太赫茲目標(biāo)散射特性及測量關(guān)鍵技術(shù)研究

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1、⑩ＡＭＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中國第－所現(xiàn)代大學(xué)ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士學(xué)位論文一光學(xué)工程級學(xué)科：光電子與光子學(xué)技術(shù)學(xué)科專業(yè)：作者姓名：王茂格指導(dǎo)教師：姚建銓院士天津大學(xué)研究生院２０１７年５月太赫茲目標(biāo)散射特性及測量關(guān)鍵技術(shù)研究StudyonScatteringCharacteristicsandMeasuringKeyTechnologiesofTargetsinTerahertzRange一級學(xué)科：光學(xué)工程學(xué)科專業(yè)：光電子與光子學(xué)技術(shù)研究生：王茂榕指導(dǎo)教師：姚建銓院士

2、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院二零一七年五月摘要太赫茲（THz）頻段目標(biāo)散射特性研究是太赫茲雷達的基礎(chǔ)，該領(lǐng)域涉及電磁場理論、雷達系統(tǒng)、測量技術(shù)等學(xué)科的前沿領(lǐng)域，具有極大的軍事及民用價值。我國在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，與歐美發(fā)達國家差距較大，研究工作難度大。在計算方面，受到高頻算法及計算機硬件的限制，超大電尺寸電磁散射的計算算法還需要進一步優(yōu)化。在技術(shù)方面，受到實用THz源與探測技術(shù)的限制，測量系統(tǒng)對目標(biāo)的測量能力不足，THz頻段材料介電參數(shù)數(shù)據(jù)缺乏對開展THz頻段空間目標(biāo)散射研究帶來較大難度。本文從反演THz頻段材料介電參數(shù)入手，到

3、對THz雷達定標(biāo)體和簡單目標(biāo)體雷達散射截面（RCS）理論計算與實驗測量做了一系列工作。此外，針對測量系統(tǒng)對高效寬帶THz源的需求也開展了一些可用于產(chǎn)生THz輻射的雙波長及多波長激光器研究工作，主要研究成果如下：1.建立了多光束干涉模型，基于該模型和反射率譜與相移間的Kramers-Kronig（K-K）色散關(guān)系建立了系統(tǒng)的THz頻段材料介電參數(shù)反演方法。以遠紅外傅里葉光譜儀（FTIR）和太赫茲時域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）為基礎(chǔ)實驗測量設(shè)備，聯(lián)合多光束干涉模型和K-K關(guān)系反演介電參數(shù)理論，獲取了非金屬材料如硅、聚乙烯、石英及吸波材料，金屬材

4、料如不銹鋼和銀的THz頻段介電參數(shù)，驗證了該方法的可行性，為THz頻段介電參數(shù)獲取提供了理論和實驗參考。2.推導(dǎo)了光滑金屬球體、良導(dǎo)體及介質(zhì)圓柱體后向散射場表達式并計算了多種標(biāo)準(zhǔn)體的太赫茲頻段RCS曲線?；谄矫娌ㄔ谧杂煽臻g的傳輸機制和電磁波疊加理論，推導(dǎo)了可用于雷達標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體的良導(dǎo)體金屬球后向散射過程，并得到了良導(dǎo)體金屬球RCS隨波長的變化關(guān)系，推導(dǎo)了良導(dǎo)體和介質(zhì)圓柱體的后向散射場分布?；诨鶢柣舴蚪评碚撏茖?dǎo)了目標(biāo)體后向散射表達式，計算了不同粗糙度金屬平板以及不同底面直徑圓錐圓柱體的RCS曲線。3.搭建了一套可實現(xiàn)自動控制的高分辨率近場

5、太赫茲RCS測量系統(tǒng)?；诟吖β识趸技す獗闷值腡Hz激光器和高靈敏度低溫Si-Bolometer太赫茲探測器搭建了一套室內(nèi)雷達散射截面測量系統(tǒng)。系統(tǒng)信噪比為24dB，并利用光滑金屬球體對系統(tǒng)進行了定標(biāo)，驗證了系統(tǒng)測量值與理論值誤差小于3dB。首次系統(tǒng)的測量了2.52THz和3.11THz單頻點標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)體（圓形平板、錐體和柱體等）的雷達散射截面，該工作為復(fù)雜目標(biāo)體的RCS測量奠定了實驗基礎(chǔ)。I4.基于光參量振蕩及受激拉曼散射，實現(xiàn)了多套多波長激光器并獲得了可用于產(chǎn)生THz輻射的多波長激光輸出。搭建了基于GYSGG/KTA和GYSGG/KT

6、P的內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩器（IOPO），獲得了人眼安全的雙波長激光輸出，雙波長可用于對氣體的傳感探測以及非線性差頻產(chǎn)生THz輻射。基于Nd:YLF/KTP搭建了多波長拉曼激光器，在室內(nèi)環(huán)境下獲得了四階斯托克斯光輸出，并觀察到了267.4cm-1和693.0cm-1兩種拉曼頻移，獲得了六種波長的激光輸出，該工作為固體多波長激光提供參考。關(guān)鍵詞：太赫茲，介電參數(shù)，目標(biāo)特性，雷達散射截面，多波長激光器IIABSTRACTTheresearchoftargetscatteringcharacteristicsintheterahertzband,whi

7、chinvolvestheelectromagneticfieldtheory,radarsystem,measurementtechnologyandsoonasthebasisofterahertzradar,possessesgreatmilitaryandcivilianvalue.China'sresearchinthisfieldisstillinitsinfancy.ConsideringthebiggapbetweenChinaandthedevelopedcountriesinEuropeandAmericaitisdif

8、ficultforustocarryoutthiskindofwork.Inthecalculation,largeelectricalsizeelectromagneticsc