1、*大学本科生毕业设计开题报告课题名称 太赫兹频段平板散射特性研究学院名称 * 专业名称 *学生姓名 * 指导教师 *（内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。 ）1、课题的来源及意义太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，受到世界各国研究机构的高度关注，并且开展了许多基础研究与应用研究方面的工作，这一新型技术的科学价值预示着它具有蓬勃的生命力和美好的发展前景。太赫兹（THz）波是频率在 0.1-10THz 内的电磁波，是光子学和电子学、宏观理论向微观理论过度的区
2、域。近十几年来，THz 科学技术取得了长足的进步，在光谱、成像、通信、雷达等多个领域均体现出重要应用价值，是目前光电子学领域最活跃的研究内容之一。太赫兹技术应用于雷达中将为现代军事探测技术提供独特的优势。首先，太赫兹波相比于微波更短，对目标散射特性刻画能力更强；太赫兹雷达的载频频率高，更容易发射大带宽信号，从而具有极高的分辨率特性，可以实现更小目标的探测、更高分辨率的雷达成像、更精准的目标运动与物理参数繁衍。其次，太赫兹频段易于实现极窄的天线波束。在相同天线尺寸下太赫兹波的波束要比毫米波、微波的波束窄得多；太赫兹频段提供的极窄天线波束，可以获得更高的天线增益和角跟踪精度，同时极高的角分辨率也大
3、大提高了多目标识别和粪便能力。第三，相对于激光，太赫兹波穿透能力更强，且对空间告诉运动目标的气动效应与热环境效应不敏感，因此太赫兹雷达课应用于复杂环境作战与空间高速运动目标探测；相比于微波雷达，基于固态电子学器件的太赫兹雷达收发系统容易小型化，适用于星载与弹载平台。作为 THz 波的一个重要应用方向， THz 雷达相对于传统的微波雷达，具有波长短、分辨率高、大带宽利于高清晰成像、抗干扰特性强等诸多技术优势；相对于激光雷达，THz 雷达的发射波束宽度大，具有更好的搜索能力，并且在雨雾等条件下的衰减更小。作为战略预警、防空反导和战场侦察等领域的未来新型探测装备，THz 雷达已经显现出十分迫切的军事
4、需求。太赫兹雷达系统与传统雷达的组成与实现类似，目前报道的太赫兹雷达系统主要基于太赫兹电真空器件源、太赫兹固态电子学器件以及太赫兹量子级联激光器源等方式，并采用外差式接受方式，其中太赫兹真空器件以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统中具有重要意义，全固态电子学器件以其相对先进的工艺技术成为目前太赫兹雷达系统实验系统收发设备的主要构成。太赫兹频段目标散射特性研究是太赫兹技术应用于雷达的技术基础，是太赫兹主动雷达系统军事用途想定、战技指标确定以及信号体制与检测识别等关键技术研究的依据。由于太赫兹波波长极短，对于物理尺寸在厘米或者米量级的军事目标，它在太赫兹频段具有极大的电尺寸，但与近红外及激光频段相比
5、尺寸又很小，因而必然会呈现出与微波频段和激光频段明显不同的散射特性。太赫兹频段目标散射特性技术也引起了国内外研究者的广泛重视，对于太赫兹频段目标散射特性研究主要采用数值计算与实验测量两种方法，目前国外的研究以实验测量方法为主，包括对典型军事目标的缩比模型、粗糙表面的介质目标等进行测量，并实测数据与数值计算或解析方法的结果进行比较。国内则由于太赫兹技术发展晚于国外，因此实验测量系统的建设也相对滞后，以理论计算与仿真为主，同时包括首都师范大学、天津大学、东南大学、哈尔滨工业大学、中国电子科技集团公司第 41 研究所、国防科技技术大会与上海航天局第802 所等多家单位正在逐步搭建太赫兹目标特性测量系
6、统。基于太赫兹实验测量系统进行太赫兹散射特性研究的主要方式包括利用抛物面型或全息图型紧缩场进行缩距测量，利用时域系统测试目标的瞬态响应，以及利用极窄脉冲高分辨系统和逆合孔径技术进行目标闪烁点识别的二维和三维成像测量等。太赫兹频段目标散射特性研究在军事、工业、生活中具有诸多实用意义，诸如军事雷达系统、工业测量系统、生活用品的测量系统以及诸多成像系统等，相对于国外比较领先的太赫兹频段目标散射特性研究技术，国内应加速测量系统等方面的建设，以跟上国际形势，所以太赫兹频段目标体散射特性研究课题迫在眉睫。二、国内外发展状况在国外，在俄罗斯 THz 频段的大功率回旋管以及四倍频回旋管研制成功的前提下，THz
7、 源的产生已不再是困难。 2004 年美国认定太赫兹技术为世界十大技术之一，2005 年日本将太赫兹技术视为十项重大支柱技术之首，提出了“举全国之力研发，2015 年前完成太赫兹通信系统”。到此时，太赫兹技术已经进入稳步发展的阶段。国外最早关于太赫兹雷达的报道实在 1988 年马萨诸塞大学的 McIntosh 等基于当时真空器扩展相互作用振荡器（EIO）的发展在 215GHz 的大气窗口附近实现了 一部高功率非相干实验脉冲雷达。随后在 1991 年佐治亚理工学院的McMillan 等为美国军方提出并实现了 225GHz 脉冲相干实验雷达，同样采用脉冲扩展胡作用振荡器作为发射机，发射脉冲峰值功率
8、达到 60W。美国马萨诸塞大学 STL 从 1993 年开始承担美国军方专门雷达特征解决方案（ ERADS）工程，同时开展太赫兹器件和系统的研发，为美国国防部提出目前和未来的雷达特征获取需求。STL 搭建了多部分分别基于抽运气体激光器和全固态电子学源的太赫兹抛物面紧缩场测量系统，工作频点包括160GHz、240GHz、350GHz、524GHz、156THz ，并利用太赫兹紧缩场测量系统对军用卡车、坦克的缩比模型等目标进行了测量和成像。为了获得逼真的测量结果，STL 还对模型材料与不同背景在太赫兹频段与微波频段的参数关系进行了测量研究。2010 年，STL 利用 160GHz 与 250GHz
9、 全极化紧缩场测量系统分别对表面光滑圆柱、表面周期粗糙的导体与介质涂层圆柱、带细小刻痕圆柱以及光滑焊接圆柱进行了测量和成像，通过成像可以观测到不同特征引起的目标二维像变化，揭示了太赫兹波识别目标细微结构特征的能力。基于太赫兹时域系统的目标散射特性测量研究在 20 世纪末就已经展开，1997 年美国俄克拉荷马州立大学的 Cheville 等基于太赫兹时域系统开始测量研究太赫兹目标散射特性，分别基于非准直波束时域系统和准直波束时域系统对石英圆柱、氧化铝球、氧化铝圆柱、飞机模型等不同目标进行测量，从得到的目标时域脉冲散射响应可以清晰地观测到目标不同类型散射特征信号，如镜面反射波、表面爬行波、轴向反射
10、波等、德国布伦瑞克太赫兹通信实验室 Jansen等在 2009 年基于光纤耦合太赫兹收发器搭建了一套太赫兹频段 RCS 时域测量系统。随后进一步分析了测量中目标角度失准与偏移以及非平面波前对测量结果的影响。2012 年他们基于新的光纤耦合天线与双园测角改进了该紧缩场测量系统，使其能够灵活完成不同角度配置的双站 RCS 测量，获得 1/250 的旋风200 与 F-117 缩比模型随频率与角度变化的 RCS。 2010 年丹麦科技大学的Iwaszczuk 等基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时域脉冲系统，该系统光路中使用一堆抛物面反射镜将太赫兹波束展宽并校准，实现了远场条件的目标测量。在国内，哈尔滨
11、工业大学的李琦等则研究了高斯光圆柱太赫兹雷达散射截面的影响。太赫兹频段目标散射特性研究的数值计算方法主要包括全波数值计算、高频近似方法和粗糙面经典解析方法等、国内以东南大学为首包括泽江大学在内，研究实现了基于高频近似方法-弹跳射线法（SBR）的太赫兹频段目标电磁散射计算方法。太赫兹散射特性研究方面，天津大学的杨洋等初步探讨了球型目标在太赫兹频段与微波频段/激光频段的不同雷达散射截面，指出了球型目标太赫兹雷达散射截面的具体研究内容和研究方式等，最近又对粗糙铜盘的散射行为进行了测量。综合国内外关于太赫兹频段目标散射特性技术的研究情况可以看出，在太赫兹的低频段，测量结果与数值仿真结果较好地保持了一直
12、，这说明在该频段范围，导体目标的太赫兹散射没有出现明显的微观效应从而影响高频电磁理论对电磁散射的描述，但是随着太赫兹频率继续增加，导体目标的电导率不再近似为无穷大，金属目标内部的微观电子运动对宏观散射行为的影响增大，因此需要在简历精确散射测量系统的基础上，进一步研究太赫兹频段目标的物理散射机理，并简历理论或经验模型描述与修正经典电磁散射理论，与实验测量结果进行比较研究。三、研究目标目标在太赫兹频段的散射特性是 THz 雷达系统设计的基础，本课题以标准体平板为研究对象，利用远红外激光器搭建测试系统，研究不同材料平板在太赫兹频段的散射特性；并通过测量与计算粗糙平板在不同角度散射信号，掌握粗糙度对平
13、板散射的影响规律，为 THz 雷达系统的设计提供理论及实验依据。四、研究内容1. 基于远红外激光器的高信噪比散射特性测量系统设计与搭建。选择合适的 CO2 激光频率及气体腔长度，实现所需频率的高功率 THz 波输出，利用金属网栅、聚乙烯透镜、离轴抛物面镜、衰减器、硅/锗片等器件实现太赫兹波的起偏、聚焦、准直、扩束、衰减、滤波等功能，研究低散射背景技术以克服背景及支架对目标模型散射特性的影响。利用 Labview 编写程序实现测量与数据采集的自动控制.2. 平板材料及表面粗糙度对 THz 波散射特性的影响研究。对不同材质及粗糙度的样品进行散射特性测量，分析双站角、粗糙度对散射测量结果的影响；基于
14、材料的相关参数及相关理论，用 MATLAB 软件编写程序进行仿真，与实验结果进行对比。五、研究方法1. 理论分析标准圆形平板散射特性根据本课题研究需求，首先从标准体散射特性理论出发，分析金属平板散射计算理论公式，同时分析用于散射特性测量系统定标的光滑金属球体散射特性，给出球体散射特性随着入射波长变化趋势为系统，为实验测量定标球体打下理论基础。2. 实验测量搭建标准目标体散射特性测量实验装置。通过实验测量的方法来定量分析散射特性变化情况，并于理论分析作对比，验证散射测量结果的准确性。六、研究手段在理论计算方面，从基础电磁散射特性出发，依据电磁散射理论和给定的边界条件，导出散射场方程。最后采用 M
15、ATLAB、FEKO 等电磁仿真软件来理论计算散射场的变化情况；基于二氧化碳泵浦太赫兹激光器搭建散射特性测量系统，并实验测量自行加工定做的平板样品。七、进度安排2017.1.182017.2.27：通过查找资料，明确课题意义，了解本课题的研究内容和研究方法。2017.2.282017.3.13：学习物理光学积分的计算原理，计算实验前参数。2017.3.202017.4.05：搭建太赫兹散射实验装置。2017.4.062017.5.30：完成实验并分析实验结果。2017.6.012017.6.15：按要求完成毕业设计论文、准备答辩。2017.6.152017.6.19：答辩。八、研究方案的可行性
16、分析实验装置拟采用实验室近场测量方式进行搭建，并应用本研究室现有的太赫兹源及探测设备以及自动旋转平台等进行搭建与优化。系统的整体光路图如下：系统集成了太赫兹源、准直扩束光路、独立运行双轴转动平台、太赫兹探测器等。其中太赫兹源为 FIRL-100 型连续输出单频太赫兹源，在实验中可调节输出稳定单频太赫兹光。为满足雷达散射截面的测量，本系统采用双平面镜进行了光束的调整并结合一对不同有效焦距（f1=12.7mm、f2=254mm）的离轴抛物面镜对输出太赫兹光斑进行了扩束与准直。转台设计为同轴心上下双层独立自动运转平台。既可以实现独立改变目标体姿态角又可以实现连续改变双站角功能。上层平台采用三轴独立调
17、节支架，结合水平仪以精确固定上层转台的水平方位，保证在进行单站 RCS 测量时俯仰角细微变化引起的测量误差。为减少环境噪声的影响，转台外围采用了低密度泡沫作为吸波材料，两侧面有 12mm 厚度白色聚乙烯板。目前公认的目标体支撑方法包括上方支撑点法、吊绳法、金属支架法等。这些方法无法同时兼容高负荷及复杂目标体的测量工作。本系统中目标体的支架为聚乙烯材料定做而成，在保证支架强度的前提下以最大程度减小背景噪声的干扰。独立双层转台的设计可以很好的解决室内测量时各种外形目标体的支撑问题。通过以上实验方案搭建好完整的测量，实验时提前准备好液氦液氮等探测器所需外围物品即可完成测量工作。九、已具备的研究条件天
18、津大学激光与光电子研究所，多年来一直从事光学 THz 源及其应用技术的研究，积累了大量的经验，并取得了丰富的研究成果。在 THz 目标散射特性方面，通过国防 973 等多个课题的资助，实验室已经基于远红外激光器、远红外傅里叶光谱仪等搭建起了较为成熟可靠的测试系统，编写了控制软件，并进行了大量的数据测试，为本课题的顺利进行奠定了良好的基础。其他实验条件方面，实验室除了具有高功率的 THz 激光器外，已建立起完整的 THz 技术分析测试系统，包括各种高灵敏度的功率计和能量探测器 Bolometer、Golay Cell、热释电探测器、Boxcar 门电路积分器、远红外 /THz 光谱仪、THz 波
19、偏振器、组合式 THz 衰减器以及各种 THz 滤波、聚焦镜片及透镜，时域光谱系统（ TDS）等，能够为本课题顺利完成提供必要的条件。10、主要参考文献1 杨洋, 太赫兹目标散射特性与标准雷达目标散射截面的研究D. 天津: 天津 大学, 2013.2 杨洋，景磊，金属介电常数对雷达目标散射截面的影响J. 激光与红外，2013, 43(2): 155-158.3 A. Jagannathan, A. J. Gatesman, R. H. Giles, Characterization of roughness parameters of metallic surfaces using terah
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