太赫兹目标散射特性及测量关键技术研究

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1、⑩ＡＭＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文一光学工程级学科：光电子与光子学技术学科专业：作者姓名：王茂格指导教师：姚建铨院士天津大学研究生院２０１７年５月太赫兹目标散射特性及测量关键技术研究StudyonScatteringCharacteristicsandMeasuringKeyTechnologiesofTargetsinTerahertzRange一级学科：光学工程学科专业：光电子与光子学技术研究生：王茂榕指导教师：姚建铨院士

2、天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月摘要太赫兹（THz）频段目标散射特性研究是太赫兹雷达的基础，该领域涉及电磁场理论、雷达系统、测量技术等学科的前沿领域，具有极大的军事及民用价值。我国在该领域的研究尚处于起步阶段，与欧美发达国家差距较大，研究工作难度大。在计算方面，受到高频算法及计算机硬件的限制，超大电尺寸电磁散射的计算算法还需要进一步优化。在技术方面，受到实用THz源与探测技术的限制，测量系统对目标的测量能力不足，THz频段材料介电参数数据缺乏对开展THz频段空间目标散射研究带来较大难度。本文从反演THz频段材料介电参数入手，到

3、对THz雷达定标体和简单目标体雷达散射截面（RCS）理论计算与实验测量做了一系列工作。此外，针对测量系统对高效宽带THz源的需求也开展了一些可用于产生THz辐射的双波长及多波长激光器研究工作，主要研究成果如下：1.建立了多光束干涉模型，基于该模型和反射率谱与相移间的Kramers-Kronig（K-K）色散关系建立了系统的THz频段材料介电参数反演方法。以远红外傅里叶光谱仪（FTIR）和太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）为基础实验测量设备，联合多光束干涉模型和K-K关系反演介电参数理论，获取了非金属材料如硅、聚乙烯、石英及吸波材料，金属材

4、料如不锈钢和银的THz频段介电参数，验证了该方法的可行性，为THz频段介电参数获取提供了理论和实验参考。2.推导了光滑金属球体、良导体及介质圆柱体后向散射场表达式并计算了多种标准体的太赫兹频段RCS曲线。基于平面波在自由空间的传输机制和电磁波叠加理论，推导了可用于雷达标准定标体的良导体金属球后向散射过程，并得到了良导体金属球RCS随波长的变化关系，推导了良导体和介质圆柱体的后向散射场分布。基于基尔霍夫近似理论推导了目标体后向散射表达式，计算了不同粗糙度金属平板以及不同底面直径圆锥圆柱体的RCS曲线。3.搭建了一套可实现自动控制的高分辨率近场

5、太赫兹RCS测量系统。基于高功率二氧化碳激光泵浦的THz激光器和高灵敏度低温Si-Bolometer太赫兹探测器搭建了一套室内雷达散射截面测量系统。系统信噪比为24dB，并利用光滑金属球体对系统进行了定标，验证了系统测量值与理论值误差小于3dB。首次系统的测量了2.52THz和3.11THz单频点标准目标体（圆形平板、锥体和柱体等）的雷达散射截面，该工作为复杂目标体的RCS测量奠定了实验基础。I4.基于光参量振荡及受激拉曼散射，实现了多套多波长激光器并获得了可用于产生THz辐射的多波长激光输出。搭建了基于GYSGG/KTA和GYSGG/KT

6、P的内腔光学参量振荡器（IOPO），获得了人眼安全的双波长激光输出，双波长可用于对气体的传感探测以及非线性差频产生THz辐射。基于Nd:YLF/KTP搭建了多波长拉曼激光器，在室内环境下获得了四阶斯托克斯光输出，并观察到了267.4cm-1和693.0cm-1两种拉曼频移，获得了六种波长的激光输出，该工作为固体多波长激光提供参考。关键词：太赫兹，介电参数，目标特性，雷达散射截面，多波长激光器IIABSTRACTTheresearchoftargetscatteringcharacteristicsintheterahertzband,whi

7、chinvolvestheelectromagneticfieldtheory,radarsystem,measurementtechnologyandsoonasthebasisofterahertzradar,possessesgreatmilitaryandcivilianvalue.China'sresearchinthisfieldisstillinitsinfancy.ConsideringthebiggapbetweenChinaandthedevelopedcountriesinEuropeandAmericaitisdif

8、ficultforustocarryoutthiskindofwork.Inthecalculation,largeelectricalsizeelectromagneticsc