基于太赫兹目标散射特性测试系统的设计与应用

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太赫兹是指频率是从0.1 THz到 10.0 THz，介于毫米波与红外光之间的电磁辐射波，近年来围绕这-相关技术领域的研究已成为国内-项重点研究课题。太赫兹波散射实验的研究对于研究太赫兹雷达目标特性，进而实现太赫兹雷达散射截面及散射成像的研究都具有重要的价值↑些年针对太赫兹波目标散射特性的研究工作国外已经取得了-些成果 ，国内有关太赫兹雷达目标透射特性和反射特性的研究也有很多报道 。 ，有关太赫兹雷 达 目标散射特性 的理论研 究尽管 也受 到关注 ，但由于受到太赫兹雷达体系等因素的限制，实验研究工作起步较晚。此前曾对粗糙铜板在收发分置时的散射特性做了-些探索 ，但由于测试体系不够完善，还不能完成收发同置 目标的散射特性的实验研究↑期，将所研制的龙门架、立式自动光学旋转台、小型卧式自动旋转光学平台、运动控制器等组成了-个比较完整的太赫兹波目标散射特性测试系统，并结合返波管振荡器(backward wave oscillator，BWO)、焦热电探测器，开展了收发分置与收发同置的低频太赫兹波在粗糙铝表面的散射特性的研究工作，获得了-些有价值的实验结果。

2 系统的设计与组成为了完成目标特l生的太赫兹波散射实验，搭建了实验测试系统。实验测试系统的结构示意图如图1所示。

图1 太赫兹测试系统结构图Fig.1 Structure diagram of the terahertz test system整个测试系统主要包括如下几部分：2.1 小型卧式自动旋转光学平台小型卧式自动旋转光学平台就是-个水平放置的可实现在360。平面范围内自由旋转的电动旋转平台，平台的直径为600 Inn，上面像光学平台-样均匀排布着很多用于固定光学器件的螺孔，它通过运动控制器”可以使整个测试工程实现程序控制，驱动装置采用细分步进电机。从而可以保障很高的测试精度。该光学平台的精度达到0.005。，转速为20。/s，传动比为 180：1。

2.2 龙门架与立式自动旋转台龙门架与立式 自动旋转台主要包括门型立式支架和- 个附在上面的-个小型立式 自动旋转台，门型立式支架实用硬质铝合金精密加工而成，上面带有滑道，小型立式 自动旋转台可以自由在水平滑道上移动，在门型立式支架的两个立柱上带有标尺，用以调节水平滑道的高度。

小型立式 自动旋转台通过调节机构被固定在水平滑道上，立式 自动旋转台下端通-个连接系统将待测 目标悬挂在门型立式支架下端，同样通过运动控制器”控制立第 5期 杨 洋 等 ：基于太赫兹目标散射特性测试系统的设计与应用 977式自动旋转台可以实现待测目标在垂直方向上实现360。

平面范围内自由旋转。立式自动旋转台的传动采用涡轮蜗杆结构，其重复定位精度达到 0.005。，分辨率为0.02。，转速为 50。/s，传动比为 90：1，平台直径为 60 mm。

2.3 运动控制器运动控制器是用来控制水平旋转光学平台和立式自动旋转台旋转的系统，该控制部分采用高性能32位 CPU，配备液晶显示器，全封闭触摸式操作键盘。本控制器可控制2～4个电机运动，可实现定位、直线插补等操作，具有循环跳转及简易可编程逻辑控制器(programmable logic controler，PLC)等功能，可以按照设置每次转动-定角度。

2.4 发射与接收系统本实验系统的发射系统包括波源与透镜系统，波源采用返波管振荡器源(BOW)，工作频率使用 206.2 GHz，输出功率为40 row；接收系统探测器使用焦热电探测器(pyroelectricdetector)，最佳调制频率为 10～30 Hz，可以工作的光谱范围为0.1～10 THz，像素尺寸大小为2 iTln×3 1/lin；测试系统中的数据读取单元用来获得焦热电探测器的电压信号。

3 系统的特点与测试过程3.1 系统的特点太赫兹目标散射特性测试系统与激光雷达、微波雷达目标散射特性测试系统相比有其自身特殊性，其特殊性在于，由于目前太赫兹的功率比较低，且太赫兹在大气中传输损耗比较大，决定了太赫兹目标散射特性测试系统中的测试平台尺寸要小且精度要高，本实验系统中的目标安装在门型结构，易于在大光学平台上移动，且小巧灵活，门型结构的底端可以根据需要被固定在光学平台上。

3.2 实际测试过程1)当波束从返波管振荡器出射后 ，先经频率为1O Hz的斩波器调制 ，再将出射光波经聚四氟乙烯透镜后变成平行光波，并照射到被固定在龙门架上粗糙金属铝盘上，形成半径为5 cnl左右的光斑。

2)通过运动控制器使作为散射目标的粗糙铝盘随立式旋转台转动，实现粗糙金属铝盘的法向与入射光线夹角(oL)的调整；3)通过焦热电探测器实现散射信号的接收，探测器被芭在卧式旋转平台上，并通过运动控制器控制探测器的空间方位 ，实现法向与出射光线夹角( )的调整，与探测器相连的是-个数据获取单元，它相当于-个锁相放大器，通过它可以得到探测器的输出电压和频率。

在实验中由于聚四氟乙烯透镜对散射光损耗较大，因此测试中散射信号不再经过聚四氟乙烯透镜聚焦，而采用探测器直接接收的方式 ，探测器接收端 口距金属铜盘的中心距离大约在 150 mm。

4 测试系统的应用由于从太赫兹雷达角度来看目标散射特性分为收发分置与收发同置两种情况，利用该测试系统分别进行了收发分置与收发同置的粗糙金属铝板的散射特性 的测试。本实验测试系统中采用小型卧式自动旋转光学平台实现散射角( )的变化，立式自动旋转台实现入射角( )的变化的同时也能实现收发同置时的散射角 ( )的变化，角度的变化由运动控制器来实现 自动控制。实验中被当做散射 目标的金属铝盘是由安徽光机所加工而成，表面利用0.6 mm和 1.0 inn的两种滚刀被加工成粗糙度不同的目标物，直径为 150 mm。

4.1 收发分置太赫兹目标特性的测试所谓收发分置是指太赫兹源与探测器不在同-位置，从而导致发出的波束与接收的波束相对于探测 目标的发现夹角不同，即：入射角 0与散射角 不等。由于散射角度达到50。以后散射信号几乎衰减成 0，因此测试范围选在从 0～55。，在收发分置时，每次设置光学旋转平台带动探测器 自动转动 5。，并重复测量两次，取两次的平均值作为测试数据。表 1给出了收发分置时，当入射角 为0。时细铝盘散射数据，图 2则给出了散射角与探测器输出电压相应的散射曲线。

表 1 垂直入射时细铝盘的散射数据表Table 1 Scatering data for fine aluminumplate at vertical incidence散射角t3/(。) 输出电压/mV2.4842.0O40.8040.3160.128O.1580.1490.105O.1840.168散射角图2 垂直人射时细铝板散射实验曲线Fig.2 Scatering experimental curve for fine aluminumplate at vertical incidencem 加 ∞ 如978 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷以散射角 为横坐标，以数据获取单元中所显示的输出电压(mV)为纵坐标的拟合曲线为：需要指出的是，由于在垂直入射时，放置在散射角小于5。的位置的探测器会对 BWO出射光束有遮挡，因此本实验是从 l0-始测量的。

4.2 收发同置太赫兹目标特性的测试所谓收发同置是指太赫兹源与探测器在同-位置，从而导致发出的波束与接收的波束相对于探测 目标的发现的夹角相同，即：入射角 0与散射角 相等。利用该测试系统使太赫兹源与探测器放置在-个位置(近似)，通过运动控制器”控制立式 自动旋转台实现待测金属 目标在垂直方向上实现 自由旋转。在收发同置时，每次设置立式光学旋转平台每次 自动变化 1。，并重复测量三次，取三次的平均值作为测试数据。在收发同置的实际测试中当入射角 o(/30)大于 10。时散射信号已经趋于0，因此实验中只给出星度的测试结果。表2、表3给出了收发同置时，粗、细铝盘和的散射数据，图 3、图4则给出相应的散射曲线。其中图2、图3、图4中的散射曲线是通过 MATLAB绘图软件，并采用5次多项式拟合的方法来完成的。

表 2 粗铝盘收发同置时散射数据表Table 2 Scattering data for coarse aluminumplate in monostatic condition散射角口 输出电压/mV1.324 20.730 00.235 80.230 30.094 90.026 80.016 7O.009 3表3 细铝盘收发同置时散射数据表Table 3 Scattering data for fine aluminumplate in monostatic condition散射角口 输出电)i，/mV2.36800.687 40.151 20.182 3O.114 00.O21 90.012 3图3 收发同置太赫兹 目标特性的测试实验曲线(粗铝盘)Fig.3 The test experimental curve of terahertz targetcharacteristic in monostatic condition(coarse aluminum plate)>吕亩书撂图4 收发同置太赫兹目标特性的测试实验曲线(细铝盘)Fig.4 The test experimental curve of terahertz targetcharacteristic in monostatic condition(fine aluminum plate)5 几点分析利用本文中搭建的太赫兹目标散射特性测试系统所完成的实验中还有-些地方需要进-步分析和说明。

1)收发分置与收发同置的散射实验不是同-时间完成的，收发分置时采用重复测量两次取平均值作为测试数据，而在收发同置时采用重复测量三次取平均值作为测试数据，前后两次实验数据以不同权重的测试数据作比较，严格的讲是不严谨的。

2)实验中由于时间关系，数据读取中只重复测量两次和三次取平均值作为测试数据，可能会导致测量结果的发散偏大。

3)测试中目标 0。位置的确定是通过两种方法联合实现的。首先通过调节门型立式支架在光学平台的几何位置使附在立式 自动旋转台上的金属目标的平面法线方向与入射波的波线方向基本-致 (接近 0。)，在此基础上，通过运动控制器转动附在立式光学旋转平台的金属目标，并在0。附近找到-个出现左右对称(±1。)、数据相同的中间位置，并将这个中间位置确定为0。。

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第5期 杨 洋 等：基于太赫兹目标散射特性测试系统的设计与应用 9794)本次实验中由于目标散射到探测器的传输距离相对较短，靠近 目标的光学平台及 目标支架等散射会对测量带来-些影响，从而为测试结果带来偏差。

6 结 论利用这种测试系统可以实现太赫兹的目标散射特性的测量，尽管太赫兹波的散射测量受到测试环境及太赫兹光源强度的制约很难实现，但由于利用了输出稳定的BWO源，使目标距离探测器较近的区域内的测试工作得以完成；由于测试系统采用了高精度的卧式光学旋转平台和立式光学旋转平台，并配以运动控制器，从而实现高精度 自动控制，使得测试数据具有很好的可靠性和可重复性 ；在收发同置的情况下散射只存在于很星度范围内，当散射角(入射角)超过 10。后散射信号迅速衰减，测试中还观察到粗、细铝板具有不同的散射效果 ，其中在细铝板的散射情况下散射信号的强度随散射角(入射角)变化明显，显现出强度剧烈的振荡现象；在收发分置的情况下 ，散射角小于 30。时散射曲线下降较快，超过 30。散射曲线变化变得很缓慢，但在45。附近会出现-个小的峰值。

致 谢本次实验是在首师大完成的，感谢张存林教授提供的帮助，同时也感谢张振伟老师所给予的帮助。