角反射器在太赫兹波段的散射特性研究

太赫兹雷达散射特性的研究对于目标识别、跟踪以及截获有重要意义.设计了0.22 THz频率步进雷达散射截面(Radar Cross section,RCS)测量系统,提出了针对频率步进太赫兹雷达信号体制下,角反射器RCS的提取方法.采用实验与仿真相结合的方式,得到了单个角反射器和角反射器组在4°范围内的太赫兹雷达散射截面.结果表明,角反射器类目标的RCS实验测量结果与理论计算结果在误差范围内一致性较好,为进一步精确测量目标在太赫兹波段的散射特性奠定了研究基础.     

石英玻璃太赫兹光学参数测量的误差分析

测量液体或气体样品的太赫兹光学参数时,常采用石英玻璃作为容器,因此在计算样品的折射率和吸收率时需要考虑石英玻璃太赫兹光学参数的影响。文中利用太赫兹时域谱技术测量了石英玻璃的太赫兹时域光谱,根据测量模型计算了太赫兹波段的折射率和吸收率,并利用误差传播理论分析了这些光学参数的误差。结果发现折射率误差在0.2~2.0 THz范围内基本保持不变,而吸收率误差则随频率增大而呈指数增大。这对于提高测量石英玻璃容器中的气体及液体样品太赫兹光学参数的准确性具有重要价值。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

基于反射式太赫兹时域谱的水太赫兹光学参数测量与误差分析

利用垂直反射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术 测量了水的THz光学参数并对测 量误差进行了分析。测量过程中,把高阻Si片的空气-Si表面作为参考信号,Si-水表面最 为样 品信号,通过两者之比的传输函数计算得到了水的THz折射率和吸收率,然后应用误差传 播理论分析这些光学参数的误差。结果发现,折射率和吸收率误差中,由多次测量引入的随 机 误差在0.1~1.1THz范围内基本不变,而在接近0.1THz和1.1THz处误差变大,即呈现U型 分布。这表明,在接近0.1THz和1.1THz时, THz-TDS仪器的测量灵敏度下降;由高阻Si片厚 度和Si折射率误差引入的误差比THz-TDS多次测量引入的随机误差大得多,在 0.1~1.1THz 范围对应的水折射率误差分布较均匀,而对应水的吸收率误差随着频率的增加而增大。本文 的方法同样适用于类似的垂直反射式THz-TDS系统提取其它材料的THz光学参数及其误差 分析。     

便携式太赫兹时域光谱仪的研制

太赫兹时域光谱分析技术通过测量太赫兹脉冲波形获得宽频带的光谱信息,根据光谱表现的丰富特征可以对危险性或有害性物质进行探测鉴别,在安全检查和质量控制领域有广阔的应用前景。为了将这项技术应用于实际检测中,设计研制了便携式的太赫兹时域光谱仪样机。通过优化光路和机械结构,系统具备良好的便携性;通过连续扫描光学延迟线实现了对太赫兹光谱的快速测量。经测试,光谱带宽达到0.1 THz~2.8 THz,光谱分辨率好于50 GHz,动态范围达到46 dB,测量时间为10 s。与传统的太赫兹时域光谱仪相比,所研制的样机具有结构紧凑和测量速度快的优点,满足实用化需求。     

基于时域光谱系统的太赫兹圆柱RCS 测量

雷达散射截面（RCS）测量对于太赫兹雷达系统论证设计具有重要意义。详细描述了时域光谱（TDS）系统测量RCS 的原理,以及实验方案的设计。基于TDS 系统对太赫兹频段圆柱RCS 进行了测量实验,获得光滑和粗糙圆柱在太赫兹频段下的回波,对光滑圆柱回波进行傅里叶变换得到其宽带 RCS,与理想圆柱RCS 的物理光学解进行比较,发现RCS 理论值与测量值基本一致,验证了TDS 系统可用于太赫兹频段目标RCS 的测量;同时将光滑圆柱和粗糙圆柱的RCS 测量值进行对比分析,结果表明:太赫兹频率越高,粗糙面对RCS 的影响越大,粗糙度大于八分之一波长为粗糙面的传统定义须重新考虑。     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量

测量柴油样品的太赫兹时域光谱并对其含硫量进行了定量计算.在0.2 ～1.5 THz范围内,柴油的吸收系数随着太赫兹频率和硫含量呈规律性递增.基于这一变化关系建立起了硫含量与太赫兹吸收系数和频率的多元非线性模型,通过测量柴油的太赫兹光谱代入此模型即可计算出柴油的硫含量.这一结果为太赫兹时域光谱技术应用于柴油含硫量的无损快速检测奠定了理论基础,显示出巨大的应用前景.     

正入射反射式太赫兹光谱测量的不确定度分析

太赫兹时域光谱技术能够快速、宽频带测量物质在太赫兹频段的光学或介电常数, 是物质识别的重要技术.光学常数的测量准确度完全受到复杂的测量过程和数据处理所影响.针对正入射反射式THz光谱测量, 分析了在测量材料介电特性过程中的误差来源, 它们包括太赫兹幅值误差、位置误差以及样品倾斜误差.建立了单独表征每个误差来源对于光学常数影响的不确定度分量的公式.利用MATLAB仿真了每个误差来源对于光学参数不确定度的影响.     

基于太赫兹衰减全反射光谱的固体乳糖测试

利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态α-乳糖的光谱特性,首先实验以传统透射式光谱技术为基准,获得了0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰;其次,取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与1.8 mg的α-乳糖,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰,增加样品剂量对0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响;最后取相同剂量的2份α-乳糖,一份过筛至75μm,另一份未过筛,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰;减小样品颗粒度,在0.53 THz,1.36 THz附近吸收强度增加。     

3.11THz标准体雷达散射截面测量

针对太赫兹近场散射特性测量特点,基于CO2激光抽运的太赫兹激光器和双层独立转动平台搭建了一套高频段太赫兹雷达散射截面（RCS）测量系统。利用不锈钢光滑金属球体作为标准定标体验证了系统的可靠性,测量结果与理论值误差小于3 dBsm,系统的信噪比优于24 dB。首次利用该系统开展了3.11 THz频点处不同材料及涂覆层圆形金属平板及不同底面直径圆锥体RCS的测量。通过比较分析发现了表面阳极氧化和喷漆处理的航空铝及P304不锈钢与纯航空铝平板的RCS区别,以及不同底面直径的圆锥体RCS差异,为太赫兹频段复杂目标体RCS的研究奠定基础。     

THz time domain monostatic radar cross section measurement of metallic plates and dihedrons

THz Radar Cross Section(RCS) measurement setup based on THz Time Domain Spectroscopy (TDS) is built to provide large scaled targets test ability in recent years. As calibrations, the metal plates and dihedrons are used in our experiments. The measurements are performed in a monostatic terahertz time-domain setup. The author proposed time domain and frequency domain calibration methods for angular RCS of calibrations, comparing the measurements with the theory to verify the ability of the time domain measurement setup.     

基于FEKO和CST的太赫兹目标RCS仿真

利用 FEKO和 CST 2套电磁计算软件对太赫兹频段目标雷达散射截面(RCS)进行对比仿真。首先计算同一理想导体球在1 GHz~500 GHz频率范围内的 RCS,得到理想导体球的 RCS特性曲线,与理论值进行比较,得出太赫兹频段下两者仿真性能相差较小的结论。然后分别对理想导体球、圆柱体和方形平板在太赫兹频段下不同姿态角的 RCS值进行计算,结果表明,两者在 RCS仿真上因目标不同而呈现不同性能,在计算中应根据实际目标选取合适的软件进行计算。     

Error analysis of polyamide plate thickness detection based on Terahertz Time Domain System

The analysis on the thickness of polyamide plate using Terahertz Time Domain System (THz-TDS) in reflection mode is carried out. The refractive index, one of the optical parameters in terahertz band, is solved through the mathematics model, and its value is 1.88. A kind of polyamide plate sample with four kinds of thickness is designed and the ability of THz-based method to detect defects or foreign bodies in fiber glass is verified by attaching metal plates to the back of fiberglass. By the comparison of traditional method and THz method, the terahertz method has a measurement error between 2.5% and 10%. As the thickness increases, the error tends to increase. The reason about the deviations is analyzed, as well as the systematic factors affecting the thickness measurement accuracy, in order to improve the accuracy of THz thickness measurement system and provide theoretical basis for designing terahertz thickness measurement system in the future.     

Polarization-Dependent Optimization of Fiber-Coupled Terahertz Time-Domain Spectroscopy System

The optimization of the fiber-coupled terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system is performed by changing the polarization of the optical excitation pulse centered at 1550 nm. InGaAs/InAlAs multilayer structures based photoconductive antennas are used in TDS setup as both the emitter and receiver. The experimental results demonstrate that not only the THz signal power but also the temporal waveform vary with the rotation of the exciting pulse polarization. Maximum output power of the emitter is obtained when the polarization of the pump pulse is perpendicular to the edge of the metal electrodes. At this moment the THz waveform is close to a single-cycled pulse. However, double THz pulses could be recorded when the pump laser polarization is parallel to the electrodes. Laser pulse splitting induced by the birefringence of the optical fiber may attribute to the polarization-dependent performance of the fiber-coupled THz-TDS system.     

Uncertainty in Terahertz Time-Domain Spectroscopy Measurement of Liquids

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a significant technique for characterizing materials as it allows fast and broadband measurement of optical constants in the THz regime. The measurement precision of the constants is highly influenced by the complicated measurement procedure and data processing. Taking THz transmission measurement of liquids into account, the sources of error existing in THz-TDS process are identified. The contributions of each source to the uncertainty of optical constants in THz-TDS process are formulated, with particular emphasis on the effect of multilayer reflections and plane wave assumption. As a consequence, an analytical model is proposed for uncertainty evaluation in a THz-TDS measurement of liquids. An actual experiment with a Di 2-Ethyl Hexyl Phthalate (DEHP) sample is carried out to show that the proposed model could be a basis to evaluate the measurement precision of optical constants of liquids.     

粗糙铜表面对低频太赫兹波的散射实验

搭建了以0.2 THz返波管振荡器源、热释电探测器、小型自动旋转光学平台等组成的太赫兹波目标散射特性实验测试系统,对两种不同粗糙度铜盘表面的散射特性进行了测试,表明:太赫兹金属粗糙目标散射中导体表面的感应电流产生电磁散射和粗糙导体表面引起的朗伯散射是同时存在的;在斜入射时这种近似于朗伯体的金属粗糙表面几乎可以被看成镜体,但随着目标表面的粗糙度变大,反射变弱,散射增强,主峰向小于反射角的方向偏移;在垂直入射的情况下,散射角小于40度时散射曲线下降较快,超过40度散射曲线变化变得很缓慢,但在50度附近很多材料都会出现一个小的散射峰.     

太赫兹雷达RCS测量中的分时定标技术

太赫兹频段的目标散射特性测量技术是当前太赫兹雷达的重要研究方向,其中系统定标技术决定了雷达散射截面积(RCS)测量结果的准确性。使用基于微波倍频源的太赫兹宽带雷达目标散射特性测量系统,该系统由微波源经倍频后,中心频率达到440 GHz,带宽达25.6 GHz。利用光滑表面金属球为标准体,采用分时定标技术对太赫兹雷达系统进行定标,再对金属材质的战斗机模型和吉普车模型进行近场RCS测量实验,获得以上2种典型人造目标的近场RCS测量结果。测试结果与理论趋势符合良好,证明了太赫兹雷达系统RCS测量中分时定标技术的有效性。