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高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法

阅读：341发布：2021-03-02

IPRDB可以提供高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及太赫兹的特性测试领域，具体涉及一种高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法，该装置包括光学实验台、自动旋转光学平台、龙门架、运动控制器、太赫兹波源、透镜、探测器以及数据读取装置；自动旋转光学平台设置于所述光学实验台上，龙门架横跨所述自动旋转光学平台，龙门架上设置水平的滑轨，滑轨上连接一立式自动旋转台，立式自动旋转台上设置被测物；探测器、太赫兹波源设于光学实验台上相同或近似位置，形成收发合置的检测系统，探测器与所述数据读取装置电连接，透镜设置在所述太赫兹波源出射口，立式自动旋转台可调节方向。该装置简便、易安装、成本低；测试方法简便易行，数据误差小；散射结果对其市场运用提供很高的价值。，下面是高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：包括光学实验台(1)、自动旋转光学平台(2)、龙门架(3)、运动控制器(4)、太赫兹波源(5)、透镜(6)、探测器(10)以及数据读取装置(7)；

所述自动旋转光学平台(2)设置于所述光学实验台(1)上，所述龙门架(3)横跨所述自动旋转光学平台(2)，所述龙门架(3)上设置水平的滑轨(8)，所述滑轨(8)上连接一立式自动旋转台(9)，所述立式自动旋转台(9)上设置被测物；

所述探测器(10)、太赫兹波源(5)设于光学实验台(1)上相同或近似位置，形成收发合置的检测系统，所述探测器(10)与所述数据读取装置(7)电连接，所述透镜(6)设置在所述太赫兹波源(5)出射口，所述立式自动旋转台(9)可调节方向。

2.如权利要求1所述高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：所述太赫兹波源(5)为频率为3.11THz的CO2抽运的太赫兹波辐射激光器。

3.如权利要求1所述高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：所述探测器(10)为焦热电探测器。

4.如权利要求1所述高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：所述透镜(6)为聚四氟乙烯透镜；所述龙门架(3)的两侧架上设置有尺寸刻度。

5.如权利要求1所述高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：所述自动旋转光学平台(2)由细分步进电机驱动，其精度达到0.005r，转速为20r/S。

6.如权利要求1所述高频太赫兹散射测试装置，其特征在于：所述立式自动旋转台(9)通过一调节机构(15)与所述滑轨(8)连接，并采用涡轮蜗杆机构传动，所述调节机构(15)下部连接立式自动旋转台(9)。

7.高频太赫兹散射测试方法，其特征在于，包括：在所述立式自动旋转台(9)上连接金属盘，开启电源，太赫兹波源(5)发出光束，出射到透镜(6)变成平行光波后照射到金属盘上，在金属盘上形成光斑，探测器(10)接收金属盘散射出的光信号，入射角θ与散射角β相等，数据读取装置(7)获取探测器(10)的输出电压和频率；

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，通过检测金属盘在不同入射角度或不同散射角度时的输出电压值，对比分析太赫兹目标散射特性，并拟合出特性函数。

8.高频太赫兹散射分析方法，其特征在于，包括：中 )最小，利用最小二乘法，通过做最优化处理，得a与b的值，并得到最终的拟合表达式；其中，y代表通过数据读取单元用所获得焦热电探测器的输出电压(强度),而x则代表散射角。

9.如权利要求8所述高频太赫兹散射分析方法，其特征在于：-0.1073x

细铝盘拟合函数为y＝0.3412 e ；

-0.0927x

粗铝盘拟合函数为y＝0.1909 e ；

-0.1854x

细铜盘拟合函数为y＝0.5535 e ；

-0.0791x

粗铜盘拟合函数为y＝0.2174 e ；

-0.1313x

细钢盘拟合函数为y＝0.3729 e 。

10.如权利要求8或9所述高频太赫兹散射分析方法，其特征在于：-βx

高频太赫兹散射数据曲线拟合总函数为：y＝ke 。

说明书全文

高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹的特性测试领域，尤其涉及一种高频太赫兹散射测试装置、测试方法以及分析方法。

背景技术

[0002] 太赫兹波散射实验的研究是研究太赫兹目标特性的基础，同时对于太赫兹雷达散射截面及散射成像的研究也具有重要的价值。近些年国内外围绕太赫兹波目标的透射和反射特性研究工作取得了多项研究成果，并带动了有关反射成像和透射成像的研究工作的开展，针对太赫兹波目标散射特性的研究工作国外已经取得了一些成果，国内有关太赫兹雷达目标散射特性的理论与实验研究工作起步较晚，2012年申请人曾对低频段太赫兹目标特性进行过实验研究,并对实验结果进行了报道。近期我们利用CO2抽运的太赫兹波辐射激光器作为太赫兹源与我们组装的小型自动旋转光学平台，开展了高频段太赫兹波在几种不同金属粗糙表面的散射研究工作，并通过数学分析的方法对散射模式进行了深入探究，对于其市场运用具有很高的价值。

发明内容

[0003] 本发明目的是提供一种高频太赫兹散射测试装置。

[0004] 本发明另一目的是提供一种高频太赫兹散射测试方法。

[0005] 本发明另一目的是提供一种高频太赫兹散射分析方法。

[0006] 为解决上述问题，本发明实施例提供一种高频太赫兹散射测试装置，其包括光学实验台、自动旋转光学平台、龙门架、运动控制器、太赫兹波源、透镜、探测器以及数据读取装置；所述自动旋转光学平台设置于所述光学实验台上，所述龙门架横跨所述自动旋转光学平台，所述龙门架上设置水平的滑轨，所述滑轨上连接一立式自动旋转台，所述立式自动旋转台上设置被测物；所述探测器、太赫兹波源设于光学实验台上相同或近似位置，形成收发合置的检测系统，所述探测器与所述数据读取装置电连接，所述透镜设置在所述太赫兹波源出射口，所述立式自动旋转台可调节方向。

[0007] 优选地，所述太赫兹波源为频率为3.11THz的CO2抽运的太赫兹波辐射激光器。

[0008] 优选地，所述探测器为焦热电探测器。

[0009] 优选地，所述透镜为聚四氟乙烯透镜；所述龙门架的两侧架上设置有尺寸刻度。

[0010] 优选地，所述自动旋转光学平台由细分步进电机驱动，其精度达到0.005r，转速为20r/S。

[0011] 优选地，所述立式自动旋转台通过一调节机构与所述滑轨连接，并采用涡轮蜗杆机构传动，所述调节机构下部连接立式自动旋转台。

[0012] 为解决上述问题，本发明提供一种高频太赫兹散射测试方法，其包括：在所述立式自动旋转台上连接金属盘，开启电源，太赫兹波源发出光束，出射到透镜变成平行光波后照射到金属盘上，在金属盘上形成光斑，探测器接收金属盘散射出的光信号，入射角θ与散射角β相等，数据读取装置获取探测器的输出电压和频率；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，通过检测金属盘在不同入射角度或不同散射角度时的输出电压值，对比分析太赫兹目标散射特性，并拟合出特性函数。

[0013] 为解决上述问题，本发明提供一种高频太赫兹散射分析方法，其包括：采用指数拟合原理对高频太赫兹散射数据曲线进行拟合，设被拟合的数据源为(pi,qi)i＝1,2...n，拟合函bx数为y＝a e 的形式，令二者的误差平方和 (其中 )最小，利用最小二
乘法，通过做最优化处理，得a与b的值，并得到最终的拟合表达式；其中，y代表通过数据读取单元用所获得焦热电探测器的输出电压(强度),而x则代表散射角。

[0014] 对上述技术方案的进一步改进为，细铝盘拟合函数为y＝0.3412e-0.1073x；粗铝盘拟合函数为y＝0.1909e-0.0927x；细铜盘拟合函数为y＝0.5535e-0.1854x；粗铜盘拟合函数为y＝0.2174e-0.0791x；细钢盘拟合函数为y＝0.3729e-0.1313x。

[0015] 对上述技术方案的进一步改进为，高频太赫兹散射数据曲线拟合总函数为：y＝ke-βx。

[0016] 本发明高频太赫兹散射测试装置以及测试方法，有益效果是：

[0017] 利用输出稳定的CO2抽运的太赫兹波辐射激光器作为太赫兹波源，并配以能够准确提供精确角度的旋转光学平台，并利用收发合置的测试系统，保证入射角度与散射角度相同，测试产生的电压和频率完成对散射的研究，本装置简便、易安装、成本低。测试方法简便易行，数据误差小。利用散射数据完成对散射过程的数学拟合，对其市场运用提供很高的价值。

附图说明

[0018] 附图1为本发明高频太赫兹散射测试装置结构示意图；

[0019] 附图2为本发明高频太赫兹散射测试装置中运动控制器的结构示意图；

[0020] 附图3为本发明高频太赫兹散射测试装置测试的细铝盘散射数据拟合函数曲线；

[0021] 附图4为本发明高频太赫兹散射测试装置测试的粗铝盘散射数据拟合函数曲线；

[0022] 附图5为本发明高频太赫兹散射测试装置测试的细铜盘散射数据拟合函数曲线；

[0023] 附图6为本发明高频太赫兹散射测试装置测试的粗铜盘散射数据拟合函数曲线；

[0024] 附图7为本发明高频太赫兹散射测试装置测试的细钢盘散射数据拟合函数曲线。

[0025] 其中：

[0026] 1、光学实验台 2、自动旋转光学平台 3、龙门架

[0027] 4、运动控制器 5、太赫兹波源 6、透镜

[0028] 7、数据读取装置 8、滑轨 9、立式自动旋转台[0029] 10、探测器 11、电源 12、液晶显示器[0030] 13、操作键盘 15、调节机构 19、金属盘具体实施方式

[0031] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

[0032] 实施例：

[0033] 本发明所述高频太赫兹散射测试装置，如附图1所示，其包括光学实验台1，光学实验台1上设置小型的自动旋转光学平台2、龙门架3、运动控制器4、太赫兹波源5、聚四氟乙烯透镜6、探测器10以及数据读取装置7。光学实验台1上还设置电源11。

[0034] 本实施例使用的太赫兹波源5，为频率为3.11THz的CO2抽运的太赫兹波辐射激光器，探测器10使用焦热电探测器(Pyroelec tric Detector)，最佳调制频率为10-30Hz，可以工作的光谱范围为0.1-10THz，像素尺寸大小为2mm*3mm。数据读取单元7与焦热电探测器10电连接，用来获得焦热电探测器10的电压信号。焦热电探测器10调制频率为10～30Hz，工作光谱范围为0.1～10THz，像素尺寸大小为2mm*3mm。

[0035] 其中，太赫兹波源5与探测器10都设于光学实验台1上，设置的位置相同或相似，保证发出的波束与接收的波束相对于探测目标的法线的夹角相同，即：入射角θ与散射角β相等，形成收发同置的测试系统。聚四氟乙烯透镜6设置在太赫兹波源5的出射方向。

[0036] 龙门架3横跨自动旋转光学平台2，其两侧架在自动旋转光学平台2侧面，两侧架上设置有尺寸刻度，其横杆上设置水平的滑轨8，滑轨8上连接一调节机构15，其采用涡轮蜗杆机构(图中未标出)传动，并可调节上下位置。调节机构15下部连接立式自动旋转台9，被测物金属盘19连接到立式自动旋转台9上。

[0037] 自动旋转光学平台2由细分步进电机驱动，其精度可达到0.005r，转速为20r/S。立式自动旋转台9上连接被测物金属盘，其可调节方向。

[0038] 运动控制器4包括一32位CPU(图中未标出)、液晶显示器12以及操作键盘13，液晶显示器12显示部件的运动情况，操作键盘13可用于手动选择控制部件等。CPU用于控制自动旋转光学平台2及立式自动旋转台9分别360度旋转。运动控制器4可实现定位、直线插补等操作，具有循环跳转及简易PLC等功能。

[0039] 利用上述装置研究金属盘对太赫兹波的散射，分析其散射特性。

[0040] 本实施例太赫兹目标散射特性测试装置测试太赫兹目标散射特性的方法，利用不同粗糙度的铜盘作分析，方法如下：

[0041] 调节室温至22.5℃，湿度30.3％，在立式自动旋转台9上连接一金属盘19，开启电源，太赫兹波源5发出波束，出射到聚四氟乙烯透镜6变成平行光波后照射到金属盘19上，在金属盘上形成半径为5cm左右的光斑，通过运动控制器移动或转动龙门架3，调整金属盘19的法向与入射光法向的夹角，龙门架3侧架上的刻度可助于调整立式自动旋转台9高度，焦热电探测器10接收金属盘19散射出的光信号，数据读取装置7相当于一个锁相放大器，其获取焦热电探测器10的输出电压和频率。

[0042] 本发明通过对细铝盘、粗铝盘、细铜盘、粗铜盘进行了散射试验，其中粗、细两种铜/铝圆盘的表面粗糙度的平均值分别为Rz1＝15.2μm(细),Rz2＝28.6(粗)μm，[0043] 检测两种不同粗糙度的铜/铝盘在不同入射角度/散射角度时的输出电压值，对比分析高频太赫兹目标散射特性。

[0044] 测试结果与分析：

[0045] 表1给出了高频细铝盘在不同角度的散射数据。

[0046] 表1高频细铝盘太赫兹散射实验数据

[0047]

[0048] 表2给出了高频粗铝盘在不同角度的散射数据。

[0049] 表2高频粗铝盘太赫兹散射实验数据

[0050]

[0051] 表3给出了高频细铜盘在不同角度的散射数据。

[0052] 表3高频细铜盘太赫兹散射实验数据

[0053]

[0054] 表4给出了高频粗铜盘在不同角度的散射数据。

[0055] 表4高频粗铜盘太赫兹散射实验数据

[0056]

[0057] 表5给出了高频细钢盘在不同角度的散射数据。

[0058] 表5高频细钢盘太赫兹散射实验数据

[0059]

[0060]

[0061] 表1～5的实验数据显示：一是金属粗糙表面对太赫兹波的散射范围比较有限，当散射角达到18°后几乎无法探测到散射信号；二是使用3.11THz源后的细铝盘、细铜盘、细钢盘散射曲线中没有出现强度强烈振荡的现象,但粗铝盘和粗铜盘都程度不同的出现了一些轻微的振荡现象，说明这种振荡与粗糙表面的粗糙程度有关。比较而言，这种情况下细金属盘的散射规律更接近于朗伯体对红外光的散射规律；三是同一材质的金属板的散射结果反应出来的特性是粗糙度更大的粗糙表面的比粗糙度相对小的粗糙表面散射强度要弱，也就是说细表面的金属盘的散射的峰值功率更强。

[0062] 散射模式的数学分析：在完成散射测试过程中对散射结果的分析过程中总是希望能够获取到目标的散射模式，在已经熟悉的红外散射测量过程中我们知道朗伯体对红外的散射一般遵从朗伯定律(余弦规律)，而在微波散射测量中粗糙金属表面对微波的散射的研究中常利用基尔霍夫近似法,在这种方法中微波的散射一般被认为遵从高斯分布。那么在太赫兹的目标散射中是否也能够寻求到遵从某种规律散射模式呢？通过对实验数据和散射规律进行分析的基础上，可以找到一种比较简单的数学关系式来表述这种散射模式。经过对上述数据进行深入分析后发现散射规律似乎类似于指数形式,因此决定采用指数拟合原理对曲线进行拟合，最终取得了比较好的效果。

[0063] 所谓指数拟合原理是设被拟合的数据源为(pi,qi)i＝1,2...n，拟合函数为y＝a ebx的形式，令二者的误差平方和 (其中 )最小，利用最小二乘法，通过做最优化处理，得a与b的值，并得到最终的拟合表达式。

[0064] 对表1～5的实验数据拟合为函数曲线，对应得到图3～7。拟合函数中y代表通过数据读取单元用所获得焦热电探测器的输出电压(强度),而x则代表散射角。按照上述思路我们分别得到每条曲线的数学表达式。-0.1073x

[0065] 细铝盘拟合函数为y＝0.3412e ，对应图3。-0.0927x

[0066] 粗铝盘拟合函数为y＝0.1909e 对应图4。-0.1854x

[0067] 细铜盘拟合函数为y＝0.5535e 对应图5。-0.0791x

[0068] 粗铜盘拟合函数为y＝0.2174e 对应图6。

[0069] 细钢盘拟合函数为y＝0.3729e-0.1313x对应图7。

[0070] 显然五条曲线都可以用一个指数函数去表达，这种指数函数比起5次多项式的函数关系要方便的多。即：在收发同置的散射中散射模式为散射角度与散射强度(输出电压)之间是一种指数关系，即：

[0071] y＝ke-βx

[0072] 上式中：k与β是两个与粗糙度及入射波的频率有关的系数。

[0073] 总结与分析

[0074] 对上述实验结果进行总结和分析后，得出结论：

[0075] 1、粗糙金属表面对太赫兹波的散射与入射波的频率、目标的材质、表面的粗糙度等多种因素有关。

[0076] 2、收发同置情况下散射范围一般较小，当散射角超过18°后几乎全部衰减为0，而在0到18°范围内散射规律近似成指数关系，其中实验显示在粗、细两种粗糙金属盘的散射中细金属盘的散射结果与指数关系吻合度更高。

[0077] 3、无论是高频还是低频太赫兹波散射曲线都都会显示出强度的振荡，且振荡与粗糙度和太赫兹的频率共同决定,这种振荡现象多少带有微波的散射特性,但伴随着频率的增加振荡呈现出减弱的趋势。

[0078] 4、无论是收发分置还是收发同置的散射结果表明伴随着散射目标表面粗糙度的不同，散射效果不同，在太赫兹领域伴随粗糙度的变大，散射强度变弱，当不同太赫兹源作用在同一散射目标体上,频率高的波源散射范围更大，强度更高。

[0079] 5、指数规律中的k与β是两个与粗糙度及入射波的频率有关的系数，但本文中并没有给出这两个系数与粗糙度及入射波的频率具体函数关系，欲求出这种函数关系需要利用不同频率的太赫兹源和更多不同粗糙度的金属目标进行深入的实验研究。

[0080] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种自动光学检测仪-专利编号CN106767539A	2020-05-13	477
一种自动光学检测系统-专利编号CN105043982A	2020-05-13	1014
一种自动光学检测装置-专利编号CN107561090A	2020-05-13	539
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自动光学检测设备-专利编号CN108375582A	2020-05-12	834
自动光学检测机-专利编号CN107796336A	2020-05-11	279
一种自动光学检测设备-专利编号CN109991243A	2020-05-12	622
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自动光学检测仪-专利编号CN208688970U	2020-05-11	241
自动光学检测仪-专利编号CN202994201U	2020-05-11	863

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