一、成果简介

陆地表面季节性冻融广泛存在于我国高纬度地区，是气候变化的敏感指标，关系到农业生产、地质工程与生态系统的稳定。目前广泛使用的卫星遥感与微波雷达等方法存在信号延迟大、分辨率低、设备复杂等问题，难以满足高精度冻土监测需求。

为克服现有技术在冻土监测中的局限性，本成果提出了一种基于太赫兹后向散射信号的土壤温度与湿度检测方法。该方法通过将太赫兹雷达安装于手持杆、移动平台（车载、无人机）等智能系统上，发射并接收冻土表面的后向散射信号，结合功率计分析、土壤组分建模与介电常数计算框架，引入散射理论建模，在不破坏地表结构的前提下，实现对土壤介电特性随温度和含水量变化的响应提取与状态反演。该方法具有结构简洁、便于携带、检测灵敏度高等特点，支持在不同频率下进行冻土层厚度与空间分布的测量，为地表冻融变化监测提供高分辨率数据支持。

图1 在140 GHz频率下，冻土样本后向散射系数随冻土厚度的变化

在使用频率为 140 GHz 的信号进行检测时，假设土壤处于冻结状态下，雷达接收到的信号功率为 X（单位：dBm）。当采用垂直极化方式进行收发时，若功率降低至 Y = X – 16 dB，可判定土壤开始转化为冻土；若采用水平极化方式，功率降至 Y = X – 18 dB 时，同样可视为土壤进入冻融过渡状态。

图2 在220 GHz频率下，冻土样本后向散射系数随冻土厚度的变化

在使用频率为 220 GHz 的信号进行检测时，假设土壤处于冻结状态下，雷达接收到的信号功率为 X（单位：dBm）。当采用垂直极化方式进行收发时，若接收到的信号功率下降至 Y = X – 15 dB，则可判定土壤开始发生冻结变化；当采用水平极化方式进行收发，若接收到的信号功率下降至 Y = X – 17 dB，同样可视为冻结过程的开始。通过对比不同极化条件下的功率变化，可提高冻土状态判断的准确性和可靠性。

二、 应用领域

该技术可广泛应用于高纬度地区的冻融动态监测、农业土壤墒情检测与精准灌溉指导、交通与市政工程地基安全预警以及生态环境与气候模拟数据支撑等多个领域。系统适用于科研机构、农林气象站、地质勘查单位及应急管理部门，既可开展定点高精度探测，也支持大范围动态扫描，有效满足多种场景下对土壤水热状态的监测需求。

三、市场前景

当前，已实现太赫兹信号接收装置与农业作业型多旋翼无人机平台的集成（如图3所示），并开展了初步的飞行对准与地表散射信号接收实验，为后续实现高空自主测绘和大面积冻土区域水热状态动态监测奠定了基础。该系统具备高度集成、远程操控、覆盖范围广等优势，适用于高寒地区、地形复杂区域的自动化测量任务。

图3 太赫兹接收模块搭载于农业作业型多旋翼无人机平台的原理样机

与此同时，该技术也可灵活部署于便携式手持设备、车载平台等多种形态，实现对不同场景下土壤冻融状态的快速响应和现场检测（如图4所示）。依托太赫兹波对水分高度敏感的特性，可为农业灌溉调控、冻土工程安全预警、生态气候模拟等提供高分辨率数据支持，市场应用前景广阔。

图4 基于太赫兹雷达的多平台冻土监测系统示意图

四、知识产权

1) 成果由北京理工大学单独持有；

2) 本成果已授权专利1项。

五、合作方式

技术许可、技术转让、技术服务及咨询、合作开发等。

六、对接方式

1）合作意向方联系北理工技术转移中心；

2）北理工技术转移中心沟通了解意向方情况；

3）会同成果完成团队与意向方共同研讨合作方案。

北京理工大学技术转移中心电话：010-68914920

邮箱：bitttc@bit.edu.cn

网址：ttc.bit.edu.cn