金 韜，朱 迪，何杰穎，王文煜

（1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）

0 引 言

在傳統(tǒng)的空間目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域，紅外探測(cè)體制一直是研究的熱點(diǎn)。對(duì)于溫度較高的物體，紅外探測(cè)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤。然而對(duì)于低溫小目標(biāo)，根據(jù)維恩位移定律，其輻射峰值已逐漸向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，紅外探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)靈敏度會(huì)受到較大影響。同時(shí)，當(dāng)探測(cè)器對(duì)地觀測(cè)時(shí)，目標(biāo)與地表溫度接近，地表溫度波動(dòng)強(qiáng)烈，圖像檢測(cè)信雜比低，紅外探測(cè)系統(tǒng)作用距離受限。相比之下，太赫茲探測(cè)器對(duì)空間高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)和環(huán)境熱效應(yīng)不敏感，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。

太赫茲波是位于毫米波與紅外之間，頻率范圍為0.1～10 T Hz的電磁波，低頻段（小于1 THz）與微波相鄰，高頻段（大于等于1 THz）連接紅外。與傳統(tǒng)微波相比，太赫茲波的波長(zhǎng)更短，空間分辨率更高。與紅外和光學(xué)相比，太赫茲波有更好的穿透性，用于雷達(dá)探測(cè)時(shí)視場(chǎng)范圍更寬，搜索能力更好。然而，受限于太赫茲理論與儀器的發(fā)展，一直以來對(duì)太赫茲頻段的研究不如別的頻段成熟，在許多領(lǐng)域尚處于待開發(fā)階段。

由于太赫茲頻段的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外都對(duì)其展開了研究。Shi等于2011年在南極Dome A（80°22′S，77°21′E）對(duì)太赫茲全頻段大氣透過率進(jìn)行了測(cè)量，確定了適用于天文觀測(cè)的大氣窗口。王玉文等于2016年對(duì)0.2～2 THz大氣窗口太赫茲波的傳輸特性和信道進(jìn)行了分析，建立了新的太赫茲波大氣傳輸衰減與色散模型。Akkas于2020年對(duì)0.3～3 THz大氣窗口進(jìn)行了仿真分析。Li等于2020年對(duì)太赫茲全頻段對(duì)流層頂背景輻射特性進(jìn)行了研究，選擇了6個(gè)適合對(duì)空目標(biāo)探測(cè)、透過率較高的大氣窗口。Saeed等于2020年仿真了不同高度0.75～10 THz太赫茲通信的衰減率，得到了適用于通信傳輸?shù)拇翱陬l段。然而，現(xiàn)有對(duì)太赫茲頻段大氣輻射傳輸特性的研究多以通信為應(yīng)用目的，對(duì)于利用太赫茲進(jìn)行空間目標(biāo)探測(cè)還需要進(jìn)一步研究。

本文重點(diǎn)研究太赫茲7～10 THz高頻段的大氣背景特性。選用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心再分析數(shù)據(jù)集中期（European center for medium-range weather forecasting reanalysis-interim，ERA-interim），利用高分辨率分子吸收譜線數(shù)據(jù)庫（high-resolution transmission molecular absorption database，HITRAN）對(duì)大氣輻射傳輸模擬器（atmospheric radiative transfer simulation，ARTS）太赫茲高頻段頻譜擴(kuò)展后進(jìn)行輻射傳輸仿真。仿真過程中，著重對(duì)冬夏兩季多個(gè)地點(diǎn)的大氣背景亮溫進(jìn)行仿真，并分析影響背景亮溫的因素，以期為空間目標(biāo)探測(cè)提供背景特性方面的支持。

1 仿真原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 大氣輻射傳輸原理

星載探測(cè)器在對(duì)地觀測(cè)時(shí)，其接收到的能量包括：路徑上大氣的上行輻射、地表物體的上行輻射和地表物體反射大氣的下行輻射?？梢杂靡韵螺椛鋫鬏敺匠虂砻枋觯?/p>

式中：是所選頻率；I（）表示大氣頂層輻射亮度；k表示包含了吸收系數(shù)k和散射系數(shù)k的消光系數(shù)；J（）表示源函數(shù)。

通過求解微分方程可得輻射傳輸方程解的形式：

式中：τ表示光學(xué)厚度。

輻射傳輸方程描述了在處接收到的輻射亮度實(shí)際上是從起點(diǎn)到路徑上地物和每層大氣輻射與衰減的總和。由于輻射傳輸過程中，大氣分子對(duì)太赫茲波吸收與散射過程較為復(fù)雜，需要通過建立模型進(jìn)行求解。

求解得輻亮度后根據(jù)普朗克方程將I（）轉(zhuǎn)化為亮度溫度T （）：

式中：是普朗克常數(shù)，數(shù)值為6.626-176×10J·s；是玻爾茲曼常數(shù)，數(shù)值為1.38×10J／K；c是光速，數(shù)值為3×10m／s。

本文基于亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫，對(duì)大氣背景特性進(jìn)行研究。

1.2 大氣廓線數(shù)據(jù)與輻射傳輸模型

大氣狀況對(duì)星載探測(cè)器對(duì)地觀測(cè)時(shí)大氣背景特性有著重要的影響。尤其在太赫茲頻段，水汽對(duì)太赫茲波的吸收衰減作用十分強(qiáng)烈，因此需要對(duì)大氣狀況進(jìn)行分析，大氣狀況一般可用大氣廓線數(shù)據(jù)定量表征。大氣廓線是指不同高度上，風(fēng)速、溫度、濕度、大氣各成分等因素的分布數(shù)據(jù)，主要參數(shù)有：時(shí)間、經(jīng)緯度、氣壓層、各氣體含量等信息。在進(jìn)行輻射傳輸計(jì)算時(shí)，大氣廓線是重要的輸入?yún)?shù)，大氣廓線的數(shù)據(jù)精度越高，計(jì)算所得的數(shù)值也越接近實(shí)際情況。

高質(zhì)量的大氣數(shù)據(jù)是研究大氣現(xiàn)象和氣候變化的重要基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)受地域、時(shí)間、觀測(cè)儀器等限制，其時(shí)間和空間的不連續(xù)性無法滿足需求。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷進(jìn)步，研究人員利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)將不同類型與來源的觀測(cè)資料與數(shù)值模式的結(jié)果相結(jié)合，得到格點(diǎn)化、時(shí)間序列長(zhǎng)、高空間分辨率的歷史數(shù)據(jù)集，處理后的數(shù)據(jù)集稱為再分析數(shù)據(jù)。再分析數(shù)據(jù)集綜合了觀測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模式兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分布不連續(xù)的缺點(diǎn)，通過實(shí)際數(shù)據(jù)修正了數(shù)值模式的準(zhǔn)確性，使其在大氣科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)際上常用的再分析數(shù)據(jù)集有很多種，如美國(guó)國(guó)家氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Predication，NCEP）和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）聯(lián)合推出的美國(guó)NCEP再分析數(shù)據(jù)集（NCEP Reanalysis 1，NCEP1）、歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasting，ECMWF）提供的ERA-interim再分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)以及日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）的日本55年再分析數(shù)據(jù)（Japanese 55-years Reanalysis，JRA-55）等。

本文采用ERA-interim再分析數(shù)據(jù)集作為輻射傳輸計(jì)算的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)年份為2018年。ERA-interim數(shù)據(jù)按照氣壓值分為37個(gè)氣壓層，頂層高度約45 km，可按氣壓層選擇散度、云量、位勢(shì)、臭氧質(zhì)量混合比、位勢(shì)渦度、相對(duì)濕度等14種廓線數(shù)據(jù)。時(shí)間從當(dāng)天零點(diǎn)開始，步長(zhǎng)6 h?？蛇x全球任何地理位置，空間分辨率最小為0.125°×0.125°，最大為3°×3°。

利用德國(guó)漢堡大學(xué)和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員為衛(wèi)星大氣科學(xué)研究組建立的大氣輻射傳輸模擬器ARTS進(jìn)行仿真。ARTS主要由C＋＋編寫的，在后續(xù)開發(fā)的過程中加入了Python和Matlab的調(diào)用接口，模塊化程度高，應(yīng)用靈活。ARTS采用逐線積分法計(jì)算氣體分子吸收系數(shù)，可以處理微波到熱紅外頻段范圍內(nèi)球形及非球形的一維到三維大氣輻射傳輸問題。還可以模擬地基、空基、天基等各種不同位置平臺(tái)的上行、下行和臨邊輻射傳輸過程。目前已被廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星載荷設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理中。

ARTS與傳統(tǒng)輻射傳輸模型相比優(yōu)勢(shì)在于：在處理云、氣溶膠等粒子散射問題時(shí)，采用離散坐標(biāo)迭代法處理一維粒子散射，蒙特卡羅方法處理三維粒子散射及多次散射問題，計(jì)算精度高；在求解矢量輻射傳輸過程時(shí)，通過計(jì)算斯托克斯矢量和相函數(shù)等描述輻射傳輸?shù)臉O化狀態(tài)，使得輻射傳輸模擬的適用性增強(qiáng)。

雖然ARTS可以計(jì)算太赫茲頻段的輻射傳輸過程，但其內(nèi)置的太赫茲高頻段吸收譜線較少，計(jì)算精確度不高，需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫包含大氣各類氣體成分的吸收譜線，免去了輻射傳輸仿真時(shí)光譜參數(shù)復(fù)雜的理論計(jì)算，在光譜領(lǐng)域的模擬和分析中作為標(biāo)準(zhǔn)存在。由于太赫茲高頻段主要是水汽對(duì)太赫茲波的吸收作用，二氧化碳、氧氣等氣體主要吸收頻率既不在該頻段范圍內(nèi)，譜線強(qiáng)度也遠(yuǎn)低于水汽，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。圖1是HITRAN2016數(shù)據(jù)庫中，在1 000 Mb和296 K條件下，1～10 THz頻率的水分子吸收譜線強(qiáng)度和躍遷頻率的關(guān)系。

圖1 太赫茲高頻段水分子吸收譜線Fig.1 Water molecular absorption lines of high terahertz band

通過將HITRAN2016數(shù)據(jù)庫中太赫茲高頻段水分子的光譜參數(shù)導(dǎo)入到ARTS模型中，使其能夠?qū)μ掌澑哳l段的大氣輻射傳輸過程計(jì)算更為精確。

1.3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了對(duì)太赫茲大氣背景特性進(jìn)行較為全面的分析，仿真系統(tǒng)應(yīng)盡可能地考慮較多的影響因素，但同時(shí)也要兼顧其運(yùn)行效率。設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 太赫茲輻射仿真系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flowchart of terahertz radiation simulation system

仿真從數(shù)據(jù)出發(fā)，選取冬夏兩季、多個(gè)地點(diǎn)的大氣廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)和多點(diǎn)仿真。根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)規(guī)律，得出結(jié)論。具體仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）設(shè)定探測(cè)器工作頻率、高度、探測(cè)角度等參數(shù)。本文中工作頻率主要選在7～10 THz，高度設(shè)定為850 km，探測(cè)天頂角為180°；

（2）導(dǎo)入HITRAN2016數(shù)據(jù)庫太赫茲高頻段光譜數(shù)據(jù)；

（3）選取干旱和潮濕等典型地區(qū)的大氣廓線數(shù)據(jù)對(duì)大氣透過率進(jìn)行單點(diǎn)仿真，根據(jù)大氣透過率的仿真結(jié)果確定太赫茲7～10 THz窗口頻段和吸收頻段；

（4）分別選取窗口頻段和吸收頻段的點(diǎn)頻進(jìn)行月平均和單日的全球大氣背景亮溫多點(diǎn)仿真；

（5）再對(duì)選取的窗口頻段和吸收頻段點(diǎn)頻做溫度和水汽敏感性仿真；

（6）對(duì)比兩頻段全球大氣背景亮溫和溫度與水汽敏感性仿真的結(jié)果，分析引起這種差異的原因。

2 仿真與分析

2.1 水汽變化與大氣透過率

太赫茲波在大氣傳播過程中會(huì)受到大氣分子影響而衰減，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，需要選擇不同的頻段。對(duì)于通信方面的應(yīng)用，應(yīng)選擇衰減作用小的窗口頻段；對(duì)于氣象遙感方面的應(yīng)用，需要選擇吸收頻段。而針對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)，由于目標(biāo)與探測(cè)器均在大氣層之外，大氣是作為背景出現(xiàn)在觀測(cè)視場(chǎng)之中，為了有效檢測(cè)出目標(biāo)，需要選擇合適的頻段讓背景保持相對(duì)均一穩(wěn)定。在太赫茲頻段，尤其是接近10 THz的高頻部分，水汽對(duì)其的吸收作用非常強(qiáng)烈，因此研究水汽變化對(duì)大氣透過率的影響有助于選擇合適的頻段使觀測(cè)背景保持穩(wěn)定。

由于全球地理環(huán)境的差異性，選取兩個(gè)典型地區(qū)進(jìn)行說明分析：太平洋中部地區(qū)（記為地區(qū)a）和撒哈拉沙漠東部地區(qū)（記為地區(qū)b）。地區(qū)a的經(jīng)緯度范圍為5°N～15°N、155°E～165°E，地區(qū)b的經(jīng)緯度范圍為20°N～30°N、30°E～45°E。

選取地區(qū)a和地區(qū)b冬夏兩季月平均溫度和濕度廓線對(duì)大氣透過率進(jìn)行仿真分析。圖3展示了地區(qū)a和地區(qū)b的1月份和7月份月平均溫濕廓線對(duì)比。從圖3中可以看出，地區(qū)a是海洋環(huán)境，冬夏兩季溫差不明顯，地表相對(duì)濕度都較高。地區(qū)b是沙漠環(huán)境，冬夏季在地表及對(duì)流層中下部溫差較大，在10 K左右，平流層以上溫度逐漸趨近相同，相對(duì)濕度在地表及對(duì)流層中下部均低于50%。

圖3 月平均溫濕廓線Fig.3 Monthly mean temperature and humidity profile

因?yàn)樘掌澑哳l段水汽吸收作用強(qiáng)烈，無論窗口頻段還是吸收頻段傳播1 km的大氣透過率都接近0，所以為了更加明顯地區(qū)分窗口頻段和吸收頻段，根據(jù)地區(qū)a和地區(qū)b的月平均廓線數(shù)據(jù)，仿真計(jì)算了不同季節(jié)兩地地表太赫茲波延天頂方向傳播10 m的大氣透過率隨頻率的變化，如圖4所示。圖4（a）中標(biāo)注了窗口頻段透過率較高的7個(gè)點(diǎn)頻，圖4（b）中標(biāo)注了吸收頻段衰減率較高的5個(gè)點(diǎn)頻。

圖4 大氣透過率隨頻率的變化Fig.4 Variation of atmospheric transmittance with frequency

從圖4中可以看出，地區(qū)a是海洋性氣候，冬夏兩季溫度濕度變化不明顯，大氣透過率基本一致。地區(qū)b冬季的透過率遠(yuǎn)高于夏季，其原因在于該地區(qū)夏季地表溫度較冬季更高，飽和水汽壓更大，相同的相對(duì)濕度條件下，夏季空氣中水汽含量更高。大氣透過率在太赫茲頻段主要受溫濕度影響，有研究表明在吸收峰相對(duì)濕度每增加20%，頻譜幅值下降超過40%。

通過對(duì)比干燥和潮濕兩個(gè)典型區(qū)域的大氣透過率，可以得出在7～10 THz范圍內(nèi)，有幾個(gè)較為穩(wěn)定的窗口頻段和吸收頻段可為太赫茲通信、遙感等各種應(yīng)用目的提供合適的頻率基礎(chǔ)。窗口頻段為9.290～9.334 THz和9.500～9.594 THz；吸收頻段為7.307～7.712 THz、8.254～8.503 THz和9.020～9.144 THz。這與李海英根據(jù)ITU-R給出的大氣吸收模型外推出的結(jié)論剛好吻合。

2.2 全球太赫茲大氣背景亮溫仿真

根據(jù)第2.1節(jié)的分析，本文分別選用9.545 THz窗口頻率和7.615 THz吸收頻率仿真冬夏兩季全球太赫茲大氣背景亮溫，以此確定空間探測(cè)應(yīng)選擇的頻段。

2.2.1 月平均全球大氣背景亮溫

為了獲得窗口頻率與吸收頻率相對(duì)穩(wěn)定的全球大氣背景亮溫范圍，排除短時(shí)間非典型氣候的影響，選用月平均大氣廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 窗口頻率月平均全球大氣背景亮溫Fig.5 Monthly mean global atmospheric background brightness temperature of the window frequency

圖6 吸收頻率月平均全球大氣背景亮溫Fig.6 Monthly mean global atmospheric background brightness temperature of the absorption frequency

圖5和圖6展示了冬夏兩季、9.545 THz窗口頻率與7.615 THz吸收頻率月平均全球大氣背景亮溫?？梢钥闯?，窗口頻率亮溫分布不均勻，范圍在225～265 K，兩極亮溫低，靠近赤道亮溫高，與海洋陸地相關(guān)性不大。吸收頻率亮溫分布較為均勻，范圍在190～235 K，亮溫變化與季節(jié)相關(guān)性很強(qiáng)，冬季南極亮溫高，北極亮溫低，夏季相反。這可能是因?yàn)槎膬杉咎栔鄙潼c(diǎn)移動(dòng)所導(dǎo)致的。

2.2.2 單日晝夜全球大氣背景亮溫

月平均全球大氣背景亮溫反映了不同季節(jié)大氣背景亮溫的整體情況，但與實(shí)際觀測(cè)時(shí)的亮溫值有所偏差，因此還需對(duì)短時(shí)間內(nèi)的大氣背景亮溫進(jìn)行仿真。本文隨機(jī)選用冬夏兩季單日晝夜瞬時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 窗口頻率單日晝夜全球大氣背景亮溫Fig.7 Single daytime and night global atmospheric background brightness temperature of the window frequency

圖8 吸收頻率單日晝夜全球大氣背景亮溫Fig.8 Single daytime and night global atmospheric background brightness temperature of the absorption frequency

圖7和圖8展示了冬夏兩季9.545 THz窗口頻率和7.615 THz吸收頻率單日晝夜全球大氣背景亮溫。可以看出，窗口頻率亮溫分布非常不均勻，除兩極外，大部分地區(qū)亮溫起伏較大，十分不利于目標(biāo)探測(cè)。吸收頻率則恰恰相反，中低緯地區(qū)一直處于均勻的狀態(tài)，兩極地區(qū)隨季節(jié)明暗交替變化，具有規(guī)律性。窗口頻率晝夜大氣背景亮溫變化絕對(duì)值均值冬季為2.36 K，夏季為2.52 K；吸收頻率晝夜大氣背景亮溫變化絕對(duì)值均值冬季為2.06 K，夏季為1.21 K。晝夜變化對(duì)窗口頻率和吸收頻率大氣背景亮溫的影響不明顯。造成這種情況的原因可能是晝夜變化主要改變的是溫度和水汽廓線，而一天時(shí)間尺度內(nèi)可能只是地表附近的溫度和水汽有部分變化，不足以讓大氣背景亮溫產(chǎn)生明顯改變。

2.2.3 全球大氣背景亮溫仿真結(jié)果分析

在空間目標(biāo)探測(cè)時(shí)，由于空間分辨力和探測(cè)距離的限制，小目標(biāo)一般為亞像元級(jí)目標(biāo)。對(duì)其進(jìn)行跟蹤識(shí)別時(shí)，需要讓目標(biāo)像元與背景像元之間有較高的對(duì)比度，背景亮溫的高低和不均勻都會(huì)影響目標(biāo)檢測(cè)效果。因此，應(yīng)選擇低溫且均勻的背景。

對(duì)比圖5和圖6、圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，窗口頻率較吸收頻率背景亮溫高、空間分布不均勻。且在實(shí)際觀測(cè)中也有可能會(huì)出現(xiàn)暴雨、臺(tái)風(fēng)等特殊大氣現(xiàn)象導(dǎo)致的亮溫波動(dòng)，因此更需選擇合適的探測(cè)頻段來減小這些因素的影響。根據(jù)月平均與單日全球大氣背景亮溫的仿真結(jié)果，吸收頻段相較于窗口頻段，基礎(chǔ)亮溫更低、標(biāo)準(zhǔn)差更低、空間分布更為均勻，更適合進(jìn)行空間目標(biāo)探測(cè)。

2.3 敏感性仿真

根據(jù)第2.2節(jié)的仿真結(jié)果，吸收頻段相較于窗口頻段有著更低更穩(wěn)定的大氣背景亮溫。為了研究導(dǎo)致這種結(jié)果的原因，首先從輻射傳輸理論出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行解釋。

根據(jù)式（2）可知，對(duì)地探測(cè)的星載探測(cè)器接收到的輻射等于右邊第一項(xiàng)地物自身輻射與其反射的大氣下行輻射和右邊第二項(xiàng)路徑上大氣輻射之和。假設(shè)大氣是水平均勻的，其中一層大氣的發(fā)射輻射經(jīng)過路徑上的衰減后能夠到達(dá)探測(cè)器的輻射能量又稱為輻射貢獻(xiàn)，其在總輻射中的占比稱為權(quán)重函數(shù)。當(dāng)某層的權(quán)重函數(shù)較大時(shí)，說明該層大氣輻射未被其他層大氣完全衰減，探測(cè)器所接收到的輻射亮溫主要來自該層大氣。

按照緯度選取了冬夏兩季3個(gè)地點(diǎn)的廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真對(duì)比：高緯度地區(qū)（記為地點(diǎn)c），經(jīng)緯度為80°N、160°E；中緯度地區(qū)（記為地點(diǎn)d），經(jīng)緯度為40°N、160°E；赤道地區(qū)（記為地點(diǎn)e），經(jīng)緯度為0°N、160°E。

2.3.1 溫度敏感性仿真

通過ARTS計(jì)算3個(gè)地點(diǎn)背景輻射亮溫對(duì)溫度的雅可比矩陣，可以反映出不同高度上溫度變化對(duì)輻射亮溫的影響。溫度雅可比矩陣數(shù)值無量綱，物理意義為該高度上輻射亮溫與溫度變化的比值。仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 窗口頻率溫度敏感性Fig.9 Temperature sensitivity of the window frequency

圖10 吸收頻率溫度敏感性Fig.10 Temperature sensitivity of the absorption frequency

圖9和圖10展示了9.545 THz窗口頻率和7.615 THz吸收頻率溫度敏感性的差異。在窗口頻率冬夏兩季溫度敏感峰值高度隨緯度升高而降低，主要集中在0～10 km高度；在吸收頻率冬夏兩季溫度敏感峰值高度隨緯度升高而升高，主要集中在15～30 km高度。

2.3.2 水汽敏感性仿真

同樣利用ARTS計(jì)算背景輻射亮溫對(duì)水汽體積混合比的雅可比矩陣，反映出不同高度上水汽體積混合比的變化對(duì)輻射亮溫的影響。但是與溫度雅可比矩陣不同的是，水汽體積混合比雅可比矩陣是按照單位體積混合比進(jìn)行計(jì)算的，實(shí)際環(huán)境中不同高度的水汽體積混合比不盡相同，需要利用水汽廓線對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。歸一化后的物理意義為該高度上體積混合比自身增加1%，輻射亮溫的變化值。結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 窗口頻率水汽敏感性Fig.11 Water vapor sensitivity of the window frequency

圖12 吸收頻率水汽敏感性Fig.12 Water vapor sensitivity of the absorption frequency

從圖11和圖12的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)9.545 THz窗口頻率冬夏兩季的水汽敏感高度隨緯度升高而降低，主要集中在0～10 km高度；而7.615 THz吸收頻率冬夏兩季的水汽敏感高度隨緯度升高而升高，主要集中在15～40 km高度。

2.3.3 敏感性仿真結(jié)果分析

在太赫茲頻段，大氣對(duì)太赫茲波的吸收與衰減強(qiáng)度主要取決于溫度和濕度兩方面，若某一層的溫度、水汽變化能夠引起較大的輻射亮溫變化，說明該層大氣的輻射貢獻(xiàn)在總輻射中占比更高，權(quán)重函數(shù)更大。同時(shí)對(duì)比圖9和圖11、圖10和圖12可以發(fā)現(xiàn)溫度和水汽的敏感高度有一定的同步性。從輻射傳輸?shù)奈锢磉^程分析，這是由于對(duì)總輻射貢獻(xiàn)占比最高的那層大氣中的水汽在吸收下層大氣的上行輻射后，根據(jù)自身大氣環(huán)境溫度輻射對(duì)應(yīng)能量的太赫茲波，因此溫度和水汽的敏感高度相近有一定的必然性。

根據(jù)第2.3.1節(jié)和第2.3.2節(jié)對(duì)溫度和水汽敏感性的分析，窗口頻段大氣背景亮溫的主要貢獻(xiàn)來自于0～10 km的對(duì)流層。對(duì)流層溫度隨高度升高逐漸下降，是整個(gè)大氣層水汽最為集中，也是天氣變化最頻繁復(fù)雜的地方。吸收頻段大氣背景亮溫的主要貢獻(xiàn)來自于15～30 km的平流層。平流層溫度隨著高度升高逐漸回升，但整體溫度仍略低于對(duì)流層，同時(shí)這一層水汽含量極少，且全球分布均勻。對(duì)流層和平流層的物理差異導(dǎo)致了圖5～圖8中的仿真結(jié)果：窗口頻段的大氣背景亮溫整體偏高且全球分布不均勻，吸收頻段的大氣背景亮溫整體偏低且分布非常均一。

3 結(jié) 論

針對(duì)太赫茲高頻段空間目標(biāo)探測(cè)對(duì)地觀測(cè)模式大氣輻射背景研究匱乏的問題，利用HITRAN分子光譜數(shù)據(jù)庫對(duì)大氣輻射傳輸模型ARTS進(jìn)行擴(kuò)展，結(jié)合ERA-interim再分析數(shù)據(jù)仿真了冬夏兩季海洋與沙漠地點(diǎn)7～10 T Hz大氣透過率的變化，得到了該頻段內(nèi)幾個(gè)帶寬較寬，有應(yīng)用價(jià)值的窗口頻段和吸收頻段，窗口頻段為9.290～9.334 THz和9.500～9.594 THz；吸收頻段為7.307～7.712 THz、8.254～8.503 THz和9.020～9.144 THz。這些頻段可為后續(xù)太赫茲通信、遙感等應(yīng)用目的提供頻率選擇基礎(chǔ)。

根據(jù)透過率分析的結(jié)果，選擇窗口頻段和吸收頻段中兩個(gè)點(diǎn)頻結(jié)合冬夏兩季月平均和單日全球廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，窗口頻率的大氣背景亮溫范圍在225～265 K，吸收頻率的大氣背景亮溫范圍在190～235 K；吸收頻率較窗口頻率大氣背景亮溫更低，空間分布更均勻，更適合作為太赫茲目標(biāo)探測(cè)的背景。

根據(jù)輻射傳輸理論，星載探測(cè)器接收到的大氣輻射來自于地物輻射和大氣輻射兩部分，其中對(duì)大氣輻射占主要貢獻(xiàn)的那一層大氣決定了大氣背景亮溫的整體水平。為了通過輻射亮溫對(duì)不同高度大氣的敏感程度來側(cè)面探究每層大氣輻射貢獻(xiàn)的權(quán)重函數(shù)，選取冬夏兩季3個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行溫度和水汽敏感性分析。仿真得出窗口頻率輻射亮溫對(duì)對(duì)流層0～10 km溫度和水汽變化敏感，吸收頻率輻射亮溫對(duì)平流層15～30 km溫度和水汽變化敏感。溫度和水汽的敏感高度也代表了輻射亮溫的主要貢獻(xiàn)高度。由于對(duì)流層溫度一般高于平流層，且水汽含量較大，變化頻繁。因此，窗口頻率大氣背景亮溫偏高，分布不均一，吸收頻率大氣背景亮溫偏低，分布均勻。

綜上所述，在進(jìn)行空間目標(biāo)探測(cè)時(shí)，選擇太赫茲高頻段的吸收頻率可以獲得低溫且穩(wěn)定均一的背景，有利于提高圖像信雜比，為之后目標(biāo)的跟蹤識(shí)別提供背景基礎(chǔ)。