近场太赫兹成像技术研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文近场太赫兹成像技术研究作者姓名：谷胜盟指导教师：虚[直班塞虽生巨挝堂隧皇王堂班嚣压学位类别：王堂监主学科专业：皇礁场皇熊速撞盔研究所：主国科堂隧皇王堂班塞压2013年6月ResearchonNear-fieldTerahertzImagingTechnologyByGuShengmingADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillm

2、entoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciencesJune，2013研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了

3、明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名妗胆峨嘲砧咖多关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其中包括：①电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；③电子所可允许学位论文被查阅或借阅；④电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤电子所可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。日凝：Ⅻ1弓D揣日期．刀／7口∥垆摘要太赫兹(THz)电磁波广义的是指频率在0．1THz．10THz(波长为3mm

4、．301．tm)范围内的电磁波。太赫兹波处于微波和红外之间，具有许多独特的优势：相比于可见光和红外光，太赫兹波可穿透诸如衣物、塑料、木板等非极性媒质；相比于低频段的微波和毫米波，太赫兹波成像往往可以获取更高的图像分辨率；相比于X射线成像，波长长、能量低的太赫兹波对人体成像更为安全可靠。正是由于具备上述众多的优点，使得太赫兹成像技术在安全检查、无损检测、生物医学等领域具有重要的应用价值。在国家自然科学基金、中科院知识创新工程重要方向项目和国家863项目的经费支持下，本文开展了近场太赫兹成像的基本理论、成像体制、信号传输模型、成像算法以及成像实

5、验等方面的研究。论文的主要工作和创新点如下：一、提出了一种新型的结合近场聚焦实孔径分辨和合成孔径分辨的太赫兹扇形波束扫描合成孔径成像体制，并开展了原理样机实验。针对该成像系统，主要工作和创新点包括：(1)提出并深入研究了新型“太赫兹扇形波束扫描合成孔径成像体制”。该成像体制利用准二维结构的波束扫描pillbox天线产生符合人体拓扑结构的扇形波束。在水平方位向，利用扇形波束的窄边波束进行实孔径高分辨成像；在垂直方位向，利用宽边波束进行孔径合成高分辨成像。(2)提出采用高斯波束理论对扇形波束扫描pillbox天线进行特性分析，获取了该特殊结构天

6、线辐射场分布的解析表达式，建立了该成像系统的信号传输模型，并通过天线的测试验证了分析结果的正确性。基于信号传输模型，并结合互易定理得到了金属目标重建后的图像信噪比，用于系统性能评估。(3)针对新型太赫兹波束扫描合成孔径成像体制，提出了有效的单频二维和宽带三维高分辨率聚焦成像算法，并利用基于互易定理和物理光学法得到的回波数据进行重建，验证了成像算法的正确性。此外还对成像算法的运算量进行了定量的分析。(4)利用微波矢量网络分析仪和太赫兹扩展模块构建了0．2THz波段实验成近场太赫兹成像技术研究像系统，并对该系统开展了成像实验，展现了该系统在安检

7、等领域的应用前景。二、针对大口径高分辨成像应用需求，提出采用近场太赫兹全息成像技术。主要工作和创新点包括：(1)提出结合高斯波束照射下的信号传输模型和相移法偏移，推导得到三维全息成像时点扩散函数解析表达式，并定量给出空间分辨率和采样率与高斯波束参数的关系式，该关系式可用于指导成像系统准光学收发链路的设计。(2)设计、加工并测试了高斯双模圆锥喇叭天线，基于矢网和太赫兹扩展模块构建了0．2THz波段成像实验系统，利用实验数据验证了空间分辨率和采样率公式。(3)研究了改进的三维相位移偏移算法，并通过实验数据进行了验证。(4)研究了适用于曲面目标的

8、单频太赫兹全息成像算法，并通过实验数据对该算法进行了有效性验证。三、开展了基于太赫兹扇形波束扫描和圆波束扫描的新型全息成像体制的初步研究，针对这两种成像体制，主要工作和创新点包括