太赫兹焦平面准光系统关键技术研究
发布时间：2022-11-09 18:45
太赫兹准光系统是太赫兹焦平面成像系统中重要的组成部分。准光系统直接决定了成像系统的视场角和离轴波束的分辨率。目前,准光系统的性能仍然需要进一步的提高,视场角较小,离轴波束分辨率较低是目前普遍存在的问题,这使得焦平面成像的阵元不能得到有效利用。为了增大视场角和提高离轴分辨率,本文应用准光系统的相关原理设计了太赫兹准光系统,并利用衍射积分法计算准光系统的分辨率和近场增益,准光系统包括聚焦系统和馈源。首先研究了系统的外部参数,即相邻馈源间的间距、口径、焦径比以及像方视场角等对分辨率的影响,并提出了在本文的太赫兹透镜天线设计中,离轴波束的分辨率需比近轴波束的分辨率低20%以内的设计要求。完成外部参数设计后,提出了一种太赫兹频段介质棒天线的设计方法,该天线采用切比雪夫多级波导匹配过渡方式,在180-220 GHz频段内电压驻波比均小于1.2。该天线具有高增益、低电压驻波比、低互耦的特性,本文中将该介质棒天线作为成像系统的馈源。提出了一种太赫兹透镜的设计方法。该方法分别考虑了衍射和像差对太赫兹透镜聚焦效果的影响,先优化像差光斑半径再利用衍射积分方程计算近场增益和分辨率。在优化像差时,无论视场角如何...
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 选题的背景及意义
1.1 应用背景
1.2 太赫兹成像发展
1.3 国外焦平面成像研究现状
1.4 国内焦平面成像研究现状
1.5 存在的问题和差距分析
1.6 本文创新点及章节安排
第2章 准光系统设计原理
2.1 引言
2.2 几何光学法
2.2.1 短波长的近似处理
2.2.2 几何光学基本定律
2.2.3 几何光学法的其他定理
2.2.4 射线追迹法
2.2.5 几何像差原理
2.2.6 系统像差计算
2.3 衍射积分法
2.3.1 标量衍射理论
2.3.2 矢量衍射积分
2.4 结论
第3章 系统外部参数及馈源设计方法
3.1 引言
3.2 系统参数的设计
3.2.1 馈源的排布
3.2.2 焦径比的设计
3.2.3 口径的设计
3.2.4 波束聚焦方式的选择
3.2.5 影响分辨率的因素
3.2.6 系统整体设计需求
3.3 馈源天线设计方法及性能
3.3.1 各馈源性能的比较
3.3.2 介质棒天线的辐射原理
3.3.3 介质棒天线的设计要求
3.3.4 介质棒天线的设计方法
3.3.5 馈源天线设计结果
3.4 结论
第4章 太赫兹单透镜天线设计
4.1 引言
4.2 单透镜设计的几何光学原理
4.3 单透镜设计步骤
4.3.1 初始参数设计
4.3.2 光学性能验证
4.3.3 公差分析
4.4 准光系统的电磁学性能计算方法
4.4.1 近轴条件下增益的计算方法
4.4.2 离轴条件增益的计算方法
4.4.3 分辨率计算
4.4.4 损耗计算
4.5 单透镜天线电磁学性能计算
4.6 单透镜天线焦深计算
4.7 结论
第5章 库克三片式准光透镜天线组设计
5.1 引言
5.2 计算透镜组初始内部参数
5.3 内部参数优化设计
5.4 光学性能验证
5.5 公差分析
5.6 库克三片式透镜天线电磁学性能计算
5.7 透镜天线组焦深计算
5.8 库克三片式透镜研制
5.9 实验验证
5.9.1 实验方案设计及测试结果
5.9.2 实验误差分析
5.10 结论
第6章 变焦透镜天线的设计
6.1 引言
6.2 变焦透镜外部参数设计
6.3 变焦透镜内部参数设计
6.4 光学性能验证
6.5 电磁学性能计算
6.6 结论
第7章 总结及未来工作展望
7.1 论文主要工作
7.2 未来工作展望
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
附录 名词解释
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验[J]. 黄建,裴乃昌,王志辉,孙智敏. 电讯技术. 2019(06)
[2]基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究（英文）[J]. 李明迅,牟进超,郭大路,乔海东,马朝辉,吕昕. 红外与毫米波学报. 2018(06)
[3]一种基于超材料的常温太赫兹探测器[J]. 郑发明,任伟,吴伟,郭聪,柳克银,陶虎,李昕欣,周志涛. 微纳电子技术. 2018(11)
[4]机载大变倍比大视场中波红外连续变焦光学系统设计[J]. 张国伟,王海涛. 光学与光电技术. 2018(05)
[5]基于石墨烯材料的太赫兹波探测器研究进展[J]. 仝文浩,刘北云,杨炎翰,游聪娅,王保柱,睢丙东,袁瑞玚,张永哲. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(04)
[6]基于场效应晶体管的太赫兹探测器中天线设计的一种有效方法（英文）[J]. 张博文,颜伟,李兆峰,白龙,Grzegorz Cywinski,Ivan Yahniuk,Krzesimir Szkudlarek,Czeslaw Skierbiszewski,Jacek Przybytek,Dmytro B.But,Dominique Coquillat,Wojciech Knap,杨富华. 红外与毫米波学报. 2018(04)
[7]一种220 GHz波段太赫兹合成孔径成像雷达[J]. 李大圣,吴福伟,孙俊,金林. 微波学报. 2018(04)
[8]蝶形天线增强的共振隧穿二极管太赫兹探测器研究[J]. 李金伦,崔少辉,张振伟,倪海桥,牛智川. 中国激光. 2018(08)
[9]高速太赫兹探测器[J]. 张真真,黎华,曹俊诚. 物理学报. 2018(09)
[10]基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器[J]. 罗木昌,孙建东,张志鹏,李想,申志辉,王颖,陈红兵,董绪丰,张金峰,陈扬,周建勇,秦华. 红外与激光工程. 2018(03)
博士论文
[1]场效应晶体管太赫兹混频探测器的场耦合机制和结构研究[D]. 李想.中国科学技术大学 2018
[2]W波段焦平面阵列被动成像前端关键技术研究[D]. 陈其科.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]CMOS太赫兹探测器研究及电路设计[D]. 杨琪轩.南京大学 2019
[2]Ka波段多波束收发集成透镜天线[D]. 严海隆.浙江大学 2018
[3]提升成像质量的计算光学设计方法研究[D]. 王娇阳.西安电子科技大学 2017
[4]红外双视场变焦光学系统设计[D]. 杨礼.太原理工大学 2013
[5]机载连续变焦红外光学系统设计[D]. 李伟.长春理工大学 2011
[6]毫米波成像准光学技术研究[D]. 庄重.哈尔滨工业大学 2009
[7]W波段焦平面阵列天线[D]. 舒亮.电子科技大学 2009
[8]矢量衍射理论的比较研究及其应用[D]. 李怀龙.合肥工业大学 2007
[9]被动毫米波成像技术研究[D]. 纪如霆.南京理工大学 2005
本文编号：3704704
【文章页数】：143 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 选题的背景及意义
1.1 应用背景
1.2 太赫兹成像发展
1.3 国外焦平面成像研究现状
1.4 国内焦平面成像研究现状
1.5 存在的问题和差距分析
1.6 本文创新点及章节安排
第2章 准光系统设计原理
2.1 引言
2.2 几何光学法
2.2.1 短波长的近似处理
2.2.2 几何光学基本定律
2.2.3 几何光学法的其他定理
2.2.4 射线追迹法
2.2.5 几何像差原理
2.2.6 系统像差计算
2.3 衍射积分法
2.3.1 标量衍射理论
2.3.2 矢量衍射积分
2.4 结论
第3章 系统外部参数及馈源设计方法
3.1 引言
3.2 系统参数的设计
3.2.1 馈源的排布
3.2.2 焦径比的设计
3.2.3 口径的设计
3.2.4 波束聚焦方式的选择
3.2.5 影响分辨率的因素
3.2.6 系统整体设计需求
3.3 馈源天线设计方法及性能
3.3.1 各馈源性能的比较
3.3.2 介质棒天线的辐射原理
3.3.3 介质棒天线的设计要求
3.3.4 介质棒天线的设计方法
3.3.5 馈源天线设计结果
3.4 结论
第4章 太赫兹单透镜天线设计
4.1 引言
4.2 单透镜设计的几何光学原理
4.3 单透镜设计步骤
4.3.1 初始参数设计
4.3.2 光学性能验证
4.3.3 公差分析
4.4 准光系统的电磁学性能计算方法
4.4.1 近轴条件下增益的计算方法
4.4.2 离轴条件增益的计算方法
4.4.3 分辨率计算
4.4.4 损耗计算
4.5 单透镜天线电磁学性能计算
4.6 单透镜天线焦深计算
4.7 结论
第5章 库克三片式准光透镜天线组设计
5.1 引言
5.2 计算透镜组初始内部参数
5.3 内部参数优化设计
5.4 光学性能验证
5.5 公差分析
5.6 库克三片式透镜天线电磁学性能计算
5.7 透镜天线组焦深计算
5.8 库克三片式透镜研制
5.9 实验验证
5.9.1 实验方案设计及测试结果
5.9.2 实验误差分析
5.10 结论
第6章 变焦透镜天线的设计
6.1 引言
6.2 变焦透镜外部参数设计
6.3 变焦透镜内部参数设计
6.4 光学性能验证
6.5 电磁学性能计算
6.6 结论
第7章 总结及未来工作展望
7.1 论文主要工作
7.2 未来工作展望
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
附录 名词解释
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验[J]. 黄建,裴乃昌,王志辉,孙智敏. 电讯技术. 2019(06)
[2]基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究（英文）[J]. 李明迅,牟进超,郭大路,乔海东,马朝辉,吕昕. 红外与毫米波学报. 2018(06)
[3]一种基于超材料的常温太赫兹探测器[J]. 郑发明,任伟,吴伟,郭聪,柳克银,陶虎,李昕欣,周志涛. 微纳电子技术. 2018(11)
[4]机载大变倍比大视场中波红外连续变焦光学系统设计[J]. 张国伟,王海涛. 光学与光电技术. 2018(05)
[5]基于石墨烯材料的太赫兹波探测器研究进展[J]. 仝文浩,刘北云,杨炎翰,游聪娅,王保柱,睢丙东,袁瑞玚,张永哲. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(04)
[6]基于场效应晶体管的太赫兹探测器中天线设计的一种有效方法（英文）[J]. 张博文,颜伟,李兆峰,白龙,Grzegorz Cywinski,Ivan Yahniuk,Krzesimir Szkudlarek,Czeslaw Skierbiszewski,Jacek Przybytek,Dmytro B.But,Dominique Coquillat,Wojciech Knap,杨富华. 红外与毫米波学报. 2018(04)
[7]一种220 GHz波段太赫兹合成孔径成像雷达[J]. 李大圣,吴福伟,孙俊,金林. 微波学报. 2018(04)
[8]蝶形天线增强的共振隧穿二极管太赫兹探测器研究[J]. 李金伦,崔少辉,张振伟,倪海桥,牛智川. 中国激光. 2018(08)
[9]高速太赫兹探测器[J]. 张真真,黎华,曹俊诚. 物理学报. 2018(09)
[10]基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器[J]. 罗木昌,孙建东,张志鹏,李想,申志辉,王颖,陈红兵,董绪丰,张金峰,陈扬,周建勇,秦华. 红外与激光工程. 2018(03)
博士论文
[1]场效应晶体管太赫兹混频探测器的场耦合机制和结构研究[D]. 李想.中国科学技术大学 2018
[2]W波段焦平面阵列被动成像前端关键技术研究[D]. 陈其科.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]CMOS太赫兹探测器研究及电路设计[D]. 杨琪轩.南京大学 2019
[2]Ka波段多波束收发集成透镜天线[D]. 严海隆.浙江大学 2018
[3]提升成像质量的计算光学设计方法研究[D]. 王娇阳.西安电子科技大学 2017
[4]红外双视场变焦光学系统设计[D]. 杨礼.太原理工大学 2013
[5]机载连续变焦红外光学系统设计[D]. 李伟.长春理工大学 2011
[6]毫米波成像准光学技术研究[D]. 庄重.哈尔滨工业大学 2009
[7]W波段焦平面阵列天线[D]. 舒亮.电子科技大学 2009
[8]矢量衍射理论的比较研究及其应用[D]. 李怀龙.合肥工业大学 2007
[9]被动毫米波成像技术研究[D]. 纪如霆.南京理工大学 2005
本文编号：3704704
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