太赫兹波束光场矢量空间分布测试方法及测试系统

本发明是关于太赫兹，特别是关于一种太赫兹波束光场矢量空间分布测试方法及测试系统。

背景技术：

1、太赫兹波是电磁波的一种，广义上指频率为100ghz～10thz的电磁辐射。近年来，随着太赫兹成像技术的不断成熟，其空间分辨率和系统信噪比逐渐提高，成像速度逐渐加快，光学信息获取能力逐渐变强，人们对太赫兹成像在基础研究和工业应用的开发也逐渐深入。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好等特性，可在医疗、勘探、军事侦察、文物保存等中发挥巨大作用。太赫兹全息成像是一种高质量的三维成像术，作为一种新兴的成像技术，可以提供更多的数字信息。实现太赫兹全息成像需要获取波前的光场矢量空间分布状态，主要包括幅值强度空间分布情况、偏振空间分布、相位空间分布、极化方式等，将这些矢量通过算法实现太赫兹全息成像，然而目前还没有能够原位的测量太赫兹波束矢量空间分布状态的方法及测试系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种太赫兹波束光场矢量空间分布测试方法及测试系统，其能够原位的测量太赫兹波束波前矢量空间分布状态。

2、为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种太赫兹波束光场矢量空间分布测试系统，包括分别作为本振信号和被测信号的第一微波源和第二微波源，

3、所述第一微波源和第二微波源分别被一功分器等分成两路信号，

4、其中一路信号通过混频器混频，混频后的差频信号依次经第一低噪声放大器、第一滤波器和锁相环之后馈入iq混频器，

5、另一路信号分别经过倍频器倍频后转化为具有太赫兹波段的射频输出，并在外差探测器上发生混频，混频后差频信号依次经第二低噪声放大器、第二滤波器后馈入所述iq混频器。

6、在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一微波源和外差探测器之间设置有波导喇叭天线、太赫兹准光元件或超表面器件。

7、在本发明的一个或多个实施方式中，所述外差探测器设置于第一位移平台上，该第一位移平台包括：

8、可带动外差探测器接近或远离所述第一微波源的z轴位移台；

9、可带动外差探测器沿垂直z轴位移台的位移方向的x轴位移台；

10、可带动外差探测器沿垂直x轴位移台和z轴位移台所在平面的y轴位移台。

11、在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一位移平台还包括：

12、可带动外差探测器转动的第一旋转位移台，所述第一旋转位移台的转动平面平行于所述x轴位移台和y轴位移台所在平面。

13、在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一微波源设置于可带动第一微波源转动的第二旋转位移台上，第二旋转位移台的转动平面平行于所述z轴位移台和x轴位移台所在平面。

14、本发明的实施例提供了一种太赫兹波束光场矢量空间分布测试方法，包括：

15、提供分别作为本振信号和被测信号的第一微波源和第二微波源；

16、第一微波源和第二微波源分别被一功分器等分成两路信号，其中一路信号直接混频，混频后的差频信号依次经低噪声放大、滤波、倍频之后馈入iq混频器，另一路信号分别经过一倍频器倍频后转化为具有太赫兹波段的射频输出，并在外差探测器上发生混频，混频后差频信号依次经低噪声放大、滤波后馈入所述iq混频器。

17、在本发明的一个或多个实施方式中，第一微波源和第二微波源发射的信号s1，与s2满足：

18、s1＝cos(ω1t)     (1)

19、s2＝cos(ω2t+φ)      (2)

20、其中，ω1与v2分别为第一微波源和第二微波源的微波信号频率，φ为第一微波源和第二微波源的相位差，s1为第一微波源的t时刻幅值强度，s2为第二微波源的t时刻幅值强度，t为时刻；

21、混频后的差频信号依次经低噪声放大、滤波、倍频之后成为参考中频信号，满足：

22、sref＝arefcos(ωift+nφ)      (3)

23、其中，n为倍频系数，ωif＝ω1-ω2为参考中频信号频率，aref为参考中频信号幅度，sref为s1和s2倍频进行混频的后t为时刻的参考幅值强度，aref为幅值强度最大值；

24、另一路信号分别经过一倍频器倍频后转化为具有太赫兹波段的射频输出，满足：

25、slo＝a1cos(nω1t)      (4)

26、srf＝a2cos(nω2t+nφ+φ′)      (5)

27、其中，a1与a2为太赫兹信号的幅度，φ′为待测的太赫兹相位，slo为s1倍频后作为外差探测器本振信号幅值强度，srf为s2倍频后波导天线输出的幅值强度；

28、射频输出的信号在外差探测器上发生混频，产生中频信号，满足：

29、sif＝a1a2clcos(ωift+nφ+φ′)       (6)

30、其中，cl为混频器的混频损耗与太赫兹信号的空间衰减，s1f指外差探测器将其与slo混频，下变频后输出中频信号sif；

31、所述中频信号和参考中频信号在iq混频器得到i路与q路两路信号，满足：

32、si＝a′clgcos(φ′)        (7)

33、sq＝a′clgcos(φ′)       (8)

34、其中，g为放大器增益与iq混频器的混频损耗带来的信号幅度变化，a’是指iq混频器的最大幅值强度；

35、太赫兹波束在空间中幅值强度分布和相位分布满足：

36、

37、

38、在本发明的一个或多个实施方式中，定义直角坐标系，x方向为x轴位移台的位移方向，y方向为y轴位移台的位移方向，z方向为z轴位移台的位移方向；

39、太赫兹波束的传播方向为z方向时，则电场矢量位于x方向与y方向所形的xy平面，x方向与y方向两个的电场分量满足：

40、

41、其中，ax为太赫兹波束沿x方向的振幅，ay为太赫兹波束沿y方向的振幅，k为传播常数，δ＝δx-δy为x方向与y方向两个方向的相位差；

42、斯托克斯参数满足：

43、

44、偏振椭圆的方向角φ满足：

45、

46、太赫兹波束沿x方向的振幅以及沿y方向的振幅满足：

47、

48、x方向和y方向偏振相位差满足：

49、

50、偏振椭圆的长轴和短轴分别满足：

51、

52、即得到太赫兹波束在空间中偏振分布。

53、在本发明的一个或多个实施方式中，改变太赫兹波束的转动角度，计算太赫兹波束的远场发散半角或-3db波束角宽度。

54、在本发明的一个或多个实施方式中，发散角对应的幅值强度满足：

55、

56、其中，太赫兹波束的频率f，旋转角度θ对应的幅值强度pθ值，最大幅值pθ-max对应角度的角度为0度，pθ-a对应的角度值θ-a为发散半角，pθ-d是指与测试系统z轴夹角为θ时，距离为d时的幅值强度值。

57、与现有技术相比，根据本发明实施方式的太赫兹波束光场矢量空间分布测试方法及测试系统，具有测试方法高效，测试系统简单的优点，同时利用测试数据结果可以提取出被测太赫兹波束的发散角、-3db波束角宽度、远场发散半角、光斑直径、相位变化情况、偏振态分布情况等数据结果，即能够原位的测量太赫兹波束光场矢量空间分布状态。