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CN104819952A - 一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统 - Google Patents

一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统 Download PDF

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CN104819952A CN201510183036.2A CN201510183036A CN104819952A CN 104819952 A CN104819952 A CN 104819952A CN 201510183036 A CN201510183036 A CN 201510183036A CN 104819952 A CN104819952 A CN 104819952A
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吴秋宇
林长星
成彬彬
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Abstract

本发明公开了一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统，采用正交模式变换器对所接收的正交信号进行采集，同时利用校准算法将正交模式变换器的交叉极化、正交接收两路信号的幅度相位不一致进行校准；经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的幅度和相位，从而得出待测材料对于所测量的太赫波的极化特性；本发明在很大程度上消除影响，大大的提高了测量的精度与动态范围。

Description

一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统
技术领域
本发明涉及太赫兹技术，特别是一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统。
技术背景
目前用于测量材料在太赫兹波段极化特性所采用的方法是在接收端使用检波方式，发射端发射具有线极化的高斯波束模式实现，其组成如图1-2 所示。
采用检波方式实现存在几个缺点：一是检波器只能获得太赫兹波的幅度信息，而相应的相位信息将丢失，这样只能计算出太赫兹波通过材料的极化旋转特性，而不能测量它对不同偏振的相位响应特性；二是检波器的噪声较高，灵敏度差，不能用于测量极化损失小或者吸收损耗大的材料；三是测量精度不高，由于此种方案的校准方法简单，不能精确较准由于水平（V）、垂直（H）两路不一致所导致的测量误差，致使测量精度差。
发明内容
本发明提出一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法和系统，采用正交模式变换器将接收到的正交信号进行分离，并利用超外差技术检测接收的正交信号幅度与相位；与传统的方法不同的是，本发明采用正交采样的方式对所接收的信号进行采集，同时利用校准算法将正交模式变换器的交叉极化、正交接收两路信号的幅度相位不一致进行校准，从而在很大程度上消除它们的影响，大大的提高了测量的精度与动态范围。
本发明的技术方案如下：
一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法，其特征在于步骤如下：
采用正交采样的方式对所接收的正交信号进行采集，同时利用校准算法将正交模式变换器（OMT）的交叉极化、正交接收两路信号的幅度相位不一致进行校准；经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的幅度和相位，从而得出待测材料对于所测量的太赫波的极化特性。
上述方法中涉及的校准算法具体如下：
假定垂直极化通道（V通道）接收的信号为                                               ，水平极化通道（H通道）接收的信号为，它们的表达式为式（1）所示：
                 （1）
式中Av、AH表示幅度， v、 H表示相位，表示垂直（V）、水平（H）通道不平衡导致的幅度差，表示V、H通道的相差，表示H通道泄露到V通道的信号强度，表示V通道泄露到H通道的信号强度，表示V通道泄露到H通道的信号的相位，表示V通道与H通道泄露信号的相位。
需要的分量为和，通过校准的方式获得其余的参数，并通过数学计算的方法将其余的参数的影响消除。
发射端采用线极化的高斯波束，在未加入被测材料的情况下，校准过程如下：
①发射端发射垂直极化信号，接收端的水平有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的水平信号即为垂直到水平泄露：
                           （2）
②发射端发射水平极化的信号，接收端的垂直有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的垂直信号即为水平到垂直泄露：
                              （3）
③发射端发射45°极化的信号，即应有
        =                 （4）
假定此时接收机接收到的信号分别为、，那么有
                  （5）
联立（2）、（3）、（4）、（5）式解出（1）式中的未知参数；
经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的、、、，从而可以计算出材料对于所测量的太赫波的极化特性。
用于上述方法的用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，其特征在于：整体由发射端和接收端组成，接收端包括正交信号接收单元、V信号检测单元、H信号检测单元、本振倍频链和信号处理单元，正交信号接收单元采用正交模式变换器将信号分为V信号与H信号，然后采用超外差形式对V信号、H信号进行检测，本振倍频链的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元，V信号检测单元的输出端和H信号检测单元的输出端均连接至信号处理单元。
所述本振倍频链包括本振源、若干个倍频器和功分器，若干个倍频器依次串联，本振源的输出端连接至串联的倍频器的输入端，串联的倍频器的输入端的输出端连接至功分器，功分器的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元。
所述V信号检测单元包括谐波混频器一、低噪放模块一、滤波器一和衰减器一，谐波混频器一的输出端连接至低噪放模块一，低噪放模块一的输出端连接至滤波器一，滤波器一的输出端连接至衰减器一，衰减器一的输出端连接至信号处理单元；所述正交模式变换器的输出端和功分器的输出端均连接至V信号检测单元的谐波混频器一。
所述H信号检测单元包括谐波混频器二、低噪放模块二、滤波器二和衰减器二，谐波混频器二的输出端连接至低噪放模块二，低噪放模块二的输出端连接至滤波器二，滤波器二的输出端连接至衰减器二，衰减器二的输出端连接至信号处理单元；所述正交模式变换器的输出端和功分器的输出端均连接至H信号检测单元的谐波混频器二。
本发明的有益效果如下：
1.本发明使用超外差接收方式，可提高系统灵敏度和测量动态范围；
2.保留太赫兹信号的相位信息，能更好获得材料特性，无信息丢失。
3.利用正交采样的方法对系统进行校准，提高测量精度。
附图说明
图1为传统的发射端的示意图；
图2为传统的接收端的示意图；
图3为本发明的发射端的示意图；
图4为本发明的接收端的示意图；
图5为本发明的校准时的示意图。
具体实施方式
一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法，其具体步骤如下：
假定垂直极化通道接收的信号为，水平极化通道接收的信号为，它们的表达式为式（1）所示：
                 （1）
式中Av、AH表示幅度， v、 H表示相位，表示垂直（V）、水平（H）通道不平衡导致的幅度差，表示V、H通道的相差，表示H通道泄露到V通道的信号强度，表示V通道泄露到H通道的信号强度，表示V通道泄露到H通道的信号的相位，表示V通道与H通道泄露信号的相位。
需要的分量为和，通过校准的方式获得参数。
用于上述方法的用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，如图3-4所示，包括发射端和接收端，接收端包括正交信号接收单元、V信号检测单元、H信号检测单元、本振倍频链和信号处理单元，正交信号接受单元设置有正交模式变换器，正交模式变换器的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元，本振倍频链的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元，V信号检测单元的输出端和H信号检测单元的输出端均连接至信号处理单元。
所述本振倍频链包括本振源、若干个倍频器和功分器，若干个倍频器依次串联，本振源的输出端连接至串联的倍频器的输入端，串联的倍频器的输入端的输出端连接至功分器，功分器的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元。
所述V信号检测单元和H信号检测单元的结构相同，均包括谐波混频器、低噪放模块、滤波器和衰减器，依次的连接方式也一致，都是谐波混频器的输出端连接至低噪放模块，低噪放模块的输出端连接至滤波器，滤波器的输出端连接至衰减器，衰减器的输出端连接至信号处理单元。
针对上述结构的V信号检测单元和H信号检测单元，正交模式变换器的输出端和功分器的输出端均连接至V信号检测单元的谐波混频器和H信号检测单元的谐波混频器。
发射端采用线极化的高斯波束，在未加入被测材料的情况下，校准过程如下：
①发射端发射垂直极化信号，接收端的水平有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的水平信号即为垂直到水平泄露：
                           （2）
②发射端发射水平极化的信号，接收端的垂直有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的垂直信号即为水平到垂直泄露：
                              （3）
③发射端发射45°极化的信号，即应有
        =                 （4）
假定此时接收机接收到的信号分别为、，那么有
                  （5）
联立（2）、（3）、（4）、（5）式解出（1）式中的未知参数；
经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的、、、，从而可以计算出材料对于所测量的太赫波的极化特性。
本发明可以将测量精度提高至30dB～40dB，发射端采用线极化高斯波束，而接收端则采用上述正交接收。

Claims (7)

1.一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法，其特征在于步骤如下：采用正交采样的方式对所接收的正交信号进行采集，同时利用校准算法将正交模式变换器的交叉极化、正交接收两路信号的幅度相位不一致进行校准；经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的幅度和相位，从而得出待测材料对于所测量的太赫波的极化特性。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法，其特征在于：采集到的信号包括垂直极化通道即V通道接收的信号为                                               ，水平极化通道即H通道接收的信号为，和的表达式为式（1）所示：
         （1）
式中Av、AH表示幅度， v、 H表示相位，表示V通道、H通道不平衡导致的幅度差，表示V、H通道的相差，表示H通道泄露到V通道的信号强度，表示V通道泄露到H通道的信号强度，表示V通道与H通道泄露信号的相位。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的方法，其特征在于所述校准算法具体如下：
发射端采用线极化的高斯波束，在未加入被测材料的情况下，校准过程如下：
①发射端发射垂直极化信号，接收端的水平有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的水平信号即为垂直到水平泄露：
                   （2）
②发射端发射水平极化的信号，接收端的垂直有用信号为0，代入式（1），得此时接收机接收的垂直信号即为水平到垂直泄露：
                      （3）
③发射端发射45°极化的信号，即应有
=                 （4）
假定此时接收机接收到的信号分别为、，那么有
          （5）
联立（2）、（3）、（4）、（5）式解出（1）式中的未知参数；
经过校准后，在测量待测材料时，根据校准后的参数计算出经过待测材量后的、、、，从而可以计算出材料对于所测量的太赫波的极化特性。
4.适用于权利要求1所述方法的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，其特征在于：整体由发射端和接收端组成，接收端包括正交信号接收单元、V信号检测单元、H信号检测单元、本振倍频链和信号处理单元，正交信号接收单元采用正交模式变换器将信号分为V信号与H信号，然后采用超外差形式对V信号、H信号进行检测，本振倍频链的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元，V信号检测单元的输出端和H信号检测单元的输出端均连接至信号处理单元。
5.根据权利要求4所述的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，其特征在于：所述本振倍频链包括本振源、若干个倍频器和功分器，若干个倍频器依次串联，本振源的输出端连接至串联的倍频器的输入端，串联的倍频器的输入端的输出端连接至功分器，功分器的输出端分别连接至V信号检测单元和H信号检测单元。
6.根据权利要求5所述的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，其特征在于：所述V信号检测单元包括谐波混频器一、低噪放模块一、滤波器一和衰减器一，谐波混频器一的输出端连接至低噪放模块一，低噪放模块一的输出端连接至滤波器一，滤波器一的输出端连接至衰减器一，衰减器一的输出端连接至信号处理单元；所述正交模式变换器的输出端和功分器的输出端均连接至V信号检测单元的谐波混频器一。
7.根据权利要求5所述的一种用于测量材料在太赫兹波段极化特性的系统，其特征在于：所述H信号检测单元包括谐波混频器二、低噪放模块二、滤波器二和衰减器二，谐波混频器二的输出端连接至低噪放模块二，低噪放模块二的输出端连接至滤波器二，滤波器二的输出端连接至衰减器二，衰减器二的输出端连接至信号处理单元；所述正交模式变换器的输出端和功分器的输出端均连接至H信号检测单元的谐波混频器二。
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