太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展

李 斌，龙 园，刘 欢，赵春江



太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展

李 斌1,2,3,4，龙 园1,2,3，刘 欢1,2,3，赵春江1,2,3,4※

（1. 北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097； 3.农业部农业遥感机理与定量遥感重点实验室，北京 100097；4. 数字植物北京市重点实验室，北京 100097）

太赫兹波在电磁波谱中位于中红外波与微波之间，具有探测分子间或分子内部弱相互作用的独特性质，是当前研究的热点之一。近年来，随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展，太赫兹光谱及成像技术在多个领域正逐步从实验室研究转向实际应用，包括安全成像检测、航空航天、爆炸物分子检测等，同时农业领域专家学者也积极开展了太赫兹技术的农业应用研究，取得了较好的研究进展。该文从太赫兹光谱简介、产生探测原理、样品制备及数据处理出发，系统地介绍了待测样品理化信息的太赫兹数据获取方法，然后结合太赫兹技术特性，聚焦农业领域，探讨了太赫兹光谱和成像技术在该领域中的应用研究进展及有待解决的问题，具体包括农业生物大分子检测、农产品质量安全检测、植物生理检测和环境监测等多个方面，进而揭示太赫兹技术这一新兴科技在农业领域的研究潜力和应用前景。

农业；光谱分析；监测；太赫兹技术；研究进展

0 引 言

太赫兹波指的是频率0.1～10 THz（波长为0.03～3 mm）范围内的电磁辐射的统称，通常也被称为太赫兹辐射、T射线等[1]。从频率的角度分析，太赫兹波是电磁波谱中位于中红外波与微波之间的波段，通常被称为远红外波段；从能量的角度分析，太赫兹波能量为4.1 meV，属于毫电子伏特的能量级，远低于X射线千电子伏特的能量级，位于电子与光子能量之间，因此其属于电子学与光子学的交叉领域[2-3]。

在电磁波谱中，位于太赫兹波段两端的红外和微波技术应用研究已较为成熟，但是太赫兹波段仍然是研究上的一个“空白”，也就是科学家们通常描述的“太赫兹空隙”[4-5]。由于之前一直缺乏太赫兹波的产生和探测设备，造成了上世纪尤其是八十年代以前科学家们对太赫兹技术的研究及认识有限。近年来超快激光技术的迅速发展，太赫兹波段光源设备的可靠性不断改善，太赫兹技术及应用逐步成为光谱检测领域的研究热点[6]。

鉴于太赫兹波特殊的波段区间，相比其他波段，其在光谱检测方面具有诸多独特优势，例如：低能性使其不会因为电离对物品及人体造成伤害；对水的敏感性使其能通过生物体中水分子的特征吸收谱来研究物质组成和进行产品检测；相干性使其能直接测量电场的振幅和相位，进而提取样品的折射率和吸收系数；生物大分子的太赫兹指纹特性，使其能用于辨别毒品等物质的特征，对于缉毒和反恐具有重要意义；另外，太赫兹波具有宽带和高分辨率，单个脉冲通常可以覆盖从GHz至几十太赫兹的范围[7-11]。

近年来，正是因为太赫兹技术独特的性质和用途，太赫兹技术得到了各国的高度重视：美国政府于2004年将THz科技列为“改变未来世界的十大技术”之四；日本于2005年1月8日将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首；中国政府在2014年4月专门召开了以“太赫兹波在生物医学应用中的科学问题与前沿技术”为主题的香山科技会议，制定了中国THz技术发展规划[12]。

目前全世界范围已经形成了一个THz技术研究高潮：在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS和ORNL等，都在开展THz科学技术的研究工作；在欧洲，英国的Rutherford国家实验室、剑桥大学、里兹大学和Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn和Hamburg等机构，都积极开展THz研究工作；在亚洲国家和地区，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作，并发表了不少高质量的学术论文，日本东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC、NTT Advanced Technology Corporation等公司都大力开展THz的研究与开发工作。当前太赫兹技术产生与探测技术、太赫兹光谱和成像技术及应用、太赫兹通讯是太赫兹技术的研究热点领域。

农业是太赫兹技术的重要应用领域之一，太赫兹光谱及成像技术在农业领域的应用探索具有重要研究价值。鉴于此，本文对太赫兹技术及其产生与探测原理、样品制备与信息获取方法以及农业领域的应用研究进行系统性地综述，为深入探索太赫兹技术的农业应用研究提供参考。

1 太赫兹光谱技术

1.1 太赫兹光谱技术简介

太赫兹光谱技术可追溯至上个世纪80年代，由AT&T Bell实验室的Auston等[13]和IBM公司的Watson研究中心的Fattinger等[14]先后发展起来的，是利用飞秒超快激光来获取太赫兹脉冲的相干探测技术。这项技术是通过太赫兹脉冲在样品上透射或反射，直接获取样品的时域波形，然后通过傅里叶变换得到其相应的频域分布波形，通过分析和计算该频谱的相关数据，就可以得到被测样品的光学参数（如折射率、吸收系数等）。

1.2 太赫兹脉冲的产生

产生THz脉冲最常见的两种方法是光电导天线法和光整流法。

1.2.1 光电导天线法

在上个世纪80年代末期，Fattinger等[14-18]提出使用光电导天线产生太赫兹脉冲。目前最常用的光电导材料是辐射损伤硅—蓝宝石（RD-SOS）和低温生长砷化镓（LT-GaAs）[19]。

光导天线辐射的太赫兹脉冲，平均功率一般在10纳瓦到几微瓦范围内，这取决于激发光强大小与直流偏置电压[20]。

1.2.2 光整流法

光整流是一种较为常见和容易的产生太赫兹脉冲的方法，这种方法并不需要天线的结构。它是一种非线性光学效应，是电光效应的逆过程。这种技术最早是Yang等[21]在利用皮秒量级激光脉冲在LiNbO3产生远红外辐射的过程中来实现的，而后Hu和Zhang等[22-23]在上个世纪90年代初提出了基于亚皮秒光整流机制产生太赫兹脉冲。目前比较常用的非线性介质有DAST、ZnTe、GaAs。

1.3 太赫兹脉冲的探测

在探测宽频带太赫兹脉冲方面，光电导取样法与电光取样法是最常用的两种探测方法。光电导取样其实可以被看成是光电导天线发射太赫兹脉冲的逆过程，所以在装置方面，它与光电导天线产生太赫兹脉冲是基本相同的。电光取样是利用电光效应来完成太赫兹探测的，可以认为是光整流效应的逆过程，是由Wu等[24]和Nahata等[25-27]提出并逐渐发展起来的。

1.4 太赫兹时域光谱系统原理

太赫兹时域光谱系统根据对不同的样品以及测试要求可被划分为透射式、反射式、差分式等，常见透射式太赫兹时域光谱系统光路图如图1所示。钛宝石飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲，经过分光镜，被分为泵浦脉冲和探测脉冲。在经过光学斩波器调制之后聚焦于太赫兹发射器，发射出亚皮秒级太赫兹脉冲。所产生的太赫兹脉冲用两个抛物面镜来聚焦于探测器。通过一个光学延迟平移台来改变泵浦脉冲和探测脉冲的时间延迟，太赫兹波的全部时域分布就可以被追踪到。

图1 太赫兹光谱产生与探测光路图

透射式系统的特点在于把样品放在太赫兹发射器和探测器之间，让太赫兹脉冲穿透过去，获取样品的太赫兹时域光谱，所以这也就说明了样品的厚度不宜过厚，经过多次试验发现，固体样本厚度一般在1 mm左右。

将样品固定在二维平移台上，放置在太赫兹发射器与探测器之间的透镜焦点位置，样品随二维平移台在水平方向和垂直方向步进制移动，通过太赫兹光谱仪就可以逐点扫描样品的每一点，从而获取样品上每一点的太赫兹光谱信息，然后通过计算机编程就可以重构样品的太赫兹图像，实现样品的太赫兹光谱成像测量。

2 样品理化信息的获取和数据处理方法

2.1 样品制备

样品的制备方法对后续采集样品的光谱特征和图像特征有很大影响。当样品的形态不同时，制作样品的方法有很大差别。

2.1.1 粉末样品的制备

样品为粉末时，一般采用压片法[28]。由于粉末状样品的自我成型效果不好[29-31]，一般使用聚乙烯与样品按一定比例混合，并在一定压力下进行压片，形成合适的直径和厚度，用于实验，并且粉末的颗粒不能过大，对大颗粒粉末需要对其研磨直到其直径小于0.1 mm[32-34]。选择聚乙烯的原因是聚乙烯对太赫兹吸收少，且在太赫兹波段基本透明，有利于压片成型，方便检测。压片时应注意样品的厚度和浓度要适当，且样品要保持均匀平整，压力不宜过大。

2.1.2 液体样品的制备

样品为液体时，一般将一定厚度的液体放入样品池中，对其采集THz波谱。卢承振等[35]测量不同形态水的太赫兹光谱时，将厚度为0.5 mm的样品放在规格为45 mm×45 mm的石英样品池中采集光谱。李健等[36]采用双样品池对比法来测定溶液的太赫兹光谱。石英和聚四氟乙烯材料对于THz呈现较微弱的吸收，所以实验研究中，样品池一般采用石英或者聚四氟乙烯材料制作。

2.1.3 气体样品的制备

样品为气体时，为了形成参考和样品对比测量，一般采用双气室结构测量。赵辉等[37]使用差分吸收检测系统对剧毒挥发性1,3-二硝基苯痕量气体采集太赫兹时域光谱，其中检测系统中一组为标准空气，一组为待测样气，通过对两组数据的差分处理再结合光谱特性获得被测样气的浓度，以实现对环境中二硝基苯气体的检测。

2.2 信息获取

2.2.1 太赫兹光谱信息获取

太赫兹时域光谱仪通过扫描样品获得时域波形，然后对其进行傅里叶变换，得到太赫兹波频谱。获得的频谱信息包含了其他无关信息和噪声等影响因素，需要对频谱数据进行预处理，包括数据平滑，减少噪声，提高信噪比，对其频谱数据进行分析和处理，即可得到被测样品介电常数、吸收系数、折射率等物理特征信息。

1）太赫兹频域光谱

太赫兹时域光谱仪采集样品在时间轴上的波形，如图2所示，是运用作者农业太赫兹光谱与成像实验室的THz仪器（Menlo Systems，TERA K15，Germany）在室温下，连续冲入氮气，采集到的一个典型的参考波形。时域波形需要经过傅里叶变换得到频域曲线，进而分析样品的频谱结构和变化特征，如图3所示，是参考波形经傅里叶变换后得到的频域波形。对频域谱进行平滑去噪等光谱预处理方式，提取频域谱中的特征频段下的光谱信息，然后根据样品在不同频段下的不同频谱特征，对样品进行特征分析和识别检测，包括对样品组分的定性分析、定量检测、杂质含量检测和异物鉴别等。图4是对一个植物叶片进行太赫兹二维逐点扫描后，获取0.8 THz单频下的成像图，后续可运用图像处理技术进行叶脉等信息的有效提取。

图2 参考时域谱

图3 参考频域谱

图4 0.8 THz下的植物叶片太赫兹成像

2）太赫兹吸收系数谱

为进一步研究样品在太赫兹波段的光谱吸收特征，可根据样品的频域强度，计算出样品在特定频域范围内的吸收系数，从而获得样品在单位厚度下的吸光度。极性分子、生物大分子等物质在太赫兹波段具有不同的光谱特征吸收指纹特性，根据被测样品的特征吸收峰可以有效的判别被测样品的组分。如图5所示，为作者在运用实验室条件测量的葡萄糖分子在太赫兹波段的吸收系数谱，可以看到，葡萄糖分子在太赫兹波段具有明显的吸收峰。

图5 葡萄糖固体粉末的吸收系数曲线

2.2.2 太赫兹成像信息获取

太赫兹成像系统相比于太赫兹时域光谱系统，增加了图像处理装置和扫描控制装置，通过提取太赫兹的反射或透射信息，获得物体的三维数据信息，然后对物体的三维信息集合实现重构。现阶段，对样品太赫兹信息重构的方法主要有飞行时间成像，时域最大值、最小值、峰值成像，特定频率振幅成像，功率谱成像和脉宽成像等。提取样品在某一点特定频率、时域最大值、最小值等特征数据进行三维图像重构。太赫兹成像系统包括太赫兹逐点扫描成像系统、太赫兹实时焦平面成像系统、太赫兹波计算机辅助层析成像系统、连续波成像系统、近场成像系统等[38-39]。通过成像系统得到的图像数据需要经过处理，逯美红等[40]利用空间图样成份分析方法对采集到的玉米种子的太赫兹像进行处理，区分识别了不同样品的太赫兹图像。

2.2.3 太赫兹数据优化

由于受设备本身性能、样品制备参数及测试环境等方面的影响，实验采集的样品太赫兹光谱数据信息往往存在分辨率低、噪声高抖动漂移等问题，需要对太赫兹光谱数据信息进行优化以提高数据的信噪比和可靠性。马帅等[41]利用S-G滤波器对太赫兹光谱测试过程中产生噪声等问题进行滤波处理，降低数据噪声；对于光谱数据点不同的问题，选取相同频段的光谱数据，采用三次样条插值的方法得到相同数据点数。涂闪等[42]采集到棉花种子的太赫兹光谱数据点数较少，为了使FFT变换后曲线更光滑，先对原始数据进行了补零处理。徐利民等[43]运用空域滤波、高斯平滑、频域滤波和边缘检测等图像降噪和图像增强技术对太赫兹图像进行处理，有效克服了成像系统的噪声、激光功率抖动等影响。雷萌等[44]利用一种局部信息模糊聚类的图像算法对太赫兹成像进行图像分割，充分利用局部空间信息和局部灰度信息，可以较好的描述模糊性，从而克服太赫兹图像边缘模糊、随机噪声、条纹噪声等干扰，得到了轮廓完整、精度较高的样品太赫兹图像。

3 太赫兹技术在农业领域研究进展

3.1 生物大分子检测方面应用研究

太赫兹辐射是一种新型的远红外相干辐射源，近年来，结合THz光谱的独特性能，运用THz设备对蛋白质、糖类、DNA等生物大分子检测的探索研究得到了广泛的应用，特别是在生物分子的结构和动力学特性等方面存在较大的应用潜力。蛋白质属于大分子物质，主要单位是氨基酸，对氨基酸分子进行THz光谱测定，主要方法是采用氨基酸粉末与聚乙烯混合压片后进行THz光谱测量，得到氨基酸分子的指纹谱库[45]。太赫兹技术在糖类的检测中也得到广泛的应用研究，马晓菁等[46]通过太赫兹技术获取D-葡萄糖、D-核糖、乳糖等的光谱特性，不同的糖在太赫兹测量波段的吸收存在明显差异，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处分别存在特征吸收峰，-乳糖在1.21和1.38 THz处存在两处特征吸收峰。孙怡雯等[47]利用太赫兹时域光谱系统测量了不同血凝素蛋白及其与特异性抗体、无关抗体对照组反应的透射光谱，并利用主成分分析方法计算血凝素与光谱数据相关性为−0.896 5。Arikawa等[48]利用太赫兹光谱技术测量了不同二糖分子的水合状态，研究表明太赫兹光谱技术能测量水合作用随时间的变化过程，液体中水分子状态的改变和溶液中的很多物理现象有关，可以详细描述溶液中多种物理化学变化。李斌等[49]利用太赫兹技术对D-葡萄糖进行定性定量分析，D-葡萄糖在太赫兹频域段具有明显的特征吸收峰，根据多元线性回归方法建立D-葡萄糖含量的预测模型，预测相关系数为0.992 7。

3.2 农产品质量检测方面应用研究

在农产品质量与安全领域，学者们也开展了太赫兹光谱技术的应用研究。核桃是一种高营养价值的食品，对于虫蛀，霉变的核桃，营养成分发生了较大变化，戚淑叶等[50]利用太赫兹光谱技术检测核桃的霉变变质情况，通过对虫蛀、霉变、正常核桃壳、仁标样采集太赫兹时域谱图，从化学指标分析得出虫蛀或霉变的核桃壳仁与正常核桃壳仁的太赫兹波谱存在差异，为今后剔除变质核桃、实现无损分级提供依据；沈晓晨等[51]利用太赫兹光谱技术鉴别转基因与非转基因棉花种子，转基因与非转基因对太赫兹光谱有不同的响应，能用来有效鉴别转基因与非转基因棉种；葛宏义等[52]通过对霉变、虫蛀、发芽及正常小麦采集太赫兹时域光谱，再利用傅里叶变换及计算获得THz吸收系数和折射率，通过吸收系数和折射率，以及特征谱的不同进行判别分析，为储粮品质检测和分析提供新的方法。廉飞宇等[53]利用太赫兹光谱测量大豆油及熟大豆油在0～3.0 THz波段范围内的时域光谱，并对其折射率和吸收系数进行分析，它们的折射率和吸收系数都有明显差异，熟油的平均折射率为1.7，植物油的平均折射率为1.6，熟油的吸收特性曲线变化明显，且存在明显的特征峰，植物油的吸收特性曲线变化平稳，无明显特征峰，该研究成果可以快速准确的区分植物油和熟油；Jansen等[4]利用太赫兹图像信息检测巧克力中的掺杂物，通过扫描巧克力，可以清楚的看到在巧克力中的玻璃碎片，通过太赫兹光谱技术能区分巧克力中的掺杂物，例如坚果等其他成分；Redo-Sanchez等[54]利用太赫兹光谱检测食品中抗生素的残留，11种抗生素中有8种抗生素有指纹光谱，有两种抗生素和动物饲料，鸡蛋粉，奶粉混合后能被检测出来，说明太赫兹光谱在检测食品中抗生素残留方面有一定潜力。

水在太赫兹波段有强烈的吸收峰，卢承振等利用太赫兹光谱对不同水进行鉴别，采集去离子水、农夫山泉、康师傅、屈臣氏、自来水的太赫兹时域光谱图，进行频域变换、数值分析，对比分析吸收系数和折射率的变化，得出去离子水最纯净，自来水杂质较多，并且通过曲线特征区分了不同的水质。李向军等[55]研究反射式时域光谱的水太赫兹光学参数误差，得出多次测量引入的随机误差在0.1～1.1 THz范围内基本不变，而接近0.1和1.1 THz处引入的随机误差变大，误差主要是由于THz-TDS仪器的测量灵敏度下降及高阻Si片厚度和Si折射率引起的。刘欢等[56]利用THz光谱对水分的敏感性测量饼干中的水分，对测得的折射率和吸收谱与饼干中水分含量建立线性关系及模型，研究表明利用太赫兹技术测量饼干中水分具有一定可行性。

太赫兹对单一物质检测灵敏，当物质中混合了杂质，混合物的太赫兹光谱图会发生明显的变化，Haddad等[57]分别检测了乳糖、果糖、柠檬酸以及三者混合物的太赫兹光谱图，分别检测3种纯物质时，三者的太赫兹吸收峰明显，乳糖有4个吸收峰，分别是0.53、1.19、1.37和1.81 THz，果糖有3个吸收峰，分别是1.3、1.73和2.13 THz，柠檬酸有3个吸收峰，分别是1.29、1.7和2.4 THz，三者混合物的吸收峰发生了变化，并不仅仅是三者吸收峰的单独叠加，利用这一特征，可以检测出纯净的样品中是否含有掺杂物。

3.3 土壤大气检测方面的应用研究

农田环境（土壤、大气）中的重金属、水分、有机物等物质含量与我们的生活密切相关，太赫兹技术在检测土壤大气质量方面也有了较多研究发展。夏佳欣等[58]利用太赫兹光谱技术测量土壤的含水量，在土壤含水量为0～10%范围内，样品对太赫兹吸收较少，信噪比较高，光谱测量结果与称重法测量结果相比误差小于1%，整体测量误差范围小于3%，相比于中子法和TDR法，由于太赫兹波相对于高频电磁波对水更敏感，波长更短，太赫兹测量精度更高；李斌等[2]利用太赫兹光谱技术检测土壤中重金属含量，配制了含铅、铬、锌、镍4种重金属的土壤样品，采集样品的太赫兹光谱曲线，对光谱曲线进行平滑，标准化等预处理过程，利用偏最小二乘法和遗传算法分别对样品进行建模，研究表明太赫兹光谱技术在预测土壤中重金属含量方面具有一定的可行性；赵春喜[59]对土壤中的有机污染物滴滴涕、七氯、吡虫啉等进行太赫兹光谱检测，含有机污染物样品泥土与聚乙烯混合后3种样品在0.2～1.8 THz范围内都有明显的吸收峰，太赫兹光谱可以用来检测土壤中有机污染物；Dworak等[60]利用太赫兹光谱技术可以对不同的土壤样品进行区分，测量了土壤中的水分、有机物、磁悬浮颗粒在不同太赫兹频段下的反射强度，同时利用图像的方法分析了藏在土壤中的3种物质，太赫兹图像技术可以清楚的对这3种物质的形态、位置和大小进行成像。

胡颖等[61]采集了大气中一氧化碳的太赫兹光谱图，结果发现，一氧化碳在0.2～2.5 THz范围内呈现多个吸收峰，在1.5 THz附近处的吸收峰最强，利用太赫兹光谱仪测得的吸收峰位置与12C16O的理论模拟结果一致，进一步证明一氧化碳的组成是12C16O。

3.4 植物生理检测方面的应用研究

水分含量是植物体的一项重要生理指标，准确检测出植物各个生长阶段的水分含量，对于合理指导灌溉，提高灌溉效率具有重要意义。太赫兹技术对水分敏感，其惧水特性在农业应用中会很有帮助：可利用这一特性进行农作物的含水量检测研究。Castro-Camus等[62]研究了拟南芥叶片中的水分动态变化，通过太赫兹光谱测量叶片中的水分含量，发现叶片中水分含量与光照、水分灌溉、脱落酸治疗有密切关系，在不同含水量的基质中生长，当停止水分供给以后，叶片中水分流失速度不一样，在光照和黑暗条件下，叶片中水分含量不一样，当喷洒脱落酸以后，由于气孔变化导致叶片中水分含量变化；Santesteban等[63]利用太赫兹技术测量葡萄藤中水分含量，通过3组不同的实验检测葡萄藤中的水分含量，当灌溉条件不同时，葡萄藤的水分含量变化很明显，改变光照条件时，葡萄藤中水分含量随之变化，为验证太赫兹反射信号强度在一定程度上和光合作用以及植物韧皮部运输养分有关，截断葡萄藤的筛管，太赫兹反射强度随之发生较大变化；Jördens等[64]研究了一种电磁模型在太赫兹波段测量叶片的电导率，利用该模型可以准确的测量咖啡叶片中的水含量，若能确定其他固体植物材料参数，该模型也能适用于其他植物叶片的水分含量检测中；Breitenstein等[65]将太赫兹技术应用于叶片水分检测中，验证了太赫兹技术检测叶片水分含量的可行性，测量咖啡叶片在脱水和重新水合过程中的太赫兹光谱变化，并测量了失水时间长短的太赫兹光谱曲线，研究表明太赫兹光谱透过率与水分含量有较大的关系，当叶片水分减少时，太赫兹透射率增加。龙园等[66]利用太赫兹技术获取离体绿萝叶片的时域谱成像和频域谱成像，初步探讨了叶片含水量和太赫兹成像的相关关系，并比较了相关回归模型，结果表明，时域最小值与叶片水分含量建立的模型预测效果最优；Gente等[67]提出了一种基于透射太赫兹时域光谱数据测定叶片体积含水量的方法。通过有效介质模型参数的迭代优化，得到了与重力法测量叶片含水量相似的结果。

植物叶绿体类囊体膜中含有叶绿素a、叶绿素b和β-胡萝卜素等色素，这些色素的含量均会影响植物光合作用。而太赫兹光谱对这些生物分子的集体振动模变化非常敏感，在研究生物大分子构象柔性及构型变化上已得到初步运用[68]。张帅等[69]探究了叶绿素a和β-胡萝卜素的太赫兹光谱和可见光谱以及它们在光胁迫下的变化情况。结果表明，在光胁迫下叶绿素a和β-胡萝卜素的透射光谱和吸收光谱均在光照15 min时变化最大，说明此时的集体振动模变化最大。此外在光胁迫下，叶绿素a在可见区的吸收强度下降，表明叶绿素a分子发生了降解。蒋玲等[70]研究了马尾松松针叶绿素和市售叶绿素a和b标准样的太赫兹光谱。结果发现其均在2.86 THz频段出现包络吸收峰，然后利用密度泛函理论验证了叶绿素a在2.86 THz频段的包络吸收峰是由于叶绿素分子内的卟啉环和叶绿醇的振动和转动。由于理论计算与实验采用的叶绿素晶体结构存在差异，使得计算的叶绿素b分子虽然在2.86 THz频段有吸收峰，但未呈现包络吸收特性，该研究对太赫兹光谱后续用于植物体内叶绿素等分子在线观测与有效鉴别提供了可行手段。

4 结论与展望

4.1 结 论

太赫兹光谱是近年发展起来的一种新型光谱探测技术，世界各国研究学者都积极开展其在各个领域的应用探索研究工作，在农业领域也取得了较好研究进展。本文系统性地介绍了太赫兹产生与探测原理、样品制备、时频域数据采集与处理、时频域数据分析与建模等方法理论体系，然后综述太赫兹技术在农业领域研究进展，为后续研究工作提供参考。

随着超快激光电路硬件的快速发展，太赫兹技术由于其独特的光-电性质，在农产品品质、农田环境以及农业动植物学等农业领域已得到了较大发展，并取得了一定的研究成果，深入研究太赫兹波与待检测物质的相互作用机理是认识和应用太赫兹技术的前提。由于太赫兹波对非极性物质具有较强的穿透性，太赫兹光谱与成像技术可实现对多种研究对象内部品质的快速检测和动态监测，与检测过程复杂、检测内部品质较为困难的传统方法相比，太赫兹技术具有无损、省时省力，避免污染等优势。

农业生物组织一般具有含水特性，而太赫兹波对水分具有较强的敏感性，因此对检测环境的要求很高，必须保证环境的干燥，清洁。若要实现高精度、快速无损的农业领域应用测量，还需要进行大量的研究工作。

4.2 展 望

太赫兹处于电磁波谱中的特殊波段位置，具有独特的光谱性质，对于不同的检测对象具有特定的太赫兹波段光谱响应。太赫兹在光谱检测领域是一个新兴发展的技术，未来还有许多问题有待解决，比如：在制备样品过程中，如何确定最优制备参数，确保样品制备的一致性；在检测样品过程中，水分对太赫兹光谱具有强烈的吸收作用，影响太赫兹光谱检测精度，如何降低环境对太赫兹光谱的影响，减少光谱散射损失，提高光谱性噪比；针对农业领域的重大应用需求和难点问题，结合太赫兹光谱独特性质，探索该技术面向农业重大应用需求和难点问题的太赫兹独特应用解决方案，找到太赫兹技术的农业领域突破性应用等。以上这些都是太赫兹技术在实际应用中需要解决的问题。另外，当前太赫兹设备体积较大、成本高昂、且难于走出实验室，实现移动测量，这些需要农艺学家、农业工程专家和物理学家的共同努力。

目前，太赫兹技术在从造纸业的过程监督，到对不透明塑料管材的远程测量，再到对半导体材质内瑕疵的甄别，以及对化学气体成分的分析等方面展现出良好的工业应用前景。太赫兹设备成本正在逐步降低，设备正在向着低成本和小型化方向发展，目前市场上已出现了小型的太赫兹设备，这都为太赫兹技术的农业领域应用提供实用可行的候选方案奠定了基础。2016年7月，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》首次将“太赫兹”写入“发展新一代信息技术”规划。现有的太赫兹研究应用进展和产品的商业化进程预示着太赫兹系统在不久的将来可能会被大规模的广泛应用。相关文献综述表明太赫兹技术正朝着工业应用方向快速发展，农业和食品行业应该尽快加入到太赫兹技术应用研究的队伍中。

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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

北京市自然科学基金“太赫兹光谱用于检测土壤中重金属铅含量的微观机理研究”；北京市农林科学院创新能力建设专项(KJCX20180119)；北京市农林科学院国际合作基金（GJHZ2017-7）；“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFD0702002）

李 斌，副研究员，博士，主要从事太赫兹光谱理论及应用基础研究。Email：lib@nercita.org.cn

赵春江，博士，研究员，博士生导师，主要从事信息技术与精准农业技术体系研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn

李 斌，龙 园，刘 欢，赵春江. 太赫兹技术及其在农业领域的应用研究进展[J]. 农业工程学报，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