambridge, UK), and Picometrix LLC. (Ann Arbor, MI, USA). With the superior THz equipment, researchers from different disciplines were able to study THz and explored its potential applications in different areas. THz has unique properties in detecting weak intermolecular interaction, and is sensitive to the properties of target objects on both amplitude and phase. THz spectroscopy and imaging techniques are the focuses of current research in this area. Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) has been used to evaluate the spectral properties of an object in terahertz range and is being applied in many areas, such as security, semiconductor manufacturing process, communication, and biomedicine. The coherent detection scheme together with the resulting time-domain signal of the terahertz pulse lead to the high sensitivity and excellent contrast that can be achieved in terahertz imaging, which makes terahertz imaging attractive for industrial applications, like metal contacts of a packaged integrated circuit chip, tree-ring analysis, polymer composites and flames, etc. Recently, terahertz techniques have been gradually applied to many fields, including security imaging detection, aerospace, and explosives molecular detection. Experts in field of agricultural research have also actively participated in the application of terahertz technology and have made great progresses. In current paper, the generation and detection methods, sample-making methods, data acquisition and analysis methods of THz spectroscopy and imaging were first systematically summarized and presented. Since there are many factors in agriculture area may influence the THz data acquisition, such as air moisture, samples’ thickness, diameter of samples’ powder, crop’s vulnerability and so on, experimental parameters’ determination methods and some testing cases were introduced and demonstrated, which provided a reference for other THz research groups. Afterwards, the research and applications progress of terahertz spectroscopy and imaging technology in agricultural area were carefully reviewed, including agricultural bio-molecular material detection, quality and safety detection of agricultural products, physiology inspection of crops and pollutions detection in agricultural environment, which revealed its great potential and application prospects of terahertz technology in agriculture. The presented explorative studies in agricultural area showed that THz is a promising technology and will definitely play a critical role in many active research areas of agriculture, such as food quality control, crop inspection, and pollutions detection in agricultural environment. However, there are still some problems deserve more attentions in future, such as, what is the ‘killer application’ of THz in agriculture, how to make the equipment smaller, cheaper, and portable for on-the-spot measurements, etc. which indicated the research directions of THz technology.

agriculture; spectrum analysis; monitoring; THz technology; research progress

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001

O657.3

A

1002-6819(2018)-02-0001-09

2017-06-20

2017-12-07

北京市自然科學(xué)基金“太赫茲光譜用于檢測土壤中重金屬鉛含量的微觀機(jī)理研究”；北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)(KJCX20180119)；北京市農(nóng)林科學(xué)院國際合作基金（GJHZ2017-7）；“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0702002）

李 斌，副研究員，博士，主要從事太赫茲光譜理論及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。Email：lib@nercita.org.cn

趙春江，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事信息技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn

李 斌，龍 園，劉 歡，趙春江. 太赫茲技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org

Li Bin, Long Yuan, Liu Huan, Zhao Chunjiang. Research progress on Terahertz technology and its application in agriculture[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.001 http://www.tcsae.org