CN113608175B - 一种基于量子级联的rcs测量收发系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于量子级联的RCS测量收发系统，用于测量待测目标的雷达散射截面，包括光源、本振光路、信号光路和检测组件；所述本振光路包括本振参考光路和本振测量光路；所述信号光路包括信号参考光路和信号测量光路；所述信号测量光路包含紧缩场，所述待测目标设置在紧缩场中；由光源发射的光信号通过上述光路可分别得到本振参考光、本振测量光、信号参考光和信号测量光，并分别馈入检测组件；所述检测组件对接收到的本振参考光、信号参考光进行混频，对接收到的本振测量光、信号测量光进行混频，并对混频后的信号进行分析得到待测目标的RCS信息。本发明可实现待测目标RCS的高灵敏度测量，具有体积小、光路结构简单、静区尺寸大的优点。

Description

一种基于量子级联的RCS测量收发系统
技术领域
本发明涉及一种量子级联的RCS测量收发系统，属于太赫兹雷达散射截面测量技术领域。
背景技术
太赫兹波(0.1～10THz，对应波长为30μm～3mm)的波长极短，具有更强的目标散射特性刻画能力，可呈现出与微波和红外可见光频段不同的电磁散射特性。近年来，物体对太赫兹波散射特性和机理的研究越来越得到重视，太赫兹雷达相关技术更是重中之重。太赫兹雷达系统中一类重要的分支是用于测量物体的雷达散射截面(RCS)，其优势在于：第一，太赫兹波长比普通雷达波段更短，运用在缩比RCS探测中可使缩比比例更大，特别适合于大型目标探测；第二，理论上太赫兹波雷达具有比微波雷达更高的横向分辨率，太赫兹信号的绝对带宽也更大，目标成像识别能力远高于普通微波雷达；第三，目前尚无针对太赫兹波段设计的隐形飞机，对太赫兹波段探测系统难以具有有效隐形效果。
目前，实现太赫兹目标RCS相干测量系统的方法主要有基于飞秒激光器的太赫兹时域光谱测量系统、基于红外激光器的散射测量系统以及基于量子级联激光器的测量系统。这些系统的差别主要在频段范围、静区尺寸和数据信息等方面。
当前，根据太赫兹源的不同实现方式可以将太赫兹RCS测量系统分为电子学和光学两类。由电子学方式实现的系统主要指基于固态微波倍频方式产生太赫兹波的测量系统，由光学方式实现的系统主要包括基于飞秒激光器的太赫兹时域光谱测量系统(TDS)、基于远红外激光器的散射测量系统和基于量子级联激光器的太赫兹RCS测量系统。微波上变频基于固态倍频电路实现，频段主要在1THz以下，技术相对较为成熟，但难以突破1THz以上频段；太赫兹时域光谱RCS测试技术可实现宽频谱范围的THz波探测，频段主要在0.1～2THz，这类系统发射功率低，静区尺寸小，且获取的RCS数据一般不包含相位信息；基于远红外激光器的RCS测试系统测试频率可达到1THz以上，主要工作方式为点频和小带宽扫频测量，目前较为成熟的实现测试频段为1.56THz，这类系统体积庞大、结构复杂，静区尺寸一般较小；基于太赫兹量子级联激光器的RCS测试系统测试频率可达到2THz以上，太赫兹量子级联激光器的发射功率相对较高，有潜力实现大静区测试，但目前基于单一QCL的目标RCS测试系统仍未见报道。
专利CN102435987A公开了一种基于单支连续激光器的RCS测量装置，此装置为双站成像收发系统，所采用的太赫兹激光器为CO2激光器，体积庞大，不利于系统集成，待测目标的入射光束与散射光束之间的夹角小于5°，功率传输效率低，不利于太赫兹发射功率的充分利用，系统静区尺寸小，无法实现目标的全照射测量。专利103134983A公开了一种基于单一混频器的太赫兹相干检测系统和方法，该方法需要两个激光器作为信号源和参考源，其中信号源为2.7THz量子级联激光器，参考源为900GHz频段固态半导体激光器的三次谐波输出，电路复杂。美国马萨诸塞大学洛厄尔分校Jerry Waldman等人发表的Prospects forquantum cascade lasers as transmitters and local oscillators in coherentterahertz transmitter/receiver systems,Proc.of SPIE,2009(7215)提出了一种用两个量子级联激光器分别作为信号源和参考源搭建单站太赫兹目标RCS测量系统的构想，但该系统仅停留在设计阶段。美国马萨诸塞大学洛厄尔分校Andriy A.Danylov等人发表的Coherent imaging at 2.4THz with a CW quantum cascade laser transmitter,Proc.of SPIE,2010(7601)构建了一个小双站角目标RCS相干测量系统，包含两个太赫兹激光器，信号源为2.408THz量子级联激光器，参考源为2.409THz远红外气体激光器，成本昂贵且体积大。
发明内容
本发明提出一种基于量子级联的RCS测量收发系统，用来测量待测目标的雷达散射截面，以解决太赫兹波段RCS测量系统传输效率低、成本过高、静区尺寸小、无法获得RCS相位信息的技术问题。
为解决上述问题，本发明的一个技术方案如下：一种基于量子级联的RCS测量收发系统，用于测量待测目标的雷达散射截面，包括光源、本振光路、信号光路和检测组件；所述本振光路包括本振参考光路和本振测量光路；所述信号光路包括信号参考光路和信号测量光路；所述信号测量光路包含紧缩场，所述待测目标设置在紧缩场中；由光源发射的光信号通过本振参考光路传输得到本振参考光，并馈入检测组件；由光源发射的光信号通过本振测量光路传输得到本振测量光，并馈入检测组件；由光源发射的光信号通过信号参考光路传输得到信号参考光，并馈入检测组件；由光源发射的光信号通过信号测量光路传输得到待测目标的信号测量光，并馈入检测组件；所述检测组件对接收到的本振参考光、信号参考光进行混频，对接收到的本振测量光、信号测量光进行混频，并对混频后的信号进行分析得到待测目标的RCS信息。
优选的，所述紧缩场包括发射紧缩场和接收紧缩场。
所述本振参考光路包含依次设置的波束整形镜、第五分光膜、第六平面镜、第三分光膜、第七平面镜、第二分光膜和第二透镜；由光源出射的光信号首先经过波束整形镜进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜分光，第五分光膜分光后的透射光经过第六平面镜反射后，到达第三分光膜，经第三分光膜分光后的透射光束依次经过第七平面镜和第二分光膜的反射后，经过第二透镜的聚焦，作为本振参考光馈入所述检测组件。
所述本振测量光路包含依次设置的波束整形镜、第五分光膜、第六平面镜、第三分光膜、第四分光膜和第一透镜；由光源出射的光信号首先经过波束整形镜进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜分光，第五分光膜分光后的透射光经过第六平面镜反射后，到达第三分光膜，经第三分光膜分光后的反射光束再经过第四分光膜反射，经过第一透镜的聚焦，作为本振测量光馈入所述检测组件。
所述信号参考光路包含依次设置的波束整形镜、第五分光膜、第一平面镜、第二平面镜、第一分光膜、第二分光膜和第二透镜；由光源出射的光信号首先经过波束整形镜进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜分光，第五分光膜分光后的反射光束依次经过第一平面镜和第二平面镜的反射后，到达第一分光膜，经第一分光膜分光后的透射光束依次经过第二分光膜透射和第二透镜聚焦后，作为信号参考光馈入检测组件。
所述信号测量光路包含依次设置的波束整形镜、第五分光膜、第一平面镜、第二平面镜、第一分光膜、紧缩场、第四分光膜和第一透镜；由光源出射的光信号首先经过波束整形镜进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜分光，第五分光膜分光后的反射光束依次经过第一平面镜和第二平面镜的反射后，到达第一分光膜，经第一分光膜分光的反射光束作为发射信号进入紧缩场，经过发射紧缩场扩束后的光信号全照射目标，由目标反射的接收信号进一步经过接收紧缩场，到达第四分光膜，第四分光膜的透射光经过第一透镜的聚焦，作为信号测量光馈入检测组件。
所述发射紧缩场包含依次设置的发射副镜、第四平面镜、第五平面镜和主反射面；经第一分光膜分光后的反射光作为发射信号到达发射副镜，依次经发射副镜、第四平面镜、第五平面镜反射后，到达主反射面，经主反射面的反射，光束半径扩大，形成平行光束照射待测目标。
所述接收紧缩场包含依次设置的主反射面、第五平面镜和接收副镜；由待测目标反射的光信号到达主反射面，依次经主反射面、第五平面镜反射后，到达接收副镜，经接收副镜反射后，形成平行光束到达第四分光膜，且该平行光束半径缩小到扩束前的大小。
优选的，所述检测组件包括参考混频器、测试混频器和矢量网络分析仪；所述测试混频器对馈入的本振测量光和信号测量光进行混频得到测试中频信号，所述参考混频器对馈入的本振参考光和信号参考光进行混频得到参考中频信号；所述测试中频信号和参考中频信号分别输入矢量网络分析仪，该矢量网络分析仪分析得到待测目标的RCS信息。
优选的，所述主反射面、发射副镜和接收副镜为离轴角相同的离轴抛物面镜，且发射副镜和接收副镜的口径和焦距也相同，其口径范围在100mm～150mm内。
优选的，所述光源为采用斯特林制冷机进行冷却的太赫兹太赫兹量子级联激光器。
优选的，所述离轴抛物面镜为表面经过镀金处理的INVAR钢。
优选的，所述各级分光膜入射面为用聚苯乙烯匀胶和针尖金属模具热压印法制备的倒置圆锥结构薄膜。
优选的，所述各平面镜为表面经过镀金处理的INVAR钢。
优选的，所述参考混频器和测试混频器均为肖特基二极管。
优选的，所述发射紧缩场发射的光束和接收紧缩场接收的光束之间的夹角非常小，可小于0.2°。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
1.基于单只太赫兹量子级联激光器搭建了目标RCS测量收发系统，具有体积小、光路结构简单、静区尺寸大、发射光率高的优点；
2.采用相干测量的手段，可探测待测目标的振幅、相位信息，信噪比高，
可实现目标RCS的高灵敏度测量。
以下将结合附图对本发明的构思和系统具体构成做进一步说明，以充分地了解本发明的目的。
附图说明
图1为本发明一种基于量子级联的RCS测量收发系统的一个较佳实施例的光路图；
图2为实施例中发射紧缩场的光路图；
图3为实施例中接收紧缩场的光路图。
具体实施方式
以下结合附图和一个较佳的具体实施例对本发明提出的一种基于量子级联的RCS(RCS，雷达散射截面)测量收发系统作进一步详细说明。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
如图1所示，图1是本发明提供的一种基于量子级联的RCS测量收发系统的一个较佳实施例的光路图。该测量收发系统包括：光源A1，为一量子级联激光器，型号为EasyQCL-110，频率范围为1.8THz～5THz，可发射光信号到后续光路；本振光路，包含本振参考光路和本振测量光路，由光源发射的光信号分别在其中传输，可得到本振参考光和本振测量光；信号光路，包含信号参考光路和信号测量光路，由光源发射的光信号分别在其中传输，可得到信号参考光和信号测量光；检测组件，包含测试混频器M1、参考混频器M2和矢量网络分析仪B1，可对在光路中得到的光信号进行混频并分析，从而得到待测目标的RCS信息。
其中，所述信号测量光路包含紧缩场，紧缩场包含发射紧缩场和接收紧缩场。
其中，所述本振参考光路由依次设置的波束整形镜R8、第五分光膜S5、第六平面镜R9、第三分光膜S3、第七平面镜R10、第二分光膜S2和第二透镜L2构成；该本振参考光路具体如下：由量子级联激光器A1出射的太赫兹波首先经过波束整形镜R8进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜S5分光，第五分光膜S5分光后的透射光经过第六平面镜R9反射后，到达第三分光膜S3，经第三分光膜S3分光后的透射光束依次经过第七平面镜R10和第二分光膜S2的反射后，到达第二透镜L2处，聚焦后作为本振参考光馈入参考混频器M2；而经过第二分光膜S2的透射光束被预先设置的第一吸波材料吸收。
其中，所述本振测量光路由依次设置的波束整形镜R8、第五分光膜S5、第六平面镜R9、第三分光膜S3、第四分光膜S4和第一透镜L1构成；所述本振测量光路的前半部分与所述本振参考光路的前半部分相同，即由波束整形镜R8依次经第五分光膜S3、第六平面镜R9后到达第三分光膜S3，但到达第三分光膜S3后，经第三分光膜S3分光后的反射光束再经过第四分光膜S4反射，经过第一透镜L1的聚焦，作为本振测量光馈入测试混频器M1；经过第四分光膜S4透射的光束被预先设置的第二吸波材料吸收。
其中，所述信号参考光路由依次设置的波束整形镜R8、第五分光膜S5、第一平面镜R1、第二平面镜R2、第一分光膜S1、第二分光膜S2和第二透镜L2构成；该信号参考光路具体如下：由量子级联激光器A1出射的太赫兹波首先经过波束整形镜R8进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜S5分光，第五分光膜S5分光后的反射光束依次经过第一平面镜R1和第二平面镜R2的反射后，到达第一分光膜S1，第一分光膜S1的透射光束依次经过第二分光膜S2透射和第二透镜L2聚焦，最终作为信号参考光馈入参考混频器M2；经过第二分光膜S2反射的光束被预先设置的第一吸波材料吸收。
而所述信号测量光路由依次设置的波束整形镜R8、第五分光膜S5、第一平面镜R1、第二平面镜R2、第一分光膜S1和紧缩场构成；所述信号测量光路的前半部分与所述信号参考光路的前半部分相同，即由波束整形镜依次经第五分光膜S5、第一平面镜R1、第二平面镜R2后到第一分光膜S1的光路相同，但到达第一分光膜S1后，第一分光膜S1的反射光作为发射信号进入紧缩场，经过发射紧缩场扩束后的太赫兹波全照射目标，由目标反射的接收信号进一步经过接收紧缩场，到达第四分光膜S4，第四分光膜S4的透射光经过第一透镜L1的聚焦，作为信号测量光馈入测试混频器M1；经过第四分光膜S4反射的光束被预先设置的第二吸波材料吸收。
如图2所示，图2是发射紧缩场光路图，由依次设置的发射副镜R3、第四平面镜R4、第五平面镜R5和主反射面R6组成，发射信号在其中的传输路线如下：发射信号从发射副镜R3馈入，依次经过第四平面镜R4和第五平面镜R5的反射后，到达主反射面R6，经由主反射面R6发射后全照射目标。其中，发射副镜R3和主反射面R6为离轴角相同的离轴抛物面镜，发射副镜R3的焦距比主反射面R6的焦距小十倍，这样主反射面R6和发射副镜R3就构成了一个无焦扩束系统，扩束比为1:10。经过扩束，发射光束在主反射面R6口面处的束腰半径相较于发射副镜R3口面处放大10倍，从而扩大了静区尺寸，即扩大了测量范围。
如图3所示，图3为接收紧缩场光路图，由依次设置的主反射面R6、第五平面镜R5和接收副镜R7组成，由目标反射的接收信号在其中的传输光路如下：接收信号由主反射面R6反射后，再经过第五平面镜R5反射，最后经过接收副镜R7的反射后形成准直光束。其中，接收副镜R7与发射紧缩场中的发射副镜R3为口径相同的离轴抛物面镜，且接收副镜R7的焦距与发射副镜R3的焦距也相同，均比主反射面R6的焦距小10倍，使得进入发射紧缩场前的光束和由接收紧缩场射出的光束的束腰半径相同。
所述测试混频器M1对馈入的本振测量光和信号测量光混频，混频后输出的测试中频信号进入矢量网络分析仪B1的测试中频端口；所述参考混频器M2对馈入的本振参考光和信号参考光混频，混频后输出的参考中频信号进入矢量网络分析仪B1的参考中频端口，采用相干测量手段，矢量网络分析仪B1对接收的测试混频信号和参考中频信号进行分析，从而得到待测目标的振幅、相位信息等RCS数据，实现目标RCS的高灵敏度测量。
在本实施例中，由量子级联激光器A1出射的太赫兹波经波束整形镜R8进行波束整形后，形成的准直光束的束腰直径为45mm。
在本实施例中，主反射面R6的口径为1m，焦距为1866mm，离轴角为30°，发射副镜R3的口径为120mm，焦距为186.6mm，离轴角为30°，发射信号经过无焦扩束系统扩束后，光束在主反射面R6口面处的束腰半径变为450mm。接收副镜R7与发射副镜R3一样，也是口径为120mm，焦距为186.6mm，离轴角为30°的离轴抛物面镜。
在本实施例中，收发光路在焦面上分别偏离主反射面R6理想焦距+3.5mm和-3.5mm，焦面比例尺为1.7角分/mm，因此待测目标的入射光束与返回光束之间的夹角约为0.2°。
在本实施例中，被测目标放置在泡沫台架上，目标中心与泡沫台架中心对准，尽量减少位置偏差，泡沫台架放置在高精度二维转台上，目标质心高度与由发射紧缩场发出的波束中心高度一致，且该波束指向恰好在转台竖直的中心轴上。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权力要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于量子级联的RCS测量收发系统，用于测量待测目标的雷达散射截面，其特征在于，包括光源(A1)、本振光路、信号光路和检测组件；
所述本振光路包括本振参考光路和本振测量光路；
所述信号光路包括信号参考光路和信号测量光路；所述信号测量光路包含紧缩场，所述待测目标设置在紧缩场中；
由光源发射的光信号通过本振参考光路传输得到本振参考光，并馈入检测组件；由光源发射的光信号通过本振测量光路传输得到本振测量光，并馈入检测组件；
由光源发射的光信号通过信号参考光路传输得到信号参考光，并馈入检测组件；由光源发射的光信号通过信号测量光路传输得到待测目标的信号测量光，并馈入检测组件；
所述检测组件对接收到的本振参考光、信号参考光进行混频，对接收到的本振测量光、信号测量光进行混频，并对混频后的信号进行分析得到待测目标的RCS信息；
其中，所述本振参考光路包含依次设置的波束整形镜(R8)、第五分光膜(S5)、第六平面镜(R9)、第三分光膜(S3)、第七平面镜(R10)、第二分光膜(S2)和第二透镜(L2)；由光源(A1)出射的光信号首先经过波束整形镜(R8)进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜(S5)分光，第五分光膜(S5)分光后的透射光经过第六平面镜(R9)反射后，到达第三分光膜(S3)，
经第三分光膜(S3)分光后的透射光束依次经过第七平面镜(R10)和第二分光膜(S2)的反射后，经过第二透镜(L2)的聚焦，作为本振参考光馈入所述检测组件；
其中，所述本振测量光路包含依次设置的波束整形镜(R8)、第五分光膜(S5)、第六平面镜(R9)、第三分光膜(S3)、第四分光膜(S4)和第一透镜(L1)；由光源(A1)出射的光信号首先经过波束整形镜(R8)进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜(S5)分光，第五分光膜(S5)分光后的透射光经过第六平面镜(R9)反射后，到达第三分光膜(S3)，经第三分光膜(S3)分光后的反射光束再经过第四分光膜(S4)反射，经过第一透镜(L1)的聚焦，作为本振测量光馈入所述检测组件；
其中，所述信号参考光路包含依次设置的波束整形镜(R8)、第五分光膜(S5)、第一平面镜(R1)、第二平面镜(R2)、第一分光膜(S1)、第二分光膜(S2)和第二透镜(L2)；由光源(A1)出射的光信号首先经过波束整形镜(R8)进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜(S5)分光，第五分光膜(S5)分光后的反射光束依次经过第一平面镜(R1)和第二平面镜(R2)的反射后，到达第一分光膜(S1)，经第一分光膜(S1)分光后的透射光束依次经过第二分光膜(S2)透射和第二透镜(L2)聚焦后，作为信号参考光馈入检测组件；
所述信号测量光路包含依次设置的波束整形镜(R8)、第五分光膜(S5)、第一平面镜(R1)、第二平面镜(R2)、第一分光膜(S1)、紧缩场、第四分光膜(S4)和第一透镜(L1)；由光源(A1)出射的光信号首先经过波束整形镜(R8)进行波束整形，形成准直光束，然后经过第五分光膜(S5)分光，第五分光膜(S5)分光后的反射光束依次经过第一平面镜(R1)和第二平面镜(R2)的反射后，到达第一分光膜(S1)，经第一分光膜(S1)分光后的反射光束作为发射信号进入紧缩场，经过发射紧缩场扩束后的光信号全照射目标，由目标反射的接收信号进一步经过接收紧缩场，到达第四分光膜(S4)，第四分光膜(S4)的透射光经过第一透镜(L1)的聚焦，作为信号测量光馈入检测组件。
2.如权利要求1所述的一种基于量子级联的RCS测量收发系统，其特征在于，所述紧缩场包括发射紧缩场和接收紧缩场。
3.如权利要求1所述的一种基于量子级联的RCS测量收发系统，其特征在于，所述发射紧缩场包含依次设置的发射副镜(R3)、第四平面镜(R4)、第五平面镜(R5)和主反射面(R6)；
经第一分光膜(S1)分光后的反射光作为发射信号到达发射副镜(R3)，依次经发射副镜(R3)、第四平面镜(R4)、第五平面镜(R5)反射后，到达主反射面(R6)，经主反射面(R6)的反射，光束半径扩大，形成平行光束照射待测目标。
4.如权利要求3所述的一种基于量子级联的RCS测量收发系统，其特征在于，所述接收紧缩场包含依次设置的主反射面(R6)、第五平面镜(R5)和接收副镜(R7)；
由待测目标反射的光信号到达主反射面(R6)，依次经主反射面(R6)、第五平面镜(R5)反射后，到达接收副镜(R7)，经接收副镜(R7)反射后，形成平行光束到达第四分光膜(S4)，且该平行光束半径缩小到扩束前的大小。
5.如权利要求1所述的一种基于量子级联的RCS测量收发系统，其特征在于，所述检测组件包括测试混频器(M1)、参考混频器(M2)和矢量网络分析仪(B1)；所述测试混频器(M1)对馈入的本振测量光和信号测量光进行混频得到测试中频信号，所述参考混频器(M2)对馈入的本振参考光和信号参考光进行混频得到参考中频信号；
所述测试中频信号和参考中频信号分别输入矢量网络分析仪(B1)，该矢量网络分析仪分析得到待测目标的RCS信息。
6.如权利要求4所述的一种基于量子级联的RCS测量收发系统，其特征在于，所述主反射面(R6)、发射副镜(R3)和接收副镜(R7)为离轴角相同的离轴抛物面镜，且发射副镜(R3)和接收副镜(R7)的口径和焦距相同，其口径在100mm～150mm范围内。
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