CN111024642B - 一种太赫兹波分束系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹波分束系统，包括频率源加倍频器模块、高斯束赋形喇叭天线、一维傅里叶相栅、热电探测器和两个90度偏置抛物面反射镜，频率源加倍频器模块的输出端电性连接高斯束赋形喇叭天线的输入端，并将输出信号通过高斯束赋形喇叭天线耦合至自由空间中，输出信号的束腰位置与90度偏置抛物面反射镜A的焦点重合，通过90度偏置抛物面反射镜A的准直，发送至一维傅里叶相栅的表面，并通过90度偏置抛物面反射镜B进行聚束，热电探测器可对聚束后的信号进行扫描接收。本发明的太赫兹波分束系统可以避免使用多个太赫兹频率源，降低了太赫兹阵列接收机的复杂度，同时本系统结构简单，便于加工，成本低，且衍射效率高。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹波分束系统。
背景技术
太赫兹波与可见光和红外线相比，能够以很小的衰减穿透非极性和弱极性介质材料，这使得太赫兹成像具备全天候工作以及探测藏匿于衣物之下的危险品的能力，且不存在微波成像系统的重量过重、体积过大的问题。在安全，天文，军事等领域太赫兹成像要求足够大的信道容量，高的成像速度和效率，多通道阵列接收机的使用就显得尤为重要。
为了在太赫兹频段实现阵列接收，如果给每个通道的混频器都提供一个独立的本振源，由于太赫兹的器件造价较高，使得整个系统体积庞大，成本昂贵，而且太赫兹频段的频率源技术研究尚未成熟，很难实现多个独立本振源在相位、幅度和频率上的同步，然而另一种方案，即由一个本振源同时得到同频等幅的多个波束去激励多个混频器，可以很好解决这些问题。目前实现多个太赫兹本振源的方法有两种：在由一个普通微波源激励的倍频器基础上实现的固态波导多波束发生器和通过衍射单个太赫兹源产生多个太赫兹波束的反射式相栅，前者在较高的太赫兹频段由波导实现的多波束还未得到验证，且波导损耗会随着频率的增加而增大，而后者在实现整个系统结构简化和低成本上更具优势。
相栅(phase grating)是一种通过调节入射波前相位，将单个波束转换为有限多个相位幅度为特定分布的光学衍射元件，一般可以通过设计相栅表面的几何结构得到等幅且空间分布满足特定要求的多个波束。这样的衍射元件包括相位离散的Dammann光栅和Kinoform光栅，周期性介电圆柱阵列，相位连续的傅里叶相栅(Fourier phase grating)等。傅里叶相栅因其高的衍射效率被广泛应用红外波段的单色波分束和赋形，连续相位变化的特点更易于使用金属材料加工，根据光路的不同又分为反射式和透射式，反射式的傅里叶相栅，可避免透射式光栅同时具有吸收损耗和反射损耗的问题。傅里叶相栅得名于相栅表面的相位函数可以用傅里叶级数表示，通过设计相应的优化算法，使用有限个傅里叶系数就能很好地刻画相栅表面结构，得到预期的衍射波束，而且傅里叶系数足够多时衍射效率可以达到90％以上，将相位函数转换为光程差就可以得到傅里叶相栅浮雕深度。相位离散的Dammann光栅深度变化是边缘垂直于水平面的矩形波，不仅陡峭的边缘加工需要用到复杂的光刻技术，而且得到的光栅衍射效率也较低。傅里叶相栅的相位函数是多个正弦级数的叠加，连续且具有周期性的，反射式的傅里叶相栅可以使用精密数控铣削技术(CNCMilling，Computerized Numerical Control Milling)加工金属铝块得到，加工复杂度低。
发明内容
发明目的：针对太赫兹阵列接收中的多路本振复用难题，本发明提出一种太赫兹波分束系统。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种太赫兹波分束系统，所述太赫兹波分束系统包括有频率源加倍频器模块、高斯束赋形喇叭天线、90度偏置抛物面反射镜A、一维傅里叶相栅、90度偏置抛物面反射镜B和热电探测器，所述频率源加倍频器模块的输出端电性连接高斯束赋形喇叭天线的输入端，并将输出信号通过所述高斯束赋形喇叭天线耦合至自由空间中，所述输出信号辐射出的高斯束束腰位置与90度偏置抛物面反射镜A的焦点重合，通过所述90度偏置抛物面反射镜A的准直，发送至所述一维傅里叶相栅的表面，同时通过所述90度偏置抛物面反射镜B进行聚束，所述热电探测器可对聚束后的信号进行扫描接收。
进一步地讲，所述一维傅里叶相栅(4)表面的相位函数可展开为N个傅里叶级数的和，每个所述傅里叶系数的值均通过遗传算法优化计算获取。
进一步地讲，所述输出信号的衍射级数随每个傅里叶系数的值的变化而改变。
进一步地讲，所述一维傅里叶相栅(4)中衍射场分布具体为：
其中：U0为入射场波分布，Jq为第q阶贝塞尔函数，am为第m个傅里叶系数，δ为冲激函数，θ为自变量，q为贝塞尔函数的第q阶，λ为自由空间波长，D为相栅周期。
进一步地讲，所述一维傅里叶相栅(4)采用反射式，具有周期性结构，同时所述一维傅里叶相栅(4)只调控入射波的波前相位。
进一步地讲，所述一维傅里叶相栅(4)中单元的重复数为：5*n×5*n，其中：n为正整数，同时所述一维傅里叶相栅(4)浮雕深度的最小曲率半径大于铣刀可加工的最小曲率半径。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明的太赫兹波分束系统可以避免使用多个太赫兹频率源，不仅解决了多个源之间的频率、幅度同步难题，而且降低了太赫兹阵列接收机的复杂度，同时本发明的太赫兹波分束系统结构简单，便于加工，成本低，且衍射效率高；
(2)本发明的太赫兹波分束系统中的一维傅里叶相栅不仅可以用于太赫兹波分束，还可用于多波束综合、波束赋形、空间功率合成等场景。
附图说明
图1是本发明的太赫兹波分束系统结构示意图；
图2是本发明的一维傅里叶相栅单元的浮雕深度变化曲线图；
图3是本发明的一维傅里叶相栅的三维示意图；
图4是本发明的1×4波束阵列功率分布图；
图中标号对应部件名称：
1、频率源加倍频器模块；2、高斯束赋形喇叭天线；3、90度偏置抛物面反射镜A；4、一维傅里叶相栅；5、90度偏置抛物面反射镜B；6、热电探测器；7、光路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种太赫兹波分束系统，该太赫兹波分束系统包括有频率源加倍频器模块1、高斯束赋形喇叭天线2、90度偏置抛物面反射镜A3、一维傅里叶相栅4、90度偏置抛物面反射镜B5和热电探测器6，同时本太赫兹波分束系统中各部件均按照光路7进行放置。其中频率源加倍频器模块1的输出信号频率为300GHz，90度偏置抛物面反射镜A3和90度偏置抛物面反射镜B5的焦距均设置为250mm，一维傅里叶相栅4中单元尺寸为：8mm×8mm，单元数为：5×5，同时一维傅里叶相栅4采用反射式，从而具有周期性结构，且一维傅里叶相栅4只调控入射波的波前相位。
参考图2和图3，一维傅里叶相栅4的浮雕深度变化如图2所示，且一维傅里叶相栅4浮雕深度的最小曲率半径大于铣刀可加工的最小曲率半径，在本实施例中，一维傅里叶相栅4浮雕深度的最小曲率半径选择为355μm，同时按照图3所示倾斜25°放置。由于入射波以25°斜入射，从而为防止对衍射波束的遮挡，会导致相位不均衡，于是一维傅里叶相栅4的浮雕深度变化函数需乘上cos25°。
具体地讲，频率源加倍频器模块1的输出端电性连接高斯束赋形喇叭天线2的输入端，也就是说，高斯束赋形喇叭天线2可以将频率源加倍频器模块1的输出信号耦合至自由空间中，同时输出信号辐射出的高斯束束腰大小为1.5倍自由空间波长，且高斯束束腰位置与90度偏置抛物面反射镜A3的焦点重合，高斯束通过90度偏置抛物面反射镜A3的准直后，到达一维傅里叶相栅4的表面，且波前近似为平面波。同时在一维傅里叶相栅4的波前相位调控作用下，目标衍射级数的波束将会被加强，其它衍射级则会被抑制，从而可以得到1×4太赫兹波束阵列，最后通过90度离轴抛物面反射镜5进行聚束，热电探测器6则安装在一个X-Y电机控制的平移台上，可对衍射波束进行扫描接收，进而对所有光束图案进行测量。
具体地讲，300GHz的入射波经过一维傅里叶相栅4的相位调制后得到1×4等幅波束阵列，衍射波束阵列功率分布图如图4所示，等值线为峰值的5％至100％，间隔为5％，总衍射效率为88.4％。如图4，从左往右，各衍射波束效率分别为19.3％，20.6％，22.0％，23.8％，与一维傅里叶相栅4的法线夹角分别为33°，45°，56°，71°。
在本实施例中，一维傅里叶相栅4表面的相位函数可展开为N个傅里叶级数的和，此处选择为13个傅里叶级数的和，同时每个傅里叶系数的值均可通过遗传算法优化计算获取，且一维傅里叶相栅4表面的场函数就是入射波场函数与相栅表面函数的乘积，经过傅里叶变换后得到衍射远场分布。从而输出信号的衍射级数随每个傅里叶系数的值的变化而改变。
具体地讲，通过快速傅里叶变换和遗传算法，将要求解的傅里叶系数作为种群，衍射效率和衍射级数±1、±3的均匀度作为优化目标，经过多次迭代即可产生1×4等幅波束阵列的相栅表面相位函数的傅里叶系数，同时将相位函数乘上λ/2π即可变为一维傅里叶相栅4的浮雕深度变化函数，其中λ为自由空间波长。
同时一维傅里叶相栅4中衍射场分布具体为：
其中：U0为入射场波分布，Jq为第q阶贝塞尔函数，am为第m个傅里叶系数，δ为冲激函数，θ为自变量，q为贝塞尔函数的第q阶，λ为自由空间波长，D为相栅周期。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种太赫兹波分束系统，其特征在于，所述太赫兹波分束系统包括有频率源加倍频器模块(1)、高斯束赋形喇叭天线(2)、90度偏置抛物面反射镜A(3)、一维傅里叶相栅(4)、90度偏置抛物面反射镜B(5)和热电探测器(6)，所述频率源加倍频器模块(1)的输出端电性连接高斯束赋形喇叭天线(2)的输入端，并将输出信号通过所述高斯束赋形喇叭天线(2)耦合至自由空间中，所述输出信号辐射出的高斯束束腰位置与90度偏置抛物面反射镜A(3)的焦点重合，通过所述90度偏置抛物面反射镜A(3)的准直，发送至所述一维傅里叶相栅(4)的表面，同时通过所述90度偏置抛物面反射镜B(5)进行聚束，所述热电探测器(6)对聚束后的信号进行扫描接收；其中
所述一维傅里叶相栅(4)表面的相位函数展开为N个傅里叶级数的和，每个傅里叶系数的值均通过遗传算法优化计算获取，所述输出信号的衍射级数随每个傅里叶系数的值的变化而改变；
所述一维傅里叶相栅(4)中衍射场分布具体为：
其中：U0为入射场波分布，Jq为第q阶贝塞尔函数，am为第m个傅里叶系数，δ为冲激函数，θ为自变量，q为贝塞尔函数的第q阶，λ为自由空间波长，D为相栅周期；
所述一维傅里叶相栅(4)采用反射式，具有周期性结构，同时所述一维傅里叶相栅(4)只调控入射波的波前相位；
所述一维傅里叶相栅(4)中单元的重复数为：5*n×5*n，其中：n为正整数，同时所述一维傅里叶相栅(4)浮雕深度的最小曲率半径大于铣刀可加工的最小曲率半径。
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