CN107764416B - 一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，太赫兹波束从发射端z轴方向传播，该方法包含如下步骤：S1，设于第一传播距离z1且垂直于z轴的平面上为xy z1平面，在xy z1平面上设置一金属平板；S2，金属平板从太赫兹光束外侧逐渐遮挡，记录下在不同位置上的太赫兹时域光谱信号，直至将太赫兹波束完全遮挡；S3，设于第二传播距离z2且垂直于z轴的平面上为xy z2平面，所述的金属平板置于xy z2平面，并重复步骤S2；S4，求取出太赫兹波束在第一传播距离z1和第二传播距离z2处的各个频点的光强分布，最后根据z1和z2的间距计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
Description
技术领域
本发明涉及电磁散射测试技术，特别涉及一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法。
背景技术
基于太赫兹时域光谱技术的目标RCS测量系统，可以通过一次时域测量可以获得整个0.1THz到2.5THz及以上谱段的电磁散射特性，突破了现有电子学设备最高约0.7THz的工作频率上限。且由于频谱半高全宽可达1THz以上，从而具有很高的距离分辨率，而具有分辨复杂目标细节的能力。
为了获取目标的太赫兹后向电磁散射特性，而相继建立太赫兹准单站RCS时域测量装置，如丹麦技术大学的Krzysztof等人(Terahertz radar cross sectionmeasurements,Optics Express,2010(18),26399)构建了飞秒激光斜入射泵浦Mg:LiNbO3晶体作为发射源且双站角为6.6°的准单站时域光谱紧缩场测量装置和天津大学的梁达川等人(缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究，物理学报，2014(63)，214102)构建的双站角为9°的基于飞秒激光光纤耦合光导天线的太赫兹时域RCS测量系统。以及为了获得目标的双站散射特性，而建立的接收端置于转盘的可变双站角度太赫兹时域光谱双站RCS测量系统(Scaled bistatic radar cross section measurements of aircraftwith a fiber-coupled THz time-domain spectrometer,IEEE Transactions onTerahertz Science and Technology,2012(2),424)。
在RCS测量中，要求目标是被平面波均匀照射。在实际测量中通常要求波束在目标表面的振幅波动小于3dB，相位波动小于π/8。由于太赫兹时域光谱技术采用飞秒激光脉冲泵浦光导天线或ZnTe等非线性晶体作为太赫兹发射源，其出射的太赫兹脉冲的空间分布通常为高斯分布，为了满足RCS测量平面波的要求，需要设计准光光路将太赫兹脉冲扩束后再通过衍射光学元件(如反射镜、全息片等)整形为平面波束。在此准光设计过程中，首先需要获取太赫兹光束的振幅和相位分布，才能针对工作频率进行后续衍射光学元件的设计。也需要有效的太赫兹光束振幅和相位测量方法以评估经光束整形后到达静区的光场分布是否满足RCS测量的要求。
现有的太赫兹光场分布技术只能探测太赫兹波束的能量分布，如采用温差热电势效应(发明专利CN105445538A，一种太赫兹频段的新型量热式功率计)、热电堆(发明专利CN103868588B，绝对型太赫兹辐射计)等制成的太赫兹功率计可直接得到太赫兹波束的强度，但难以直接获取相位信息，且应用在太赫兹光谱系统中难以测量宽谱太赫兹波束的任一频率分量。而在太赫兹时域光谱技术中可以通过电荷耦合器件阵列等对太赫兹脉冲能量进行标定(发明专利CN101871814B，太赫兹脉冲能量的泵浦电光测量方法)，但该方法需要复杂的光路设计而不具便利性，且测量的是太赫兹脉冲的总能量而对于在某一传播截面上的光场分布测量缺乏可行性。而在太赫兹时域光谱系统中采用刀片法，即利用对太赫兹波透射率为0的金属平板等遮蔽物以一定的空间移动步长依次遮挡太赫兹波束，记录下对应的太赫兹强度，再反演各频率在刀片平面的空间光场强度分布。但由于相邻的刀片步长间缺乏相位信息的确定性关系，仍无法反演相位信息(太赫兹时域光谱系统光斑大小和位置的测量，现代科学仪器，2013(4)，216)。
发明内容
本发明的目的是提供一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，通过两次刀片法测量获取传播方向上两个不同距离的太赫兹波束强度分布，再利用相位恢复算法求取太赫兹波束相位信息。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，所述的太赫兹波束从发射端z轴方向传播，其特点是，该方法包含如下步骤：
S1，设于第一传播距离z1且垂直于z轴的平面上为xy z1平面，在xy z1平面上设置一金属平板；
S2，金属平板从太赫兹光束外侧逐渐遮挡，记录下在不同位置上的太赫兹时域光谱信号，直至将太赫兹波束完全遮挡；
S3，设于第二传播距离z2且垂直于z轴的平面上为xy z2平面，所述的金属平板置于xy z2平面，并重复步骤S2；
S4，求取出太赫兹波束在第一传播距离z1和第二传播距离z2处的各个频点的光强分布，最后根据z1和z2的间距计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
所述的步骤S2具体为：
S2.1，分别以x和y方向的步长Δx和Δy从起始点(x0,y0)开始共移动N次以实现太赫兹波束的完全遮挡，在x方向从x0到x0+(N-1)·Δx可以记录N组太赫兹时域信号(Exn(t),n＝1,...,N)，在y方向从y0到y0+(N-1)·Δy同样可以记录N组太赫兹时域信号(Eym(t),m＝1,...,N)；
S2.2，各频点在第n次测量位置处测得的总能量为和其中表示快速傅里叶变换，第n次测量步长范围内从x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx范围内的对应频点ω的能量为Ixn(ω)＝|Exn(ω)|2-|Exn+1(ω)|2,n＝1,...,N-1；
S2.3，同理得到在y方向对应频点的光强分布Iym(ω)；
S2.4，对于在x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx和y0+(m-1)·Δy到y0+m·Δy的矩形范围内的光强分布在平面波近似下则为Inm(ω)＝Ixn(ω)·Iym(ω)。
通过步骤S2分别得出频率ω在xy z1平面和xy z2平面的光强分布Inm(ω)和I′nm(ω)。
所述的步骤S4中通过相位恢复算法计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
所述的步骤S4具体包含：
S4.1，先对xy z1平面的光强Inm(ω)乘以随机相位分布φnm(ω)，则其复振幅Unm(ω)＝Inm(ω)·exp(-jφnm(ω))；
S4.2，将Unm(ω)按照衍射传播理论计算传播到xy z2平面的复振幅U′nm(ω)；
S4.3，取计算得到的复振幅U′nm(ω)的相位信息乘上I′nm(ω)作为新的复振幅再用菲涅耳衍射公式进行计算传播到xy z1平面的复振幅，并取其相位信息乘上Inm(ω)；
S4.4，重复步骤S4.2和S4.3直到算法收敛。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
通过两次刀片法测量获取传播方向上两个不同距离的太赫兹波束强度分布，再利用相位恢复算法准确求取太赫兹波束相位信息。
附图说明
图1为本发明一种太赫兹时域光谱单站RCS测量系统的测量示意图；
图2为本发明遮挡光束示意图；
图3为在一平面以Δx＝5mm进行20次测量得到的太赫兹时域脉冲信号；
图4为在一平面以Δy＝5mm进行20次测量得到的太赫兹时域脉冲信号；
图5为在一平面计算得到的频率为0.18THz时的太赫兹波束强度分布；
图6为在xy z1平面、xy z2平面测得的太赫兹光场强度，经相位恢复算法计算得到的空间相位分布。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，其利用太赫兹时域光谱单站RCS测量系统，该RCS测量系统包含太赫兹介质平板分束片1、金属反射镜2和金属平板3；太赫兹波束从发射端沿z轴方向传播，通过介质平板分束片1后入射到替代复杂待测目标的大孔径金属反射镜2，再完全反射到分束片1后表面经偏折后由接收端探测。图1中xz平面平行于实验台平面，y方向则垂直于实验台表面。作为刀片法中遮挡光束使用的金属平板3置于可分别沿x和y方向的滑轨上，可按要求的步长移动以遮挡太赫兹光束。刀片遮挡太赫兹光束造成太赫兹波光通量的变化，如图2所示。
具体的，该测量方法包含如下步骤：
S1，设于第一传播距离z1且垂直于z轴的平面上为xy z1平面，在xy z1平面上设置一金属平板；
S2，金属平板从太赫兹光束外侧逐渐遮挡，记录下在不同位置上的太赫兹时域光谱信号，直至将太赫兹波束完全遮挡；
S3，设于第二传播距离z2且垂直于z轴的平面上为xy z2平面，所述的金属平板置于xy z2平面，并重复步骤S2；
S4，求取出太赫兹波束在第一传播距离z1和第二传播距离z2处的各个频点的光强分布，最后根据z1和z2的间距计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
如图3、4所示，所述的步骤S2具体为：
S2.1，分别以x和y方向的步长Δx和Δy从起始点(x0,y0)开始共移动N次以实现太赫兹波束的完全遮挡，在x方向从x0到x0+(N-1)·Δx可以记录N组太赫兹时域信号(Exn(t),n＝1,...,N)，在y方向从y0到y0+(N-1)·Δy同样可以记录N组太赫兹时域信号(Eym(t),m＝1,...,N)；
S2.2，各频点在第n次测量位置处测得的总能量为和其中表示快速傅里叶变换，第n次测量步长范围内从x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx范围内的对应频点ω的能量为Ixn(ω)＝|Exn(ω)|2-|Exn+1(ω)|2,n＝1,...,N-1；
S2.3，同理得到在y方向对应频点的光强分布Iym(ω)；
S2.4，对于在x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx和y0+(m-1)·Δy到y0+m·Δy的矩形范围内的光强分布在平面波近似下则为Inm(ω)＝Ixn(ω)·Iym(ω)，参见图5。
在具体实施里中，通过步骤S2分别得出频率ω在xy z1平面和xy z2平面的光强分布Inm(ω)和I′nm(ω)。
上述的步骤S4中通过相位恢复算法计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布，更具体的，该相位恢复算法为GS算法。
上述的步骤S4具体包含：
S4.1，先对xy z1平面的光强Inm(ω)乘以随机相位分布φnm(ω)，则其复振幅Unm(ω)＝Inm(ω)·exp(-jφnm(ω))；
S4.2，将Unm(ω)按照衍射传播理论计算传播到xy z2平面的复振幅U′nm(ω)，典型的此实施例中满足菲涅耳衍射近似，衍射传播可用菲涅耳衍射公式进行计算；
S4.3，取计算得到的复振幅U′nm(ω)的相位信息乘上I′nm(ω)作为新的复振幅再用菲涅耳衍射公式进行计算传播到xy z1平面的复振幅，并取其相位信息乘上Inm(ω)；
S4.4，重复步骤S4.2和S4.3直到算法收敛。
收敛的判据可选择为用xy z1平面的光强Inm(ω)计算乘以恢复的相位信息组成复振幅后经菲涅耳衍射得到的xy z2平面的光强分布与测量结果之差|U′nm(ω)|2-I′nm(ω)＜ε或保持稳定不再变化，其中ε是可接受的误差，可取任意小的数，典型的可取值为1e-3以下，表示误差在千分之一以下。当相位恢复算法迭代停止时，即可得到相应平面上的相位分布，典型的如图6所示。
由于太赫兹脉冲包含很多频率分量，而此实施例采用的衍射传播理论是频域算法一次只能计算一个频率分量的传播。那么对于求取多个频率分量的相位分布就需要不断重复步骤S2到S4。
综上所述，本发明一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，通过两次刀片法测量获取传播方向上两个不同距离的太赫兹波束强度分布，再利用相位恢复算法求取太赫兹波束相位信息。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种时域太赫兹波束相位分布的测量方法，所述的太赫兹波束从发射端z轴方向传播，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1，设于第一传播距离z1且垂直于z轴的平面上为xy z1平面，在xyz1平面上设置一金属平板；
S2，金属平板从太赫兹光束外侧逐渐遮挡，记录下在不同位置上的太赫兹时域光谱信号，直至将太赫兹波束完全遮挡；
S3，设于第二传播距离z2且垂直于z轴的平面上为xy z2平面，所述的金属平板置于xyz2平面，并重复步骤S2；
S4，求取出太赫兹波束在第一传播距离z1和第二传播距离z2处的各个频点的光强分布，最后根据z1和z2的间距计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
2.如权利要求1所述的时域太赫兹波束相位分布的测量方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：
S2.1，分别以x和y方向的步长Δx和Δy从起始点(x0,y0)开始共移动N次以实现太赫兹波束的完全遮挡，在x方向从x0到x0+(N-1)·Δx可以记录N组太赫兹时域信号(Exn(t),n＝1,...,N)，在y方向从y0到y0+(N-1)·Δy同样可以记录N组太赫兹时域信号(Eym(t),m＝1,...,N)；
S2.2，各频点在第n次测量位置处测得的总能量为和其中表示快速傅里叶变换，第n次测量步长范围内从x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx范围内的对应频点ω的能量为Ixn(ω)＝|Exn(ω)|2-|Exn+1(ω)|2,n＝1,...,N-1；
S2.3，同理得到在y方向对应频点的光强分布Iym(ω)；
S2.4，对于在x0+(n-1)·Δx到x0+n·Δx和y0+(m-1)·Δy到y0+m·Δy的矩形范围内的光强分布在平面波近似下则为Inm(ω)＝Ixn(ω)·Iym(ω)。
3.如权利要求2所述的时域太赫兹波束相位分布的测量方法，其特征在于，通过步骤S2分别得出频率ω在xy z1平面和xy z2平面的光强分布Inm(ω)和I′nm(ω)。
4.如权利要求1所述的时域太赫兹波束相位分布的测量方法，其特征在于，所述的步骤S4中通过相位恢复算法计算出太赫兹波束在xy z1平面和xy z2平面上的相位分布。
5.如权利要求4所述的时域太赫兹波束相位分布的测量方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包含：
S4.1，先对xy z1平面的光强Inm(ω)乘以随机相位分布φnm(ω)，则其复振幅Unm(ω)＝Inm(ω)·exp(-jφnm(ω))；
S4.2，将Unm(ω)按照衍射传播理论计算传播到xy z2平面的复振幅U′nm(ω)；
S4.3，取计算得到的复振幅U′nm(ω)的相位信息乘上I′nm(ω)作为新的复振幅再用菲涅耳衍射公式进行计算传播到xy z1平面的复振幅，并取其相位信息乘上Inm(ω)；
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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