太赫兹大气遥感技术

胡伟东，季金佳，刘瑞婷，王雯琦，Leo P. LIGTHART,2

(1.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081;2.荷兰代尔夫特理工大学,代尔夫特 2628 CN 荷兰)

太赫兹大气遥感技术

胡伟东1*，季金佳1，刘瑞婷1，王雯琦1，Leo P. LIGTHART1,2

(1.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081;2.荷兰代尔夫特理工大学,代尔夫特 2628 CN 荷兰)

由于其独特的大气敏感特性，太赫兹波在大气遥感领域起着越来越重要的作用。国际上太赫兹大气遥感技术发展方兴未艾。2004 年，美国NASA发射AURA卫星，探测仪器中包括了具有两种极化的2.5 THz 辐射计；2007年，欧空局ESA研制了Marschals外差式光谱仪，采用临边探测方式探测气体成分在亚毫米波段热辐射的高光谱。我国在轨气象卫星风云三号已经具备毫米波段辐射计，风云四号卫星是世界上首颗搭载太赫兹遥感仪的地球静止轨道气象卫星。针对我国大气遥感的现状，在概述国内外太赫兹遥感应用和技术的基础上，提出发展自主知识产权的大气遥感技术的思路；大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件、太赫兹探测仪系统集成，研究太赫兹大气探测的新原理和反演新方法，整体提升我国在大气遥感领域的技术水平。

太赫兹；大气遥感；云粒子；辐射计

1 引 言

太赫兹(THz)波是位于微波和红外频段之间的电磁波，通常情况下，规定为频率在0.1～10 THz 范围内，也被称为亚毫米波。太赫兹波具有较强的穿透性、高效抑制背景噪声、良好的时间和空间相干性等特性，使得太赫兹技术在大气遥感领域起着越来越重要的作用。长期以来，由于太赫兹有效产生源和灵敏检测技术的限制，太赫兹波大气探测技术发展缓慢。随着空间技术的进步，太赫兹波在大气遥感领域的应用越来越广泛，并且可以与现有的波段形成有力的互补，更加推动了其发展[1-2]。

作为人类空间活动的最主要区域，大气空间的物理特性及其扰动变化，与人类的经济、军事和科技等活动密切相关[3]，因此大气探测是地球空间探测的重点。本文主要介绍了太赫兹技术在大气遥感中的作用，从探测仪、关键器件到信号检测算法等各个方面，综述了太赫兹技术在大气遥感领域的发展现状以及发展趋势。在此基础上，结合目前我国太赫兹技术的现状，提出了发展我国自主可控的太赫兹大气遥感技术的思路。

2 太赫兹技术在大气遥感中的作用

大气遥感辐射测量的主要设备为辐射计，主要功能是实现对被探测空间的遥感辐射成像。所谓遥感辐射成像技术是指通过接收物体及背景的微波、毫米波、太赫兹米波辐射能量来探测物体的特性，进而生成图像[4]。在太赫兹波段，由于大气中的许多微量气体分子具有特征吸收线，可以识别出这些组分， 确定其中大部分气体(包括羟基自由基在内的多种气体)成分的浓度，从而可以反演出微量气体垂直廓线，来实现大气监测。太赫兹波对含氯、硫、氮和氰等因人类活动而排放的废气具有特殊的敏感性，可利用此特性进行臭氧层的大气环保监控。同时，辐射计可在任何天气条件下，对于全球水汽的分布进行监测。表1为不同频段的辐射计对应的主要大气探测目标。

表1 各频段辐射计与主要探测目标的关系

随着对于获得遥感信息提出多样化和高精度等越来越多的要求，探测技术也在发生着变化。大气的垂直结构从低到高可分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层，各层高度可见图1。根据观测高度与精度的不同需求，目前对于大气观测主要采用3种方式观测：天底观测、掩星观测和临边观测。天底观测可获得较大的空间观测范围，但是垂直分辨率会较低；掩星观测虽然垂直分辨率高，但探测仪绕轨道一周只进行两次有效观测，导致空间覆盖范围较小；临边观测方式将两种方法结合，具有较大的空间覆盖范围的同时，又具有高的垂直分辨率。起初，人类主要应用的天底观测，逐步发展到了掩星观测和临边探测，从单一模式发展到了多种模式结合应用[5]。同时为了提高遥感信息的精度，星上定标技术也越来越受到重视。

图1 大气分层结构 Fig.1 Layered structure of atmosphere

与可见光、红外成像系统相比，太赫兹遥感大气探测受到的大气衰减较小，可以像红外系统一样在低能见度的黑夜正常工作，因其对云雾、烟尘、雨雪和沙暴等物质的穿透能力极强，可实现全天时、全天候的观测。与主动系统相比，太赫兹波的辐射图像与光学图像很相似，有利于物体的辨认[6]。因此，太赫兹技术在大气探测领域具有广阔的应用前景。

3 太赫兹探测仪发展现状和趋势

通过上述分析可以看出，太赫兹辐射计在大气温度、微量气体、污染物、水汽廓线、冰粒子大小形状以及云和降水测量等方面均具有非常大的应用潜力。目前太赫兹大气探测仪主要分为星载太赫兹大气探测仪和机载太赫兹大气探测仪。

3.1星载太赫兹大气探测仪

1974年，前苏联发射的Cosmos-669卫星携带了第一个太空亚毫米波测辐射热计系统，工作频段范围：300 GHz～5 THz，用于测定大气层的降水、大气温度、云、压强、水汽等分布信息，这也是首次将太赫兹技术应用于大气探测[8]。

1978年，前苏联发射了携带亚毫米波望远镜的Salyut6空间站，工作频段范围：200 GHz～15 THz。同年，载有高分辨4通道微波辐射计单元(MSU)的Tiros-N的发射，标志着星载平台的性能已进入稳定期。由于地面大规模数据接收与处理系统的形成，使星载辐射计正式迈入了商业应用阶段。MSU的空间分辨率为110 km，可以获得云顶及海面温度，同时也用以探测大气温度廓线。

1982年，美国国家海洋和大气局和美国国防部实行DMSP-Block 5D-2 计划。在1991年发射的DMSP-F11、1994 年发射的DMSP-F12和1997 年发射的DMSP-F14这三颗卫星上成功搭载用于反演水汽廓线的SSM/T-2。辐射计工作的中心的频率分别为91 GHz、150 GHz、183 GHz。这3颗卫星的成功发射，使得人类实现在任何天气条件下全球水汽分布的监测[8]。

上世纪90代年以来，互联网和计算机技术的飞速发展，对于遥感数据的获取、传输与共享速度与质量的提高起了推动作用。同时，新材料、新器件日新月异，星载大气探测仪的结构与性能越来越完善，向着高频段、多通道、高分辨率成像、一体化的方向发展。

1991年，美国喷气动力实验室(JPL)发射UARS 卫星，如图2所示，上面成功搭载了有3个通道微波临边探测器(MLS)，3个工作的中心频段分别为63 GHz、183 GHz、205 GHz，首次成功使用全功率型常温双边带超外差式高分辨率光谱接收机技术，实现了亚毫米波临边探测应用[9]。

图2 UARS卫星 Fig.2 UARS satellite

1998年，NASA 发射SWAS卫星，如图3所示，上面搭载了椭圆卡塞格伦望远镜，使用了次谐波肖特基管接收机。4个探测通道：(1)A1:541～558 GHz;(2)A2:486.1～503.9 GHz;(3)B1:563～581.4 GHz;(4)B2:547～564 GHz[10-11]。同年， NOAA-15 卫星成功发射，其上搭载了AMSU-A和AMSU-B ，其工作频段观测频率：在23.8～83.31 GHz范围内 共20个通道，同时拥有较高的空间分辨率，分别为48 km和16 km[11]。

图3 亚毫米波天文卫星(SWAS) Fig.3 Submillimeter Wave Astronomy Satellite

2001年2月，芬兰、瑞典、加拿大和法国联合发射ODIN卫星，主要载荷为太赫兹波辐射计，工作频率为：119 GHz、486～580 GHz。并与2007年4月探测到了星际介质中的氧气分子。

2003年，美国国家防御系列DMSP(F-16)气象卫星上成功搭载了最新式微波成像仪，频率覆盖：19～183 GHz，共有24个通道，探测目标：云特性以及海水表面温度[13-14]。

2004 年，NASA成功发射了AURA卫星，其上搭载了2.5 THz的临边探测载荷，探测目标：地球大气中的OH根离子、氯氧化物、臭氧等的缝补和成分浓度[15]。

2005年，CIWSIR由ESA研制，工作频率：183、243、325、448和664 GHz，共有9个工作通道，每个频率均采用双极化方式，探测目标：183 GHz(水汽的背景辐射)；剩下4个工作频率均是为了探测冰云。

2007年，ESA发射Herschel卫星，Herschel卫星是一台被动制冷望远镜，如图4 ，其主要载荷为高分辨率外差频谱仪，覆盖频段：450 GHz～5 THz，目的：对于深空进行宽频段探测。优势：与地基设备相比，无大气干扰，探测距离更远，分辨率更高。

图4 Herschel卫星搭载的固态太赫兹倍频源 Fig.4 Solid state terahertz frequency doubled source carried by Herschel

2009年，JEM/SMILES(Japanese Experiment Module/Super-conducting Submillim-erter-Wave Limb-Emission Sounder)搭载于HTV进入ISS国际空间站[16]。SMILES主要用来探测如臭氧，HCl(H37Cl和H35Cl)、ClO、HO2、HOCl、BrO和CH3CN等大气微量元素。该设备共有3个中心频段，分别为：624.9 GHz、625.72 GHz、649.62 GHz；系统噪声<500 K;增益误差：1%；偏移误差：1 K；NE△T：0.4 K。

2008～2013年间，中国成功发射3颗“风云三号”(FY-3)系列气象卫星，卫星上成功搭载了微波湿度计(MWHS)、微波温度计(MWTS)(如图5)、微波成像仪(MWRI)等有效载荷，FY-3中频段覆盖范围从10.65～183 GHz中的多个频段，载荷主要用于对于大气温度、大气湿度、降水和云水、大气可降水、海平面温度和风速、土壤湿度和温度、雪盖等进行探测，该系列卫星不仅造福于中国，对于国际社会的大气、气象、水文和环境等业务起到有益的作用[17]。

图5 微波温度计实物 Fig.5 Photos of microwave thermometers

2016年12月11日，中国在西昌卫星发射中心成功发射风云四号(FY-4)卫星(01实验星)，如图6所示。该卫星是中国第二代静止轨道气象卫星，卫星上搭载了干涉式大气垂直探测仪、多通道扫描成像辐射计、闪电成像仪和空间环境监测仪这4种先进的有效载荷，可为天气的分析与预报、气候预测、空间环境监测等提供服务[18]。

图6 风云四号卫星 Fig.6 Photo of FY-4 Satellite

3.2机载太赫兹大气探测仪

PSR(极化扫描辐射计)由NOAA 研制，是一台多功能机载成像微波辐射计，挂载于各种飞行器，主要目的：获取陆地、云、冰、地球海洋、降水等发出的极化微波信息。

SWCIR(submillimeter-wave cloud ice radiometer)由美国JPL实验室研制，如图7所示，搭载于DC-8 飞机上，4个中心频率为：643 GHz、448 GHz、325 GHz和183 GHz，共有4个工作通道，探测目标：对流层上层冰云的冰水路径和等效球形粒子半径。主要工作目的：研究和验证辐射计对于量化卷云微物理特性的探测，以此来发展轻便和低耗的空基冰云辐射计技术[19]。

1997年，Evans等人模拟分析亚毫米波段卷云的散射特征，为期后来的应用打下了理论基础。研究频段：150 GHz、320 GHz、340 GHz、500 GHz、630 GHz和880 GHz，在卷云模式中，同时考虑了冰晶非球形等多种粒子谱分布。研究结果表明，由于水汽吸收衰减，500 GHz以上的高频对于低卷积云的的烟感能力减弱，但是并不影响其对于高卷积云的遥测[21]。Evans等人对于应用在SWCIR上反演冰云的Bayesian算法进行了反演研究，验证了该算法拟合这些微物理参数和亮温的有效性。

图7 SWCIR 设计图 Fig.7 Schematic diagram of SWCIR

CoSSIR(Conical Scanning Sub-millimeter-wave Imaging Radiometer)由NASA/戈达德航天飞行中心研制，如图8所示，中心频率：183 GHz、220 GHz、380 GHz、487 GHz和640 GHz，共有12个通道，搭载于NASA-ER2飞机，探测目标：遥感冰云的粒子尺度和冰水路径，同时可用于遥感水汽廓线和降雪率[21]。结果显示：在毫米波波段的噪声较大，但太赫兹波段相较于低频段，其对冰云粒子更敏感，并可以联合CloudSat 系统反演IWC 和Dme。

图8 圆锥扫描亚毫米波成像辐射计(CoSSIR) Fig.8 Photo of conical scanning sub-millimeter-wave imaging radiometer

Marschals由ESA 在研制，主要为了验证MASTER 的可行性、亚毫米波频段的优势以及MASTER 光谱辐射计的需求。该探测仪为机载外差式光谱仪，采用临边探测方式。共有3个工作频段，分别为：300 GHz、321 GHz和345 GHz，探测目标为部分气体成分在亚毫米波段的热辐射高光谱。

综上所述，无论是何种平台的大气探测仪，接收机基本结构和工作原理大致相同，只是为了适应不同的场合，在天线型式、定标方式、接收机保温措施等方面略有不同。在早期，大气探测仪实际上就是超外差接收机形式微波辐射计。因此，长期以来研究人员的主要精力在寻找提高辐射计的灵敏度、绝对精度和长期稳定性的有效方法，这3个指标也是衡量微波辐射计性能的最关键指标。太赫兹探测仪的工作频率都是在大气敏感窗区通道，近年来，664 GHz、874 GHz等太赫兹频率已被用于冰云探测；极化通道已成为太赫兹探测仪的必要配置；太赫兹探测仪的关键器件决定系统性能，器件噪声性能影响系统的测量精度。

4 太赫兹关键器件的发展与趋势

4.1太赫兹大气遥感中混频器技术发展现状

1978年，美国Bell实验室的学者 E.R.Carlson等人采用悬置微带线技术，研制出了66～110 GHz的分谐波混频器，最小噪声温度为400 K。

1998年，美国JPL的学者 I.Mehdi、P.H.Siegel等人研制了全固态640 GHz分谐波混频器。利用平面GaAs肖特基二极管，本振信号通过107 GHz的InP Gunn氏管振荡器提供，本振功率在小于4 mW时可最佳激励二极管对。

2000年，美国学者S.M.Marazita、J.L.Hesler和T.W.Crowe等人研制了585 GHz的集成混频器，运用MASTER技术，在77 K温度下双边带噪声温度为880 K，室温下为1 150 K[22]。

2007年，来自英国RAL的学者S.Marsh、B.Alderman等人采用 应用GaAs肖特基二极管，研制出了石英基片悬置微带分谐波混频器，工作频率为183 GHz[23]。

2009年，爱尔兰学者L.Floyd等研制了380 GHz的分谐波混频器。该混频器用类似MMIC的形式直接制作在GaAs基片上，二极管和无源电路作为混频器件，再用石英基片微带将中频信号引出[24]。

2010年，英国Rutherford Appleton Laboratory及英国University of Leeds联合研制出了664 GHz分谐波混频器。该分谐波混频器本振功率为4.2 mW，在650～690 GHz范围内，变频损耗测试结果小于10 dB，最优仿真结为8 dB[25]。

综合分析国外太赫兹混频器的发展可以得出如下的结论，20世纪80年代后，主要采用基波混频形式，典型变频损耗约为7.5～9 dB；90年代，主要要采用谐波混频方式，典型变频损耗为6.5～8 dB；90 年代后，主要方式是分谐波式混频。

4.2放大检波电路

2003年，A.Leuther、A.Tessmann和C.Sehwoerer等人应用耗尽型MHEMT技术，实现单级低噪声放大器[26]。结果显示，频率在80～100 GHz时，最小噪声系数=2.1 dB，均值NFavg=2.3 dB，Ga>12 dB。

2008年，Jonathan J.Lynch等人成功研制毫米波预放大零偏检波电路组件。该检波电路组件将W波段低噪声放大器单片与一片同频段零偏检波器单片直接进行一体化集成，使得器件的体积实现了最小化。其中，低噪声放大器尺寸为2.565 mm×0.845 mm，检波MMIC在80～110 GHz频带上，电压灵敏度达到3 000 V/W。

2009年，E.W.Bryerton等人利用波导到微带过渡结构完成模块设计研制了W波段四级LNA单片。测试结果显示在室温时，频率在70～92 GHz范围内，噪声系数仅为3 dB，测得增益介于26～30 dB之间[25]。

2012年，D.R.Lu等人制作出高增益宽带放大器。放大器采用65 nm CMOS工艺，工作频率为75.5～120.5 GHz，带内增益大于20 dB，同时在87～100 GHz范围内，噪声系数介于6～8.3 dB之间[27]。

2013年，M.Hrobak、M.Sterns等人发布了基于平面零偏置肖特基砷化镓检波二极管而进行设计的检波器。该检波器频率在60～110 GHz内，电压灵敏度大于1 000 mV/mW，切线灵敏度小于-43d Bm[28]。

国内对低噪放和检波器的的研制起步较晚，成果相对落后。

2009年，中电13所的刘永强等利用InP HEMT工艺，成功设计了W波段低噪声放大器[29]。该放大器工作频率为80～102 GHz，工作频段范围内实现噪声系数小于5 dB，增益大于19 dB。

2008年，电子科技大学的王珊珊等人应用单片集成电路方法，研制了W波段低噪声放大器。频率为82 ～100 GHz，该频段范围内，放大器增益大于30 dB，同时在频率为94 GHz时，1 dB压缩点输出功率实现了14.8 dBm[30]。

2013年，电子科技大学的薛伟研制了共面线输入的W波段宽带检波器。在75～101.5 GHz范围内，电压灵敏度大于2 mV/μW。在频率为75～110 GHz范围中，视频带宽约为100 Hz时，切线灵敏度Tss≤58 dBm[31]。

综上所述，我国在太赫兹关键器件的发展方面同国外相比存在较大差距，低噪声放大器、混频器和检波器等太赫兹探测仪的核心器件不能长期依赖国外进口，特别是星载太赫兹探测仪的关键器件。因此，立足我国自主知识产权的太赫兹集成电路基础和工艺水平，加大投入，攻坚克难，才能为我国自主可控的太赫兹探测仪发展奠定基础。

5 太赫兹信号检测方法的进展

我们可以把太赫兹信号检测技术分为非相干直接能量类和相干时域连续波类。非相干直接能量类采用直接方式检测，一般状况下，只可以检测太赫兹波的辐射强度，不包括其相位信息，这种检测方法为非相干类宽带检测[32]。后者属于相干检测，又可以细分为太赫兹时域光谱检测技术和太赫兹低频端超外差式检测器的检测技术。

5.1太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术其优点是具有比传统傅里叶变换更好的信噪比以及频率分辨率，可以测量的最大带宽大概为5 THz，用于微波探测材料表现出来的物理特性[33]。

最初使用光电导天线探测超短电脉冲。光电导采样和光电导发射互为逆进程的关系。自由空间电光采样方法，是利用电光取样来得到整个太赫兹电磁辐射波形信息，其中同时包含相位和振幅信息，该技术属于线性电光效应的探测领域。在太赫兹的低频范围，对于特定的太赫兹辐射，光电导采样具有较高的灵敏度、较高的信噪比和可达37 THz的探测范围。但是，由于天线参数的因素，限制了光导天线的探测频率，目前最大可以探测4 THz[34]。

5.2时域相干连续检测技术

一般状况采用窄带探测方式来获取更高频率分辨率。通常在毫米波太赫兹波范围内采纳外差类方式来制造较为灵敏探测器。局部振荡信号输出可大于固定的接收信号能量，处理时，可利用外差法通过混频器将较难处理的太赫兹高频信号转换成便于处理的低频信号，而后测量和放大该低频信号。混频器具有非线性的伏安特性。太赫兹波段常用的混频检测器主要包括三类：超导-绝缘-超导混频器、肖特基二极管混频器[35]、热电子辐射热计混频器。

肖特基二极管混频器的最大工作频率为2.5 THz， NEP大约是10-19W/Hz1/ 2量级[34]。采用光子辅助隧穿机制的SIS 混频器，常用于小于1 THz太赫兹信号的频率探测，已于2007年用在了欧洲空间局的亚毫米波空间望远镜的系统上。HEB混频器通常用NbTiN等来制作微桥，尺寸在微米级，优点是太赫兹信号的热效应响应有灵敏性，电子温度决定了HEB 的阻抗，在加上直流的偏置之后，测得的电压与太赫兹功率成比例关系。

5.3直接检测技术

该技术在不需要本振信号和中频放大器的情况下，可以把被测的信号转变为常用的电压、电流信号，太赫兹波直检器包括常温类和低温类。其优点是较宽的探测频段，系统简单。但是，只包含幅度信息，不包括相位信息。其缺点是在后端读出电路中对低噪声有较高要求，灵敏度低、响应时间长、有标定问题、背景噪声影响大等[36]。

太赫兹检测向单光子检测发展，基于MEMS 的测辐射热计[373]，可以探测太赫兹单光子。用高磁场冷却温度至50 mK时，探测频率范围是1.4～1.7 THz，其NEP约为10-22W/Hz1/ 2量级，高出普通Bolometer的NEP 3个数量级[383]。

6 结束语

太赫兹波段的大气遥感技术在对地观测中发挥着越来越重要的作用。我国风云系列气象卫星中太赫兹载荷已经取得了很大的进展。但是，自主知识产权的太赫兹遥感技术有待加强。为实现自主可控，我国必须合理规划太赫兹技术的发展路线：一方面，大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件，稳定、可靠、低噪声、抗辐照等性能作为考核的重要依据，稳步提高太赫兹器件的工作频率；另一方面，大力发展太赫兹探测仪系统集成，提高测试水平，提升测试工作频率；第三方面，研究太赫兹大气探测的新原理和反演新方法，加强探索和实践，整体提升我国在大气遥感领域的技术水平。

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Terahertzatmosphereremotesensing

HU Wei-dong1*, JI Jin-jia1, LIU Rui-ting1, WANG Wen-qi1, Leo P. LIGTHART1,2

(1.BeijingInstituteofTechnology,Schoolofinformationandelectronics,Beijing100081,China； 2.DelftUniversityofTechnology,Delft2628CN,Netherlands)

Terahertz waves play an increasingly important role in the field of atmosphere remote sensing due to its unique atmosphere sensitivity. Terahertz atmospheric remote sensing technology has been a research hotspot at the international level. In 2004, NASA launched AURA, which included 2.5THz radiometer with two polarization properties. In 2007, ESA developed the Marschals heterodyne spectrometer, which adopted limb scanning method to detect the hyperspectral spectra of gas components in sub-millimeter wave thermal radiation. Currently, China′s in-orbit meteorological satellite Fengyun-Ⅲ is equipped with a millimeter-band radiometer, and Fengyun-Ⅳ is the world′s first GEMS carrying terahertz remote sensing instrument. Based on the analysis of the application and technology of terahertz remote sensing at home and abroad, this paper puts forward the idea of developing remote sensing technology with independent intellectual property rights according to the current situation of atmospheric remote sensing in China.

terahertz;atmosphere remote sensing;cloud particles;radiometer

TP722.6

A

10.3788/CO.20171005.0656

胡伟东(1975—)，男，山西应县人，博士，教授，博士生导师，主要从事太赫兹遥感技术方面的研究。E-mail:hoowind@bit.edu.cn

Leo P. Ligthart，荷兰代尔夫特理工大学荣誉教授，2001年当选为电气与电子工程师学会会士、IET 会士，欧空局特聘专家；2003年俄罗斯运输科学院院士。2014年，北京理工大学外聘教授，进入教育部“111”引智计划，北京理工大学外籍专家，主要从事无线电传播、多功能天线、多参数雷达、MIMO雷达、大气遥感、毫米波与太赫兹技术等方面的研究。

2017-05-11；

2017-08-13

国家自然科学基金重大科研仪器项目(No.61527805)；国家自然科学基金群体项目(No.61421001)；高等学校创新引智计划资助项目(No.B14010)

Supported by Major Instrument Project of National Natural Science Fundation of China(No.61527805)； Group Project of National Natural Science Fundation of China(No.61421001)； Project of Innovation & Introduced Intelligence for colleges and universities of China(No.B14010)

2095-1531(2017)05-0656-10

*Correspondingauthor,E-mail:hoowind@bit.edu.cn