CN206057556U - 太赫兹波束单站分束装置及雷达散射截面测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹波束单站分束装置，用于对入射线偏振平面太赫兹波束进行分束，以对目标进行单站雷达散射截面测量，该太赫兹波束单站分束装置包含：一太赫兹偏振片及一太赫兹四分之一波片；太赫兹偏振片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向的夹角为45°；太赫兹四分之一波片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向垂直；目标放置在被透过太赫兹四分之一波片的太赫兹波束照射的区域内，并且太赫兹四分之一波片位于太赫兹偏振片与目标之间。本实用新型还公开了一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统。本实用新型中发射端到接收端的传输效率高、传输路径短。

Description

太赫兹波束单站分束装置及雷达散射截面测量系统

技术领域

本实用新型涉及电磁散射测试技术领域，具体涉及一种太赫兹波束单站分束装置及雷达散射截面测量系统。

背景技术

采用电磁散射测试系统对目标进行雷达散射截面(Radar Cross Section，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。在微波雷达应用中，由于目标距离在几十公里以上，反射的微波脉冲信号和返回的微波脉冲信号的时域间隔在μs量级，可以利用双工器使一个天线同时作为发射和接收段通过时分复用的方式，实现单站测量；但对于RCS的室内测量，在满足远场近似条件下，目标与发射接收天线的距离通常在几十米量级，则通常采用准单站近似的方法以获取复杂目标的单基RCS，即将发射端到目标波束与目标到接收端波束夹角在5°以内。

在太赫兹波段，基于电子学器件的太赫兹源工作频率较低。可以参见，公开号为CN103792520A的专利文献公开了一种太赫兹目标散射特性测试装置及测试方法；授权公告号为CN 203204148U的专利文献公开了一种太赫兹目标散射特性测试装置。通常使用基于光学太赫兹器件的时域光谱技术构建太赫兹RCS测量装置，以获取较高频点的测量数据。太赫兹时域发射通常使用飞秒激光泵浦光电导天线或电光晶体等辐射太赫兹时域信号，但由于太赫兹时域脉冲持续时间为ps量级而难以在如此短的时间窗口内从泵浦源转化大量能量到辐射出的信号上，使得太赫兹源的发射功率偏低，通常处于或弱于mW量级。且由于空气中水蒸气对太赫兹的吸收较强，而限制了太赫兹波束从发射端到目标再到接收端的传输路径长度。

为解决基于光学方法的太赫兹发射端和接收端难以一体化的困难，在现有的太赫兹时域光谱单站RCS测量方案中，均采用小双站角近似的方案。如丹麦技术大学的Krzysztof等人发表的Terahertz radar cross section measurements,Optics Express,2010(18),26399构建了双站角为6.6°的准单站时域光谱紧缩场测量装置，通过抛面镜准直后的太赫兹平行光束臂长为1200mm。天津大学的梁达川等人发表的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)则构建了双站角为9°的太赫兹时域RCS测量系统。

为实现太赫兹时域光谱单站RCS测量，缩减太赫兹传输光程以降低传输过程中的吸收损耗，及获取更准确的单站RCS实验结果，较易实现的方案是借鉴传统太赫兹反射式时域光谱技术中使用高阻硅片等对太赫兹无吸收的介质平板做分束器使用，但由于介质与空气界面的反射损失，限制了发射端到接收端的功率传输效率，不利于太赫兹发射功率的充分利用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太赫兹波束单站分束装置及雷达散射截面测量系统，发射端到接收端的传输效率高、传输路径短。

为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：一种太赫兹波束单站分束装置，其特点是，用于对入射线偏振平面太赫兹波束进行分束，以对目标进行单站雷达散射截面测量，该太赫兹波束单站分束装置包含：

一太赫兹偏振片及一太赫兹四分之一波片；其中

所述的太赫兹偏振片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向的夹角为45°；

所述的太赫兹四分之一波片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向垂直；

所述的目标放置在被透过太赫兹四分之一波片的太赫兹波束照射的区域内，并且所述的太赫兹四分之一波片位于太赫兹偏振片与目标之间。

所述的太赫兹偏振片为金属线栅偏振片。

所述的金属线栅偏振片由金属丝在同一个平面内等间距平行排列组成。

所述的金属丝为钨丝。

所述的钨丝的直径为5μm。

所述的金属丝之间的间距为12.5μm。

所述的太赫兹四分之一波片由人工电磁材料制成。

所述的太赫兹四分之一波片通过亚波长量级的金属结构单元进行太赫兹波偏振调制。

所述的太赫兹偏振片及太赫兹四分之一波片的中心与入射线偏振平面太赫兹波束的光轴重合。

一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统，其特点是，用于对目标进行单站雷达散射截面测量，该太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统包含：

发射端及接收端，还包含上述的太赫兹波束单站分束装置，所述的太赫兹波束单站分束装置设置在发射端与接收端之间；其中

发射端准直出射的入射线偏振平面太赫兹波束，保持原偏振态透过太赫兹偏振片后，再透过太赫兹四分之一波片变为圆偏振光照射到目标上，而后目标的后向散射太赫兹波再次通过太赫兹四分之一波片变为与入射线偏振态正交的线偏振太赫兹光束，进而被太赫兹偏振片的后表面反射到接收端，以实现对目标的单站雷达散射截面测量。

本实用新型一种太赫兹波束单站分束装置及雷达散射截面测量系统与现有技术相比具有以下优点：由于太赫兹偏振片选用金属线栅偏振片，具有偏振选择性，能够对传输过来的线偏振太赫兹光束实现透射，而对后向散射回来的正交方向的线偏振太赫兹实现反射；由于设有太赫兹四分之一波片，使发射端到接收端传输的太赫兹波束会两次经过而获得90°的相位延迟，从而照射到太赫兹偏振片前后表面的太赫兹线偏振波束偏振态变为相互正交。

附图说明

图1为现有技术中，基于介质平板的单站RCS测量系统的示意图；

图2为本实用新型一种太赫兹波束单站分束装置的示意图；

图3为本实用新型一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统的示意图。

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，对本实用新型做进一步阐述。

如图2所示，一种太赫兹波束单站分束装置21，应用于太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统，用于对入射线偏振平面太赫兹波束进行分束，以对目标22进行单站雷达散射截面测量，图中带箭头的虚线指示光束传播方向，带箭头的实线指示波束的偏振态。太赫兹波束单站分束装置21包含：一太赫兹偏振片211及一太赫兹四分之一波片212；其中，所述的太赫兹偏振片211与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向的夹角为45°；所述的太赫兹四分之一波片212与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向垂直；所述的目标22放置在被透过太赫兹四分之一波片212的太赫兹波束照射的区域内，并且所述的太赫兹四分之一波片212位于太赫兹偏振片211与目标22之间。所述的太赫兹偏振片211及太赫兹四分之一波片212的中心与入射线偏振平面太赫兹波束的光轴重合。

在本实施例中，较佳地，所述的太赫兹偏振片为金属线栅偏振片，具有偏振选择性，能够对传输过来的线偏振太赫兹光束实现透射，而对后向散射回来的正交方向的线偏振太赫兹实现反射；优选地，所述的金属线栅偏振片由金属丝在同一个平面内等间距平行排列组成，通过选择线间距以决定可通过的太赫兹波截止频率，例如，采用直径为5μm的钨丝，间距为12.5μm组成的太赫兹偏振片，可在0.1THz～6.0THz频段内对平行于线栅方向的入射太赫兹线偏振光透过率在1％以下，而对垂直于线栅方向的入射太赫兹线偏振光透过率在98％以上。

在本实施例中，较佳地，所述的太赫兹四分之一波片由人工电磁材料制成；优选地，太赫兹四分之一波片通过亚波长量级的金属结构单元进行太赫兹波偏振调制。对太赫兹波的透过率可达90％以上且偏振转换率大于90％。对于此种需要太赫兹波束两次经过同一个四分之一波片的情形，由具有双折射性质的薄膜材料和晶体材料等制成的波片会因介质折射率带来较大的反射损失。

结合上述的太赫兹波束单站分束装置，本实用新型还公开了一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统，如图2所示，用于对目标31进行单站雷达散射截面测量，图中带箭头的虚线指示光束传播方向，带箭头的实线指示波束的偏振态。太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统包含：发射端32及接收端33，还包含上述的太赫兹波束单站分束装置，所述的太赫兹波束单站分束装置设置在发射端32与接收端33之间；其中，发射端32准直出射的入射线偏振平面太赫兹波束，保持原偏振态透过太赫兹偏振片341后，再透过太赫兹四分之一波片342变为圆偏振光照射到目标31上，而后，目标31的后向散射太赫兹波再次通过太赫兹四分之一波片342变为与入射线偏振态正交的线偏振太赫兹光束，进而被太赫兹偏振片341的后表面反射到接收端33，以实现对目标的单站雷达散射截面测量。

本实用新型提供的一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统可以实现比基于介质板分束器的单站RCS测量系统更大的发射端到接收端传输效率，也可摒弃小双站角结构以构建传输路径更短的太赫兹单站RCS测量系统。

结合图1与图3所示，图1中，使用介质平板作为单站分束装置的情形，图1中，发射端11出射的太赫兹波束，透射介质平板12后照射到目标13上，目标13的后向散射太赫兹波经介质平板12反射到接收端14。介质平板12对太赫兹无吸收损耗，图中带箭头的虚线指示光束传播方向，带箭头的实线指示波束的偏振态。

由于介质平板采用了均匀各向同性的介质材质，其放置与入射偏振方向并无固定关系。太赫兹波束在入射和反射的整个传播过程中，都将保持同样的偏振态。对于无吸收损耗的介质，其材料折射率为实数n，当其与入射平行光束夹角45°作为分束器使用时，以常用的高阻硅片为例。考虑空气和硅界面的折射，设θ_i和θ_t为入射角和折射角，太赫兹波从空气(n₁＝1)一侧以45°入射到硅(n₂＝3.4)介质平板。由斯涅尔定律：

s偏振时反射率为：

p偏振时反射率为：

对于无偏振的入射光，反射比是两者的算数平均值：

而由能量守恒定律，透过率则为T＝1-R，带入数值，当入射角θ_i＝45°时，折射角θ_t＝12°，反射比R_s＝0.42,R_p＝0.18,R＝0.30。

设入射太赫兹电矢量则到达目标处的电矢量不考虑传输损耗为其中t和t′分别为空气-硅界面和硅-空气界面的透射系数，且T＝tt′。假设目标为全反射物体，那么经硅片后表面反射到达接收端的电矢量其中r为空气-硅界面的反射系数，有R＝r²。则发射端到接收端的太赫兹能量传输效率为0.147。

若太赫兹波以p偏振入射，如图3所示，调节偏振片使线栅垂直于p偏振方向，则入射的p偏振太赫兹波透过率可达98％以上，继而垂直入射到太赫兹四分之一波片上透过后经由金属镜反射，再次通过太赫兹四分之一波片。而两次通过一个四分之一波片相当于一次通过一个二分之一波片的相位延迟。若四分之一波片晶轴夹角与入射太赫兹线偏振方向夹角为θ，则两次通过后获得相位延迟为2θ，当θ＝45°时可将入射的p偏振光转换为s偏振光，继而由金属线栅偏振器的后表面反射到接收端。则发射端到接收端的太赫兹能量传输效率可达70％。

由上述结果可知，在相同目标情形下，采用基于偏振转换的太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统将在保证单站RCS测量结构的基础上获得更高的入射端到接收端能力传输效率。

尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，用于对入射线偏振平面太赫兹波束进行分束，以对目标进行单站雷达散射截面测量，该太赫兹波束单站分束装置包含：

一太赫兹偏振片及一太赫兹四分之一波片；其中

所述的太赫兹偏振片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向的夹角为45°；

所述的太赫兹四分之一波片与入射线偏振平面太赫兹波束的传播方向垂直；

所述的目标放置在被透过太赫兹四分之一波片的太赫兹波束照射的区域内，并且所述的太赫兹四分之一波片位于太赫兹偏振片与目标之间。

2.如权利要求1所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的太赫兹偏振片为金属线栅偏振片。

3.如权利要求2所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的金属线栅偏振片由金属丝在同一个平面内等间距平行排列组成。

4.如权利要求3所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的金属丝为钨丝。

5.如权利要求4所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的钨丝的直径为5μm。

6.如权利要求3所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的金属丝之间的间距为12.5μm。

7.如权利要求1所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的太赫兹四分之一波片由人工电磁材料制成。

8.如权利要求7所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的太赫兹四分之一波片通过亚波长量级的金属结构单元进行太赫兹波偏振调制。

9.如权利要求1所述的太赫兹波束单站分束装置，其特征在于，所述的太赫兹偏振片及太赫兹四分之一波片的中心与入射线偏振平面太赫兹波束的光轴重合。

10.一种太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统，其特征在于，用于对目标进行单站雷达散射截面测量，该太赫兹波段单站雷达散射截面测量系统包含：

发射端及接收端，还包含如权利要求1～9任意一项权利要求所述的太赫兹波束单站分束装置，所述的太赫兹波束单站分束装置设置在发射端与接收端之间；其中

发射端准直出射的入射线偏振平面太赫兹波束，保持原偏振态透过太赫兹偏振片后，再透过太赫兹四分之一波片变为圆偏振光照射到目标上，而后目标的后向散射太赫兹波再次通过太赫兹四分之一波片变为与入射线偏振态正交的线偏振太赫兹光束，进而被太赫兹偏振片的后表面反射到接收端，以实现对目标的单站雷达散射截面测量。