CN107782694B - 太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统及获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统及获取方法，该方法是通过太赫兹时域光谱全极化目标电磁散射测量系统，实现了HH收发极化、HV收发极化、VH收发极化和VV收发极化四种方式；该系统主要分为飞秒激光源、太赫兹发射源、太赫兹波束准直系统、目标及转台系统、太赫兹波极化控制系统、太赫兹波探测系统和数据采集及控制系统；通过调节赫兹偏振片和飞秒激光半波片的旋转方向来确定收发极化方式，继而控制转台和时间延迟线，以扫描得到不同姿态下的目标极化太赫兹时域光谱散射信号。本发明可实现太赫兹高频点大谱宽范围内目标全极化RCS和3D ISAR等散射特性测量，还保证了系统的机械稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁散射测试技术，特别涉及一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统及方法。
背景技术
采用电磁散射测试系统对目标进行RCS测量时，通常需要获取目标的后向单站RCS数据以用作目标散射特性评估、目标识别等。而获取目标的全极化电磁散射信号即HH、HV、VH和VV四种不同极化收发的雷达散射截面(RCS，Radar Cross Section)可以通过目标的不同极化特征，反映其结构和材质的精细信息。
在太赫兹波段，获取目标全极化散射信号的现有技术主要是基于电子学的倍频链路和网络矢量分析仪的技术及基于红外气体激光器和微波扫频器等两种方式。
采用电子学的倍频链路构建的太赫兹极化RCS测量系统主要由本振源、倍频链路、收发天线和矢量网路分析仪等组成，通过将X波段合成源驱动16次～48次倍频链产生发射信号以覆盖80GHz～600GHz的太赫兹低频段。而通过使用具有不同极化选择特性的收发天线如波纹喇叭等即可实现对HH、HV、VH和VV四种极化RCS的测量。
基于红外气体激光器和微波扫频器的太赫兹极化RCS测量系统，利用二氧化碳激光泵浦远红外气体激光器产生太赫兹波束，并分别利用H和V极化的边带扫频发射二极管和H和V极化的接收肖特基二极管构建了幅相测量的外差接收系统，实现了高达1.56THz具有50dB动态范围以上的大静区尺寸全极化散射特性测试能力。
然而上述的电子学设备只能覆盖太赫兹的低频段，太赫兹气体激光器可以实现高频但谱宽较窄，因此可以实现大谱宽高频覆盖的太赫兹时域光谱技术被发展应用于电磁散射的测量。多种准单站和双站太赫兹时域光谱RCS测量系统被提出。丹麦技术大学的Krzysztof等人(Terahertz radar cross section measurements,Optics Express,2010(18),26399)构建了基于飞秒激光泵浦周期极化铌酸锂晶体作为太赫兹源且双站角为的准单站时域光谱紧缩场测量装置。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)构建了基于飞秒激光光纤耦合泵浦光导天线作为太赫兹源且双站角为的太赫兹时域RCS测量系统。德国马尔堡大学的Gente等(Scaled Bistatic Radar Cross Section Measurements of Aircraft With a Fiber-Coupled THz_Spectrometer，IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE ANDTECHNOLOGY,2012(2)，424)构建了基于飞秒激光耦合光导天线进行太赫兹产生和探测的双站系统，通过将收发两路置于转盘上而实现双站角度大范围可调。然而这些太赫兹时域光谱RCS测量系统都只能实现单一线偏振极化的收发测量，而不具备全极化RCS测量能力。
传统太赫兹时域光谱系统多采用聚束式或小孔径扩束的方式以充分利用太赫兹波束的能量，可测量材料的透射或反射信号以反演材料的电磁参数。为了获取材料的电磁参数极化特性，也相应的发展了多种偏振探测方法。如利用光纤耦合的光导天线作为太赫兹发射和接收源的时域光谱系统(专利：一种全光纤透反射一体式太赫兹时域光谱系统，公开号：CN104568819B；一种光纤耦合太赫兹时域光谱测试系统，公开号：CN106323907A；一种实时散射型太赫兹准时域近场偏振光谱仪，公开号：CN105628641A)，利用光导天线的线极化发射和探测特性，通过分别在垂直于光轴的平面内旋转发射光导天线和探测光导天线各90°，理论上就可实现HH、HV、VH和VV四种极化方式的探测。对于采用电光晶体等作为太赫兹发射和探测源的时域光谱系统，一般使用飞秒激光自由传输进行泵浦，其发射和探测的太赫兹极化方向同时取决于飞秒激光的极化方向和晶体的晶轴方向，且难以像光纤耦合系统那样同步绕光轴旋转飞秒激光和晶体的取向，则可采取使用半波片以旋转飞秒激光的极化方向(专利：太赫兹时空分辨成像系统，授权号：CN203224435U)或等效的机械式旋转电光晶体的晶轴取向，以实现相应的HH、HV、VH和VV四种极化方式的探测。但这些透射或反射时域光谱极化测量系统，只能获取目标或材料的透射或反射太赫兹信号，而无法满足目标RCS的测量需求。此外，直接旋转太赫兹发射源及/或探测源，极易造成较大的机械位移误差，而引起相关光路的离焦、偏移等重合误差及造成额外的交叉极化干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统及方法，可以克服或改善时域光谱RCS测量系统无法提供全极化目标散射特性测量，而电子学RCS测量无法覆盖高频，太赫兹气体激光器RCS测量频点少且谱宽小的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其包含：
发出飞秒脉冲的飞秒激光源模块，其输出的激光信号的一部分形成泵浦光，另一部分为探测激光；
太赫兹发射源模块，其接收所述泵浦光，发射出太赫兹波；
用于控制所述太赫兹波的极化方向的太赫兹波极化控制系统，其设置有第二赫兹偏振片、第三太赫兹偏振片和飞秒激光半波片；
目标及转台系统，其接收所述第二赫兹偏振片发射的太赫兹波；
太赫兹波探测系统，其接收由太赫兹波极化控制系统发射的太赫兹波，或者接收由飞秒激光源模块发出并经过飞秒激光半波片的探测激光；所述太赫兹波探测系统对所述太赫兹波和探测激光进行信号的处理和测量；
通过调节第二赫兹偏振片线栅方向、第三太赫兹偏振片线栅方向和飞秒激光半波片的光轴方向，使所述太赫兹波探测系统执行HH、HV、VH、VV四种极化的太赫兹波信号的测量；
数据采集及控制系统，其对太赫兹波探测系统发送的太赫兹波散射时域光谱信号进行采集和存储。
优选地，所述飞秒激光源模块包含：
飞秒激光器，其产生脉宽小于100fs的水平线偏振飞秒脉冲；
半波片，其接收飞秒激光器发出的飞秒脉冲并调整偏振方向；所述半波片是调整泵浦光和探测激光的光功率比值的旋转结构；
偏振分束器，其将调整偏振方向后的飞秒脉冲分为所述泵浦光和所述探测激光；所述泵浦光和所述探测激光的偏振方向相互正交。
优选地，所述太赫兹发射源模块设有第一金属反射镜、第一透镜和光导天线；所述第一金属反射镜接收由所述偏振分束器发出的所述泵浦光并将其发射，再经第一透镜聚焦照射到所述光导天线上，发出所述太赫兹波。
优选地，其还包含太赫兹波束准直系统；所述太赫兹波束准直系统设有第一太赫兹偏振片和第一离轴金属抛物面镜；
所述目标及转台系统包含目标和转台系统；所述目标设置在转台系统上，通过低反射率支架对所述目标进行支撑；
所述第一太赫兹偏振片是一种用于保偏的太赫兹线栅偏振片；所述光导天线发出的太赫兹波依次经第一太赫兹偏振片和第一离轴金属抛物面镜后，被准直为均匀平面波束照射到待测的目标的表面上，再经第二离轴抛物面镜被收集后，汇聚到太赫兹波探测系统的探测晶体上。
优选地，所述太赫兹波极化控制系统还包含：
通过发射作用改变探测激光的传播方向和增加光程的第二金属反射镜和第三金属反射镜；
为探测激光提供满足系统频谱分辨率、谱宽的光程步进精度和行程的时间延迟线；
使反射后的探测激光方向沿水平方向的第四金属反射镜；
接收所述飞秒激光半波片发射的探测激光或者第三太赫兹偏振片发射的太赫兹波的第二离轴金属抛物面镜；
第二金属反射镜接收由所述偏振分束器发出的探测激光并将其发射，再经过第三金属反射镜反射，进入时间延迟线，探测激光从所述时间延迟线经第四金属反射镜反射后沿水平方向通过飞秒激光半波片，再经过第二离轴金属抛物面镜，并沿着水平方向到达探测晶体。
优选地，所述太赫兹波探测系统还包含：第二透镜、四分之一波片、渥拉斯顿棱镜和差分光电二极管探测器；
所述探测激光与所述太赫兹波在探测晶体处重合并位相匹配，再在探测晶体内经太赫兹波电场调制后形成飞秒激光，该飞秒激光经过第二透镜汇聚后，再经四分之一波片转换为圆偏振光，由渥拉斯顿棱镜分为p光和s光两束分别进入差分光电二极管探测器的两个光电二极管内；差分光电二极管探测器测得太赫兹波散射时域光谱信号。
优选地，所述信号采集及控制系统设有信号采集及控制器，其获取并存储所述差分光电二极管探测器测得的太赫兹波散射时域光谱信号；
所述信号采集及控制系统还通过控制转台系统、时间延迟线和差分光电二极管探测器，使数据采集及控制系统获取目标在各个方位角和俯仰角姿态下的太赫兹波散射时域光谱信号。
本发明还提供了一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射信号的获取方法，该方法的步骤为：
S1、旋转第一太赫兹偏振片使其与水平面呈45°夹角，透过第一太赫兹偏振片的太赫兹时域脉冲波束具有相等的H分量和V分量；
S2、通过调节第二赫兹偏振片和第三太赫兹偏振片和飞秒激光半波片的方向实现HH收发极化、HV收发极化、VH收发极化和VV收发极化；
S3、选定任意一种极化收发方式，旋转转台系统得到不同的方位角和俯仰角，使目标位于初始的方位角和俯仰角，移动时间延迟线，扫描记录该姿态下的太赫兹散射时域光谱信号；
S4、重复进行步骤S3，遍历所要测量的方位角和俯仰角，得到各个方位角和俯仰角姿态下的太赫兹散射时域光谱信号，再经傅里叶变换到频域后，得到不同频点的方位角和俯仰角的RCS图像和ISAR图像；
S5、重复进行步骤S3和步骤S4，分别测量所有的极化收发方式的目标太赫兹散射时域光谱信号。
优选地，所述HH的收发极化方法为：
用于起偏作用的第二太赫兹偏振片的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标的表面；经过目标反射后的太赫兹波将由H极化分量和少量的交叉极化V分量构成，使得总的极化方向略微偏离水平方向；用于检偏作用的第三太赫兹偏振片的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入探测晶体；
探测激光在进入飞秒激光半波片之前是水平极化，调节飞秒激光半波的光轴方向使透过该飞秒激光半波片的探测激光的极化方向仍沿水平方向，并入射到探测晶体，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述HV的收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标表面；第三太赫兹偏振片的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体；
探测激光在进入飞秒激光半波片之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片，使经过该飞秒激光半波片的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，入射到探测晶体，实现太赫兹波V极化的探测；
所述VH的收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标表面，经目标反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入到探测晶体，使探测晶体探测H极化方向的太赫兹波；
探测激光在进入飞秒激光半波片之前是水平极化，调节飞秒激光半波片的光轴方向，使透过该飞秒激光半波片的探测激光的极化方向仍沿水平方向，入射到探测晶体，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述VV的收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标表面上，经待测目标反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体；
探测激光在进入飞秒激光半波片之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片，使经过该飞秒激光半波片的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，进入探测晶体，实现太赫兹波V极化的探测。
优选地，所述探测晶体是<111>晶向的ZnTe，其在垂直于光轴的面内有<011>和<211>两个正交的晶向；<011>晶向与渥拉斯顿棱镜(21)的夹角为ψ，渥拉斯顿棱镜与飞秒激光半波片的夹角为δ；
通过所述<111>晶向的ZnTe晶体得到的太赫兹波散射时域光谱信号的探测幅度与夹角ψ和夹角δ的正弦数值和余弦数值之间的正比关系为：
ETHz～[E211sin(2ψ-4δ)+E011cos(2ψ-4δ)]；
通过改变夹角ψ或δ使得有
当n为奇数时，使用<211>晶向来探测水平的H极化分量；当n为偶数时，使用<011>晶向来探测竖直的V极化分量；转动飞秒激光半波片(16)使得夹角δ的变化量为22.5°，在保持夹角ψ不变时，使2ψ-4δ发生90°的变化，实现探测H极化分量和V极化分量的切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过多个太赫兹偏振片及激光半波片组合以实现太赫兹高频点大谱宽范围内目标全极化RCS和3DISAR等散射特性测量的太赫兹时域光谱系统，且在极化控制中不旋转太赫兹发射源和探测源等精密部件以保证系统的机械稳定性。
附图说明
图1太赫兹时域光谱全极化目标电磁散射测量系统功能模块示意图；
图2太赫兹时域光谱全极化目标电磁散射测量系统光路示意图；
图3方位角
和俯仰角θ的定义示意图；
图4本发明的HH收发示意图；
图5本发明的HV收发示意图；
图6本发明的VH收发示意图；
图7本发明的VV收发示意图；
图8本发明的<111>晶向的ZnTe晶体探测角度关系图。
其中，图2-图7中的双向箭头为极化方向，单向箭头为光束的入射方向。
其中，1.飞秒激光器；2.半波片；3.偏振分束器；4.第一金属反射镜；5.第一透镜；6.光导天线；7.第一太赫兹偏振片；8.第一离轴金属抛物面镜；9.第二太赫兹偏振片；10.目标；11.第三太赫兹偏振片；12.第二金属反射镜；13.第三金属反射镜；14.时间延迟线；15.第四金属反射镜；16.激光半波片；17.第二离轴金属抛物面镜；18.探测晶体；19.第二透镜；20.四分之一波片；21.渥拉斯顿棱镜；22.差分光电二极管探测器；23.数据采集及控制器；101.飞秒激光源模块；102.太赫兹发射源模块；103.太赫兹波束准直系统；104.目标及转台系统；105.太赫兹波极化控制系统；106.太赫兹波探测系统；107.数据采集及控制系统。
具体实施方式
本发明提供了一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统及方法，为使本发明更加明显易懂，以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的太赫兹时域光谱全极化目标电磁散射测量系统主要包含飞秒激光源模块101、太赫兹发射源模块102、太赫兹波束准直系统103、目标及转台系统104、太赫兹波极化控制系统105、太赫兹波探测系统106和数据采集及控制系统107。
飞秒激光源模块101主要为太赫兹发射源模块102和太赫兹探测系统106提供满足脉宽、功率和中心波长的飞秒激光，可根据太赫兹发射源模块102和太赫兹探测系统106所用的半导体晶体或有机晶体等的光物理性质，选择合适的参数。
飞秒激光源模块101主要包含飞秒激光器1、半波片2和偏振分束器3；半波片2接收飞秒激光器1发出的飞秒脉冲并调整偏振方向；通过旋转来改变半波片2的方向，可以调整泵浦光和探测激光的光功率比值，满足实际需要。
太赫兹发射源102可根据对发射太赫兹波束的发散角、谱宽、中心频率和发射功率等要求选择合适的光导天线或电光晶体等发射源。太赫兹发射源模块102设有第一金属反射镜4、第一透镜5和光导天线6。
太赫兹波束准直系统103需要满足金属镜面的粗糙度加工要求以降低交叉极化串扰，以及选择适当的离轴角度以满足特定双站角度的光路布置要求。太赫兹波束准直系统103设有第一太赫兹偏振片7和第一离轴金属抛物面镜8。
目标及转台系统104要求转台高精度地在方位角和俯仰角旋转，其角度分辨率和角度范围需要满足目标雷达散射截面(RCS，Radar Cross Section)和逆合成孔径雷达(ISAR)成像的采样定理要求。
太赫兹波极化控制系统105的偏振片选择需要具有大于波束尺寸的面积和足够高的消光比，以满足交叉极化的测量要求。太赫兹波极化控制系统105主要包含第二赫兹偏振片9、第三太赫兹偏振片11、飞秒激光半波片16、第二金属反射镜12、第三金属反射镜13、时间延迟线14、第四金属反射镜15和第二离轴金属抛物面镜17。
太赫兹波探测系统106需要满足H极化和V极化太赫兹波的探测需求，并保证足够高的可用动态范围。太赫兹波探测系统106包含探测晶体18、第二透镜19、四分之一波片20、渥拉斯顿棱镜21和差分光电二极管探测器22。
数据采集及控制系统107设置有一种数据采集及控制器203，其要求同步控制测试系统的转台、时间延迟线与差分探测器等，实现不同目标姿态、不同极化收发方式下电磁散射特性数据的准确采集与存储。
示例地，如图2所示，一种典型的实施光路；飞秒激光器1产生脉宽小于100fs的水平线偏振飞秒脉冲，透过半波片2后，经偏振分束器3被分为偏振方向正交的两束，一束到达第一金属反射镜4作为泵浦光，另一束到达第二金属反射镜12作为第一探测激光。
泵浦光由第一金属反射镜4反射后，经第一透镜5聚焦照射到光导天线6上，形成太赫兹发射源，继而发散太赫兹时域脉冲波束，再依次经第一太赫兹偏振片7和第一离轴金属抛物面镜8后，被收集并准直为均匀平面波束，照射到置于转台上并由低反射率支架支撑的待测的目标10表面；目标10的散射信号经第二离轴抛物面镜17被收集后，该太赫兹散射信号汇聚到探测晶体18上。从光导天线6到探测晶体18的太赫兹波的传播路径中，第一太赫兹偏振片7、第二赫兹偏振片9和第三太赫兹偏振片11分别起到保偏器、起偏器和检偏器的作用，其均为太赫兹线栅偏振片。
经偏振分束器3得到的飞秒激光作为探测激光，经过第二金属反射镜12和第三金属反射镜13改变传播方向和增加光程后进入时间延迟线14；时间延迟线14提供了满足系统频谱分辨率、谱宽的光程步进精度和行程。该探测激光再从时间延迟线14到达第四金属反射镜15反射后，通过飞秒激光半波片16，再通过第二离轴金属抛物面镜17，沿着水平方向到达探测晶体18。
探测激光与太赫兹散射信号会在探测晶体18处重合并位相匹配，再在探测晶体18内经太赫兹波电场调制后形成飞秒激光，该飞秒激光经过第二透镜19汇聚后，再经四分之一波片20转换为圆偏振光，再由渥拉斯顿棱镜21分为p光和s光两束分别进入差分光电二极管探测器22的两个光电二极管内。差分光电二极管探测器22测得的太赫兹波相对电场幅度信号，信号采集及控制器23获取并存储该信号。
所以，全极化电磁散射信号的测量过程中，应先通过调节第二赫兹偏振片9和第三太赫兹偏振片11和飞秒激光半波片16的旋转方向来确定收发极化方式，继而控制转台和时间延迟线14，以扫描得到不同姿态下的目标极化太赫兹时域光谱散射信号。
如图3所示是方位角
和俯仰角θ的定义示意图，其中，转台的台面平行于xz平面，y轴方向是垂直于转台台面。
具体实施步骤如下：
步骤S1、旋转第一太赫兹偏振片7，使其与水平面呈45°夹角，以使透过的太赫兹时域脉冲波束具有相等的H分量和V分量。H分量和V分量方向分别定义为平行于水平面和垂直于水平面。
步骤S2、对于本发明的HH收发极化、HV收发极化、VH收发极化和VV收发极化四种方式，通过调节第二赫兹偏振片9和第三太赫兹偏振片11和飞秒激光半波片16的方向来确定；对于探测晶体18，则采用<111>晶向的ZnTe。
(1)HH收发极化：
如图4所示，光导天线6的太赫兹发射源射出的太赫兹波极化大致沿xy面(x轴方向为水平方向，y轴方向为垂直方向)内与x轴夹角45°方向(实际中由于装配等因素导致极化方向略微偏离45°方向)；第一太赫兹偏振片7作为保偏器，其线栅方向沿135°方向放置，使透过的太赫兹波极化方向沿45°方向，则太赫兹波将具有相等的H极化分量和V极化分量；第二太赫兹偏振片9作为起偏器，其线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到待测目标10表面；经过待测目标10反射后的太赫兹波信号将由H极化分量和少量的交叉极化V分量构成，使得总的极化方向略微偏离水平方向。
第三太赫兹偏振片11作为检偏器，其线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入到探测晶体18。
探测激光在进入飞秒激光半波片16之前是水平极化，所以调节飞秒激光半波片16的光轴方向，使透过该飞秒激光半波片16的探测激光的极化方向仍沿水平方向，入射到探测晶体18，实现H极化太赫兹波的电光探测。
(2)HV收发极化：
如图5所示，HV收发极化中，调节第二太赫兹偏振片9的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到待测目标10表面。第三太赫兹偏振片11的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体18。
探测激光在进入飞秒激光半波片16之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片16，使经过该飞秒激光半波片16的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，入射到探测晶体18，实现太赫兹波V极化的探测。
所以，HV收发极化与HH收发极化的差异在于各自的第三太赫兹偏振片11和飞秒激光半波片16的旋转方向不同。
(3)VH收发极化：
如图6所示，VH收发极化中，调节第二太赫兹偏振片9的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到待测目标10表面上，再经待测目标10反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向。第三太赫兹偏振片11的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入到探测晶体18，以使探测晶体18探测H极化方向的太赫兹波。
探测激光在进入飞秒激光半波片16之前是水平极化，所以调节飞秒激光半波片16的光轴方向，使透过该飞秒激光半波片16的探测激光的极化方向仍沿水平方向，入射到探测晶体18，实现H极化太赫兹波的电光探测。
(4)VV收发极化：
如图7所示，VV收发极化中，调节第二太赫兹偏振片9的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到待测的目标10表面上，再经目标10反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向。第三太赫兹偏振片11的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体18。
探测激光在进入飞秒激光半波片16之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片16，使经过该飞秒激光半波片16的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，进入探测晶体18，实现太赫兹波V极化的探测。
步骤S3、选定任意一种极化收发方式，例如HH收发极化方式；旋转方位角和俯仰角转台，使待测目标10位于初始的方位角
和俯仰角θ0，移动时间延迟线14，扫描记录该姿态下的太赫兹散射时域光谱信号
步骤S4、重复进行步骤S3，遍历所要测量的方位角
和俯仰角θ，得到各个方位角和俯仰角姿态下的太赫兹散射时域光谱信号
再经傅里叶变换到频域后，即可得到不同频点的方位角
和俯仰角θ的RCS以及ISAR图像。
步骤S5、重复进行步骤S3和S4，分别测量所有的极化收发方式，最终得到全极化的目标太赫兹散射时域光谱信号
和
图8为本发明的<111>晶向的ZnTe晶体探测角度关系图。该晶向晶体在垂直于光轴的面内有<011>和<211>两个正交的晶向，可用于探测THz信号。
<011>晶向与渥拉斯顿棱镜WP(即图1中的渥拉斯顿棱镜21)的夹角为ψ，渥拉斯顿棱镜WP与飞秒激光半波片HWP(即图1中的飞秒激光半波片16)的夹角为δ。
使用<111>晶向的ZnTe晶体得到的太赫兹信号的探测幅度与夹角ψ和夹角δ的正弦和余弦数值之间满足如下的正比关系：
ETHz～[E211sin(2ψ-4δ)+E011cos(2ψ-4δ)]；
只要改变夹角ψ或δ使得有
即可。在n为奇数时，使用<211>晶向来探测水平的H极化分量；在n为偶数时，使用<011>晶向来探测竖直的V极化分量。
选择转动飞秒激光半波片16使得夹角δ的变化量为22.5°，即可在保持夹角ψ不变的同时，使2ψ-4δ发生90°的变化，从而实现探测H极化分量和V极化分量的切换，且可以避免转动渥拉斯顿棱镜对差分探测器光路的影响。
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 (8)
1.一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，其包含：
发出飞秒脉冲的飞秒激光源模块(101)，其输出的激光信号的一部分形成泵浦光，另一部分为探测激光；
太赫兹发射源模块(102)，其接收所述泵浦光，发射出太赫兹波；所述太赫兹发射源模块(102)设有第一金属反射镜(4)、第一透镜(5)和光导天线(6)；所述第一金属反射镜(4)接收所述泵浦光并将其反射，再经第一透镜(5)聚焦照射到所述光导天线(6)上，发出所述太赫兹波；
用于控制所述太赫兹波极化方向的太赫兹波极化控制系统(105)，其设置有第二太赫兹偏振片(9)、第三太赫兹偏振片(11)和飞秒激光半波片(16)；
目标及转台系统(104)，其接收所述第二太赫兹偏振片(9)透过的太赫兹波；所述目标及转台系统(104)包含目标(10)和转台系统；所述目标(10)设置在转台系统上，通过低反射率支架对所述目标(10)进行支撑；
太赫兹波探测系统(106)，包含用于探测太赫兹波的探测晶体(18)；太赫兹波探测系统(106)接收由太赫兹波极化控制系统(105)中的第三太赫兹偏振片(11)透过的太赫兹波，以及接收由飞秒激光源模块(101)发出并经过所述飞秒激光半波片(16)的探测激光；所述太赫兹波探测系统(106)对所述太赫兹波和所述探测激光进行信号的处理和测量，所述探测激光与所述太赫兹波在探测晶体(18)处重合；
通过调节第二太赫兹偏振片(9)线栅方向、第三太赫兹偏振片(11)线栅方向和飞秒激光半波片(16)的光轴方向，使所述太赫兹波探测系统(106)执行HH、HV、VH、VV四种极化的太赫兹波信号的测量；所述探测晶体(18)为<111>晶向的ZnTe电光晶体；
数据采集及控制系统(107)，其对所述太赫兹波探测系统(106)发送的太赫兹波散射时域光谱信号进行采集和存储；
所述HH收发极化方法为：
用于起偏作用的第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标(10)的表面；经过目标(10)反射后的太赫兹波将由H极化分量和少量的交叉极化V分量构成，使得总的极化方向略微偏离水平方向；用于检偏作用的第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入探测晶体(18)；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，调节飞秒激光半波片(16)的光轴方向使透过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向仍沿水平方向，并入射到探测晶体(18)，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述HV收发极化方法为：
调节所述第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标(10)表面；所述第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入所述探测晶体(18)；
探测激光在进入所述飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片(16)，使经过所述飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，入射到探测晶体(18)，实现太赫兹波V极化的探测；
所述VH收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标(10)表面，经目标(10)反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入到探测晶体(18)，使探测晶体(18)探测H极化方向的太赫兹波；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，调节飞秒激光半波片(16)的光轴方向，使透过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向仍沿水平方向，入射到探测晶体(18)，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述VV收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标(10)表面上，经目标(10)反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体(18)；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片(16)，使经过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，进入探测晶体(18)，实现太赫兹波V极化的探测。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，
所述飞秒激光源模块包含：
飞秒激光器(1)，其产生脉宽小于100fs的水平线偏振飞秒脉冲；
半波片(2)，其接收所述飞秒激光器(1)发出的飞秒脉冲并调整偏振方向；所述半波片(2)是一种调整泵浦光和探测激光的光功率比值的旋转结构；
偏振分束器(3)，其将已调整偏振方向后的飞秒脉冲分为所述泵浦光和所述探测激光；所述泵浦光和所述探测激光的偏振方向相互正交。
3.如权利要求2所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，其还包含太赫兹波束准直系统(103)；
所述太赫兹波束准直系统(103)设有第一太赫兹偏振片(7)和第一离轴金属抛物面镜(8)；所述第一太赫兹偏振片(7)是一种用于保偏的太赫兹线栅偏振片；
所述光导天线(6)发出的太赫兹波依次经第一太赫兹偏振片(7)和第一离轴金属抛物面镜(8)后，被准直为均匀平面波束，经第二太赫兹偏振片(9)后照射到待测的目标(10)表面上，经目标(10)反射后的太赫兹波经第三太赫兹偏振片(11)透射，再经第二离轴抛物面镜(17)被收集后，汇聚到太赫兹波探测系统(106)的探测晶体(18)上。
4.如权利要求3所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，
所述太赫兹波极化控制系统(105)还包含：
通过反射作用改变探测激光的传播方向和增加光程的第二金属反射镜(12)和第三金属反射镜(13)；
为探测激光提供满足系统频谱分辨率、谱宽的光程步进精度和行程的时间延迟线(14)；
使反射后的探测激光方向沿水平方向的第四金属反射镜(15)；
接收所述飞秒激光半波片(16)透射的探测激光和第三太赫兹偏振片(11)透射的太赫兹波的第二离轴金属抛物面镜(17)；
所述第二金属反射镜(12)接收由所述偏振分束器(3)发出的探测激光并将其反射，再经过所述第三金属反射镜(13)反射，进入所述时间延迟线(14)，探测激光从所述时间延迟线(14)出射后再经第四金属反射镜(15)反射后沿水平方向通过飞秒激光半波片(16)，再经过第二离轴金属抛物面镜(17)，并沿着水平方向到达探测晶体(18)。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，
所述太赫兹波探测系统(106)还包含：第二透镜(19)、四分之一波片(20)、渥拉斯顿棱镜(21)和差分光电二极管探测器(22)；
所述探测激光与所述太赫兹波在探测晶体(18)处重合并位相匹配，再在探测晶体(18)内经太赫兹波电场调制后形成飞秒激光，该飞秒激光经过第二透镜(19)汇聚后，再经四分之一波片(20)转换为圆偏振光，由渥拉斯顿棱镜(21)分为p光和s光两束分别进入差分光电二极管探测器(22)的两个光电二极管内，差分光电二极管探测器(22)测得太赫兹波散射时域光谱信号。
6.如权利要求5所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，
所述数据采集及控制系统(107)设有信号采集及控制器(23)，其获取并存储所述差分光电二极管探测器(22)测得的太赫兹波散射时域光谱信号；
所述数据采集及控制系统(107)还通过控制转台系统、时间延迟线(14)和差分光电二极管探测器(22)，使数据采集及控制系统(107)获取目标(10)在各个方位角和俯仰角姿态下的太赫兹波散射时域光谱信号。
7.一种采用如权利要求4所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统的太赫兹时域光谱全极化电磁散射信号的获取方法，其特征在于，
S1、旋转第一太赫兹偏振片(7)使其与水平面呈45°夹角，透过所述第一太赫兹偏振片(7)的太赫兹时域脉冲波束具有相等的H分量和V分量；
S2、通过调节第二太赫兹偏振片(9)和第三太赫兹偏振片(11)和飞秒激光半波片(16)的方向实现HH收发极化、HV收发极化、VH收发极化和VV收发极化；
S3、选定任意一种极化收发方式，通过旋转转台系统，得到目标(10)的初始的方位角和俯仰角，移动时间延迟线(14)，扫描记录该姿态下的太赫兹散射时域光谱信号；
S4、重复进行步骤S3，遍历所要测量的方位角和俯仰角，得到各个方位角和俯仰角姿态下的太赫兹散射时域光谱信号，再经傅里叶变换到频域后，得到不同频点的方位角和俯仰角的RCS图像和ISAR图像；
S5、重复进行所述步骤S3和所述步骤S4，分别测量所有的极化收发方式的目标太赫兹散射时域光谱信号；
所述HH收发极化方法为：
用于起偏作用的第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标(10)的表面；经过目标(10)反射后的太赫兹波将由H极化分量和少量的交叉极化V分量构成，使得总的极化方向略微偏离水平方向；用于检偏作用的第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入探测晶体(18)；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，调节飞秒激光半波片(16)的光轴方向使透过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向仍沿水平方向，并入射到探测晶体(18)，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述HV收发极化方法为：
调节所述第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿90°放置，使透过的太赫兹波极化方向沿水平方向，变为H极化入射到目标(10)表面；所述第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入所述探测晶体(18)；
探测激光在进入所述飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片(16)，使经过所述飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，入射到探测晶体(18)，实现太赫兹波V极化的探测；
所述VH收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标(10)表面，经目标(10)反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿90°放置，使太赫兹波的H极化分量透射进入到探测晶体(18)，使探测晶体(18)探测H极化方向的太赫兹波；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，调节飞秒激光半波片(16)的光轴方向，使透过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向仍沿水平方向，入射到探测晶体(18)，实现H极化太赫兹波的电光探测；
所述VV收发极化方法为：
调节第二太赫兹偏振片(9)的线栅方向沿水平放置，使V极化的太赫兹波照射到目标(10)表面上，经目标(10)反射后的太赫兹波包含V极化分量和少量交叉极化H分量，使得总的极化方向略微偏离竖直方向；第三太赫兹偏振片(11)的线栅方向沿水平放置，使太赫兹波的V极化分量透射进入探测晶体(18)；
探测激光在进入飞秒激光半波片(16)之前是水平极化，通过旋转调节飞秒激光半波片(16)，使经过该飞秒激光半波片(16)的探测激光的极化方向与水平方向成22.5°夹角，进入探测晶体(18)，实现太赫兹波V极化的探测。
8.如权利要求7所述的一种太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量系统，其特征在于，
所述探测晶体(18)是<111>晶向的ZnTe，其在垂直于光轴的面内有<011>和<211>两个正交的晶向；<011>晶向与渥拉斯顿棱镜(21)的夹角为ψ，所述渥拉斯顿棱镜(21)与所述飞秒激光半波片(16)的夹角为δ；
通过所述<111>晶向的ZnTe晶体得到的太赫兹波散射时域光谱信号的探测幅度与夹角ψ和夹角δ的正弦数值和余弦数值之间的正比关系为：
ETHz～[E211sin(2ψ-4δ)+E011cos(2ψ-4δ)]；
通过改变夹角ψ或δ使得有
当n为奇数时，使用<211>晶向来探测水平的H极化分量；当n为偶数时，使用<011>晶向来探测竖直的V极化分量；转动飞秒激光半波片(16)使得夹角δ的变化量为22.5°，在保持夹角ψ不变时，使2ψ-4δ发生90°的变化，实现探测H极化分量和V极化分量的切换。
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