太赫兹成像雷达研究及其在煤矿安全中的应用

发布时间：2017-08-01 13:17

  本文关键词：太赫兹成像雷达研究及其在煤矿安全中的应用

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【摘要】：太赫兹波(THz)是当前电子学和光学中研究的热门学科之一,在整个电磁波谱中介于微波和红外光波之间(波长在0.03-3mm之间)。与微波和毫米波相比,太赫兹波具有波长短、非电离、穿透力高等特点。利用太赫兹短波长和高穿透性能够实现超宽带和高分辨率雷达系统,这使太赫兹雷达能够实现微小目标的探测。近年来,太赫兹在安全检测、无损探伤以及生物医药领域得到了广泛应用。作为在安全检测方向的一个应用,将太赫兹成像技术应用于煤矿领域还从未有人进行过研究。随着煤矿开采力度的日益加大,因煤矿钻探而导致的裂隙水害频繁发生,这直接威胁到了人民群众的生命财产安全,因此找到一种合理的探测煤炭裂隙的方法就显得尤为重要。本文基于以上,对太赫兹成像雷达进行了研究,主要内容和结论包括:1、针对国内外太赫兹雷达发射功率偏低的问题,研制了工作频率为0.11THz的连续波成像雷达。结合太赫兹波在大气窗口中的衰减选择了系统的工作频率,对系统的工作机制进行了比较选择。借助信号噪声网络级联思想,研究了影响连续波成像雷达系统的噪声系数和接收机灵敏度,并介绍了系统稳定度的评价方法。对系统的发射机和接收机结构进行了研究,对系统信号流程进行了分析,从而建立了雷达系统整体结构。对系统主要器件的关键参数进行了分析测试,结果表明雷达能够实现频率0.11THz、功率200m W的连续波输出。2、基于自由空间法测试介电常数基本原理,对山西无烟煤和山东烟煤在75-500GHz的介电特性进行了详细研究。利用矢量网络分析仪结合毫米波倍频模块搭建了自由空间测试系统。测试结果表明煤在75-110GHz内介电常数随频率升高而降低。用介质极化理论解释了煤对太赫兹频率在75-110GHz的依赖性。在140-500GHz测试过程中,利用太赫兹时域光谱系统和自由空间系统进行了比较测试。测试结果表明在140-500GHz,无烟煤和烟煤随频率升高其介电常数变化有明显差异,而且不同频段其变化特点均不一样。3、利用搭建的介电常数测试系统,研究了工作频率0.11THz时,煤样中含水量10%以内对于介电常数和煤反射系数以及透射系数的影响。结果发现煤炭介电常数随含水量增加呈上升趋势;透射系数随煤含水量增加呈现指数型递减规律,反射系数则呈现高斯型分布。4、对三种常见煤裂隙(深度裂隙、平面裂隙和隐藏裂隙)进行了研究。研究了连续波成像方法并搭建了成像平台。在实验室环境下制作了几种煤样裂隙,利用FEKO软件对其进行了电磁波仿真,仿真结果表明反射成像法探测深度裂隙有比较好的效果,透射模式下对三种裂隙都能成像;实测表明在75-110GHz内分辨率能够达到测试3mm煤裂隙的成像效果。5、在连续波成像雷达系统基础上,为了获得成像超分辨率,设计了用于近场成像的W波段波导探针天线。详细仿真了天线材料、电磁波传播模式和天线尺寸对太赫兹波的增强效应。结合仿真结果实际制作了不同尺寸的天线,实测结果表明探针能够在3mm工作波长内实现0.3mm的成像效果。通过对以上内容的研究,本文主要的创新工作在于:首次提出利用太赫兹技术对煤裂隙进行探测的方法,并搭建了太赫兹连续波雷达系统,对系统参数和各功能模块进行了论证,所研制的连续波雷达能够在0.11THz频点上实现200m W的功率输出。对煤炭在太赫兹波段的介电特性进行了研究。结合矢量网络分析仪和毫米波倍频模块搭建了测试系统,得到了无烟煤和烟煤随频率变化的关系,并用介质极化原理对其进行了解释,同时得到了煤样的透射系数和反射系数在测试频段和随频率变化规律,填补了国内外关于煤在太赫兹波段的介电常数测试这一空白。在0.11THz频点上研究了煤中水分含量对于介电常数的影响,通过太赫兹波在煤中的传播规律并结合煤中水存在状态揭示了介电常数随含水量的变化规律。通过研究太赫兹波连续波成像方法和搭建煤炭裂隙二维成像系统,对三种常见裂隙的成像分辨率进行了测试和分析。研制了太赫兹波导探针天线,利用太赫兹连续波成像系统对天线进行了测试,结果表明成像分辨率能够突破十分之一波长,为太赫兹波在非光学近场成像方面提供了参考。
【关键词】：太赫兹 成像 雷达 自由空间法 煤炭 介电特性 天线 分辨率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD76
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 研究背景与意义12-14
• 1.2 太赫兹波简介14-19
• 1.2.1 太赫兹波的产生15-18
• 1.2.2 太赫兹波的探测18-19
• 1.3 太赫兹成像雷达研究现状19-24
• 1.3.1 太赫兹雷达国外发展现状20-23
• 1.3.2 太赫兹雷达国内发展现状23-24
• 1.4 本文的主要研究内容安排24-26
• 第2章 太赫兹成像雷达系统设计26-45
• 2.1 引言26
• 2.2 太赫兹成像雷达系统参数26-30
• 2.2.1 太赫兹雷达工作频率26-27
• 2.2.2 太赫兹雷达信号体制27-28
• 2.2.3 太赫兹雷达的发射功率和天线增益28
• 2.2.4 系统的工作稳定度28-29
• 2.2.5 系统的噪声系数和接收机灵敏度29-30
• 2.3 太赫兹成像雷达系统设计30-42
• 2.3.1 系统结构分析30-32
• 2.3.2 太赫兹成像雷达发射机结构32
• 2.3.3 太赫兹成像雷达接收机结构32-33
• 2.3.4 太赫兹雷达系统结构33-34
• 2.3.5 系统关键器件的选择34-39
• 2.3.6 系统功率和相位噪声估算39-40
• 2.3.7 系统搭建和关键技术指标测试40-42
• 2.4 太赫兹雷达成像方法42-44
• 2.5 本章总结44-45
• 第3章 煤炭在太赫兹波段的介电性能研究45-88
• 3.1 引言45-46
• 3.2 介电常数的物理意义和测量方法46-56
• 3.2.1 介电常数物理意义46-47
• 3.2.2 介电常数测量方法47-50
• 3.2.3 自由空间法测量原理50-54
• 3.2.4 介电常数的超宽带测量方法54-56
• 3.3 介电常数测试系统的搭建56-71
• 3.3.1 矢量网络分析仪搭建系统57-58
• 3.3.2 矢网扩频系统测试原理58-60
• 3.3.3 矢量网络分析仪校准方法60-66
• 3.3.4 THz-TDS测试系统66-67
• 3.3.5 煤样品的制备和实验过程67-71
• 3.4 太赫兹波段煤的介电常数71-87
• 3.4.1 W波段煤介电常数72-77
• 3.4.2 水分对煤介电常数的影响77-82
• 3.4.3 140-500GHz煤的介电常数82-87
• 3.5 本章小结87-88
• 第4章 太赫兹煤层裂隙检测及成像方法88-107
• 4.1 引言88
• 4.2 成像方法及系统搭建88-101
• 4.2.1 连续波成像方法88-89
• 4.2.2 成像系统搭建89-91
• 4.2.3 准直透镜设计91-96
• 4.2.4 系统成像分辨率标定96-101
• 4.3 煤炭裂隙成像结果101-105
• 4.3.1 样品选取101-102
• 4.3.2 煤裂隙探测的仿真102-103
• 4.3.3 煤裂隙成像结果103-105
• 4.4 本章小结105-107
• 第5章 太赫兹波导探针天线研制107-121
• 5.1 引言107
• 5.2 场区的划分及近场成像的定义107-109
• 5.3 探针天线设计109-116
• 5.3.1 探针天线结构设计109-110
• 5.3.2 探针天线的仿真110-114
• 5.3.3 探针天线的制作和测试114-116
• 5.4 探针天线分辨率测试116-120
• 5.5 本章小结120-121
• 第6章 结论与展望121-124
• 6.1 全文总结121-122
• 6.2 本文创新点122-123
• 6.3 工作展望123-124
• 参考文献124-130
• 攻读博士学位期间取得的研究成果130-131
• 致谢131

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