太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路及设置方法与流程

1.本发明涉及目标散射特性测量技术领域，尤其涉及一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路及设置方法。


背景技术：

2.太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统是利用太赫兹时域光谱技术形成紧缩场，以实现目标散射特性测量的系统，该系统通过紧缩场光路设计，将太赫兹天线出射的太赫兹波束经收集、准直和扩束等处理后，形成用于目标散射特性测量的静区。但是，太赫兹时域光谱技术产生的太赫兹波束能量呈高斯分布，而用于目标散射特性测量的静区要求太赫兹波束能量分布均匀，这就导致了可用的波束范围非常有限。若要满足静区尺寸要求，就需要扩大光路中的光学元件面积，这会使得该系统的光路体积大、成本高。
3.因此，针对以上不足，需要提供一种能够缩减太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路体积，减少成本的技术方案。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明要解决的技术问题是解决现有太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路体积大、成本高的问题。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法，包括：
8.基于太赫兹天线的半波束宽度发散角确定第一抛物面镜的参数，令所述第一抛物面镜收集太赫兹天线出射的1db波束并反射；
9.基于所述第一抛物面镜的参数和待形成的静区尺寸，确定第二抛物面镜和第三抛物面镜的参数，令所述第二抛物面镜将所述第一抛物面镜出射的1db波束反射至所述第三抛物面镜，所述第二抛物面镜和所述第三抛物面镜将所述第一抛物面镜出射的1db波束扩束，形成静区。
10.可选地，所述第一抛物面镜的参数包括第一反射焦距l1和第一直径d1；
11.所述基于太赫兹天线的半波束宽度发散角确定第一抛物面镜的参数，包括：
12.基于太赫兹天线的半波束宽度发散角θ0和高斯波束公式，确定1db发散角θ；
13.基于1db发散角θ，确定第一反射焦距l1与1db波束的直径d之间的关系，表达式为：
[0014][0015]
基于1db波束的直径d，确定第一直径d1，d≤d1。
[0016]
可选地，所述第二抛物面镜的参数包括第二反射焦距l2和第二直径d2，所述第三抛物面镜的参数包括第三反射焦距l3和第三直径d3；
[0017]
所述基于所述第一抛物面镜的参数和待形成的静区尺寸，确定第二抛物面镜和第三抛物面镜的参数，包括：
[0018]
基于所述第一抛物面镜的参数确定第二直径d2，d1≤d2；
[0019]
基于待形成的静区尺寸d确定第三直径d3，d3大于等于d；
[0020]
基于第二直径d2和第三直径d3，确定第二反射焦距l2和第三反射焦距l3，表达式为：
[0021][0022]
可选地，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜为90
°
离轴抛物面镜。
[0023]
可选地，所述第三抛物面镜为90
°
离轴抛物面镜。
[0024]
可选地，所述基于所述第一抛物面镜的参数确定第二直径d2，d2＝d1。
[0025]
可选地，所述基于待形成的静区尺寸d确定第三直径d3，d3＝d。
[0026]
第二方面，本发明还提供了一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路，采用如上述任一项所述的太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法实现，包括：间隔设置的第一抛物面镜、第二抛物面镜和第三抛物面镜；
[0027]
所述第一抛物面镜用于收集太赫兹天线出射的1db波束并反射；
[0028]
所述第二抛物面镜用于将所述第一抛物面镜出射的1db波束反射至所述第三抛物面镜；
[0029]
所述第二抛物面镜和所述第三抛物面镜用于将所述第一抛物面镜出射的1db波束扩束，形成静区。
[0030]
可选地，所述第一抛物面镜的参数包括第一反射焦距l1和第一直径d1，满足：
[0031][0032]
其中，d为1db波束的直径，θ为1db发散角。
[0033]
可选地，所述第二抛物面镜的参数包括第二反射焦距l2和第二直径d2，所述第三抛物面镜的参数包括第三反射焦距l3和第三直径d3，满足：
[0034]
d1≤d2，d3≥d；
[0035][0036]
其中，d为待形成的静区尺寸。
[0037]
(三)有益效果
[0038]
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路及设置方法，本发明通过设置第一抛物面镜至第三抛物面镜的参数，只对太赫兹天线出射的1db波束进行收集、准直与扩束，有效地利用了各抛物面镜的面积，相比于现有技术，同样尺寸的抛物面镜能够形成的静区尺寸更大，有助于减小系统体积，降低成本。
附图说明
[0039]
图1是本发明实施例中一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法
步骤示意图；
[0040]
图2是本发明实施例中一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路结构示意图；
[0041]
图3是本发明实施例中另一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路结构示意图。
[0042]
图中：1：第一抛物面镜；2：第二抛物面镜；3：第三抛物面镜。
具体实施方式
[0043]
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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
如前所述，由于太赫兹时域光谱技术产生的太赫兹波束能量呈高斯分布，而用于目标散射特性测量的静区要求太赫兹波束能量分布均匀，这就导致了可用的波束范围非常有限，通常只能采用高斯分布中心位置附近极小面积内的、相比峰值能量衰减在1db范围内的波束(即1db波束)。现有技术均是通过抛物面镜将太赫兹天线出射的太赫兹波全部收集后，进行光路准直、扩束等处理，而1db波束以外的太赫兹波束实际上对于形成静区是无用的，因此，反射这部分太赫兹波束的抛物面镜面积遭到了浪费。考虑到用于形成静区的抛物面镜制作成本高且技术难度较大，若要满足静区尺寸要求，就需要扩大光路中的光学元件面积，这会使得该系统的光路体积大、成本高。本发明的技术方案通过设计光路中的第一抛物面镜1至第三抛物面镜3的参数以及相应位置关系，只对太赫兹天线输出的1db波束进行处理，能够以小的面积获得大的静区尺寸，提高抛物面镜利用率，从而缩减太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路体积，减少成本。
[0045]
如图1所示，本发明实施例提供的一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法，包括：
[0046]
步骤101、基于太赫兹天线的半波束宽度发散角θ0确定第一抛物面镜1的参数，第一抛物面镜1与太赫兹天线间隔设置，令第一抛物面镜1收集太赫兹天线出射的1db波束并反射；
[0047]
步骤102、基于第一抛物面镜1的参数和待形成的静区尺寸，确定第二抛物面镜2和第三抛物面镜3的参数，第一抛物面镜1、第二抛物面镜2和第三抛物面镜3间隔设置，令第二抛物面镜2将第一抛物面镜1出射的1db波束反射至第三抛物面镜3，第二抛物面镜2和第三抛物面镜3将第一抛物面镜1出射的1db波束扩束，最终形成静区。
[0048]
本发明中，根据太赫兹天线的半波束宽度发散角θ0设置第一抛物面镜1。第一抛物面镜1对太赫兹天线出射的全部太赫兹波束进行“筛选”，只对高斯分布中心位置附近极小面积内的、相比峰值能量衰减在1db范围内的波束(即1db波束)进行收集、准直处理。根据第一抛物面镜1的参数和待形成的静区尺寸设置第二抛物面镜2和第三抛物面镜3，第二抛物面镜2和第三抛物面镜3的组合起到扩束、准直的作用，同样只对1db波束进行扩束，最终形成波束能量分布较为均匀的静区。本发明采用紧缩场光路设计方法获得静区1db起伏的照射波束，减少抛物面镜(即第一抛物面镜1至第三抛物面镜3)的面积浪费，提高抛物面镜利
用率，降低成本，且相对于现有技术，相同的尺寸的抛物面镜能够获得更大的静区范围，易于实现太赫兹时域光谱目标散射特性测量。
[0049]
一些实施方式中，第一抛物面镜1的参数包括第一反射焦距l1和第一直径d1。针对步骤101，基于太赫兹天线的半波束宽度发散角确定第一抛物面镜1的参数，包括：
[0050]
太赫兹光导天线发射的太赫兹波为高斯波束(即横截面的振幅分布遵守高斯函数)，基于太赫兹天线的半波束宽度发散角θ0和高斯波束公式，确定1db发散角θ；
[0051]
设在天线发射的波束传播方向的某一横截面处，太赫兹波束振幅分布满足的高斯波束公式为：
[0052][0053]
其中，i(r)为横向波束强度分布，i0为波束最大强度幅值，波束半径，r为波束中某点与中心轴的距离。
[0054]
半波束宽度发散角θ0可根据太赫兹天线的参数确定，半波束宽度发散角θ0也即3db发散角或者fwhm发散角，通过半波束宽度发散角θ0和高斯波束公式，能够计算出1db波束对应的1db发散角θ；
[0055]
基于1db发散角θ，确定第一反射焦距l1与1db波束的直径d之间的关系，表达式为：
[0056][0057]
基于1db波束的直径d，确定第一直径d1，d≤d1，更优选为d≤d1≤1.3d。
[0058]
在该实施方式中，根据三角公式(即第一反射焦距l1与1db波束的直径d之间的关系表达式)，可确定对应1db发散角的1db波束直径d，作为第一抛物面镜1的最小直径。进一步地，通常可根据现有的货架产品选择常用的反射焦距作为第一反射焦距l1，再确保第一直径d1大于第一抛物面镜1的最小直径(也即1db波束的直径d)。若第一直径d1尺寸过大，则会造成第一抛物面镜1面积浪费，因此，第一直径d1优选超过1db波束的直径d，但无需超过太多，以便收集并反射1db波束，同时尽可能不浪费第一抛物面镜1的面积。
[0059]
在一些实施方式中，第二抛物面镜2的参数包括第二反射焦距l2和第二直径d2，第三抛物面镜3的参数包括第三反射焦距l3和第三直径d3。
[0060]
基于第一抛物面镜1的参数和待形成的静区尺寸，确定第二抛物面镜2和第三抛物面镜3的参数，包括：
[0061]
基于第一抛物面镜1的参数确定第二直径d2，d1≤d2，更优选为d1≤d2≤1.3d1；
[0062]
基于待形成的静区尺寸d确定第三直径d3，d3大于等于d；
[0063]
基于第二直径d2和第三直径d3，确定第二反射焦距l2和第三反射焦距l3，表达式为：
[0064][0065]
在该实施方式中，d1≤d2，第二抛物面镜2完全收集并反射第一抛物面镜1出射的太
赫兹波束，避免能量的浪费，d2取值不易过大，以免造成第二抛物面镜2的面积浪费。进一步地，基于第一抛物面镜1的参数确定第二直径d2，令d2＝d1，可以尽可能减少第二抛物面镜2的面积浪费，且相同的直径尺寸有利于第一抛物面镜1、第二抛物面镜2的光路校准。
[0066]
进一步地，考虑到成本问题，对于第一抛物面镜1、第二抛物面镜2，通常可根据现有的产品的常见型号尺寸先初步确定焦距，一般可先设定为2英寸、3英寸等(焦距过小的话将不利于安装镜架和太赫兹天线)，然后分别计算所需的直径，再比较不同焦距下抛物面镜的直径，满足直径大于d时，越接近于d，则浪费越少，越合适。
[0067]
第三抛物面镜3的直径可由静区尺寸决定。进一步地，考虑到第三抛物面镜3的直径通常较大，很难有货架产品，一般需定制，通常可根据现有的货架产品选择第二抛物面镜2，在确定第二反射焦距l2后，再根据得到的第三反射焦距l3与第三直径d3订制第三抛物面镜3，从而确保第一抛物面镜1至第三抛物面镜3对于1db波束收集、准直并扩束的处理效果，同时节约成本。
[0068]
优选地，基于待形成的静区尺寸d确定第三直径d3，d3＝d，该实施方式通过第三抛物面镜3能够直接限制形成的静区的大小，以满足目标散射特性测量的需求。
[0069]
在一些实施方式，如图2所示，第一抛物面镜1和第二抛物面镜2为90
°
离轴抛物面镜。
[0070]
由于第一抛物面镜1和第二抛物面镜2的参数相对数值较小，且精度需求较高，选择90
°
离轴抛物面镜便于光路校准，可减少太赫兹波束能量在传播过程中的损耗。90
°
离轴抛物面镜，即入射光与出射光呈90
°
角的离轴抛物面镜。特别是当采用设有阵列式排布的螺丝孔的光学平台来搭建光路时，90
°
离轴抛物面镜能够进一步简化操作。
[0071]
第三抛物面镜3的离轴角可根据试验场地进行设计。进一步地，如图3所示，第三抛物面镜3可为90
°
离轴抛物面镜，选择90
°
离轴抛物面镜易于光路的校准，且可以减少反射光引入的杂光干扰。
[0072]
在一个优选的实施方式中，根据太赫兹天线的半波束宽度发散角θ0＝25
°
，可根据高斯波束公式推算得到天线出射1db波束的1db发散角θ＝
±
7.3
°
。根据发散角θ＝
±
7.3
°
，确定能够完全收集1db波束所需的第一抛物面镜1，其反射焦距(即l1)为3英寸，直径(即d1)为1英寸，1db波束直径d为19.63mm。经过第一抛物面镜1后，出射的太赫兹波束为直径19.63mm的、能量起伏在1db范围内的波束。根据所需的静区尺寸d＝40cm，确定第三抛物面镜3的直径至少为40cm，即d3＝d＝40cm，根据扩束原理，l3与第二抛物面镜2的参数l2、d2之间有如下关系：d2＝d1＝1英寸。
[0073]
为光路搭建与调试的便利，第一抛物面镜1和第二抛物面镜2通常采用90
°
离轴抛物面镜，第三抛物面镜3可根据实际场地的空间条件选择90
°
或其它角度离轴抛物面镜。
[0074]
对于第一抛物面镜1，通常根据现有货架产品选择常用的反射焦距作为l1，根据第一反射焦距l1和1db波束发散角，依据三角公式计算出第一抛物面镜1的最小直径，在现有货架产品中选择直径为1英寸、反射焦距为3英寸的90
°
离轴抛物面镜作为第一抛物面镜1。对于第二抛物面镜2，第二抛物面镜2的第二直径d2通常与第一抛物面镜1的第一直径相同，同为1英寸，第二抛物面镜2的第二焦距需与第三抛物面镜3的参数一同考虑确定。对于第三
抛物面镜3，第三直径直接由所需静区尺寸所决定，根据关系式d＝40cm，d2＝2.54cm，l2＝30.48cm，l3＝6.35m。
[0075]
本发明还提供了一种太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路，采用如上述任一项实施方式所述的太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法实现，具体包括：间隔设置的第一抛物面镜、第二抛物面镜和第三抛物面镜；其中，
[0076]
第一抛物面镜用于收集太赫兹天线出射的1db波束并反射；
[0077]
第二抛物面镜用于将第一抛物面镜出射的1db波束反射至第三抛物面镜；
[0078]
第二抛物面镜和第三抛物面镜用于将第一抛物面镜出射的1db波束扩束，形成静区。
[0079]
可选地，第一抛物面镜的参数包括第一反射焦距l1和第一直径d1，满足：
[0080][0081]
其中，d为1db波束的直径，θ为1db发散角。
[0082]
可选地，第二抛物面镜的参数包括第二反射焦距l2和第二直径d2，第三抛物面镜的参数包括第三反射焦距l3和第三直径d3，满足：
[0083]
d1≤d2，d3≥d；
[0084][0085]
其中，d为待形成的静区尺寸。
[0086]
太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路的进一步限制，如参数的优选方案等，与上述实施方式所述的太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法相对应，在此不再进一步赘述。
[0087]
采用上述实施方式所述的太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路设置方法实现太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统光路，能够获得高质量的静区1db起伏的照射波束，提高太赫兹时域光谱目标散射特性测量系统的性能。
[0088]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。