基于光子学的太赫兹线性调频脉冲产生

发布时间：2020-05-18 07:34

【摘要】：太赫兹(Terahertz,THz)是指频率介于0.1-10THz之间的的电磁波,具有高载频、大可操作带宽、高穿透性、频谱指纹等特性,在高速无线通信、太赫兹谱学、成像、雷达等领域都具有潜在应用。其中太赫兹雷达充分应用了太赫兹波特性,近年来受到科研界和工业界的广泛关注和研究。相比于微波/毫米波雷达,太赫兹雷达具有更大的带宽,可实现更高的距离分辨率,并且可以穿透烟尘等,更适合战场环境。当前,许多太赫兹雷达已经被提出和实现,通常是基于昂贵和复杂的电子倍频器和任意波形发生器,因而受限于电子器件的性能限制。光子学的方法则可以简单地在光域处理大带宽信号,并映射到太赫兹域,从而可以突破电子带宽瓶颈。为了弥补太赫兹光子雷达系统这一空白,我们将微波光子学产生线性调频脉冲的思路移植到太赫兹频域,提出基于光子学产生大时间带宽积太赫兹线性调频信号的研究课题。本论文首先详细介绍了太赫兹光子学频率-时间映射原理,从强度映射和相位映射的角度分析了产生啁啾信号的理论。然后基于上述理论分析,进行了相应的实验验证。从实验中,推断出强度映射的方案不适合产生太赫兹啁啾信号。从而提出基于非平衡色散光学干涉仪映射相位信息的太赫兹啁啾信号产生系统方案,最终实现了带宽高达62GHz,时间带宽积高达527的太赫兹线性调频脉冲信号,其理论距离分辨率有望达到5.7mm。这是据我们所知,首次通过光子学方法实验产生350GHz频段的线性调频脉冲。本论文还进行了初步的太赫兹定位实验,分析通过光子学产生的啁啾信号的定位能力。而且,针对太赫兹应用场景,提出了双频段频分复用啁啾信号产生系统,实验实现了双频段带宽20GHz以上的信号产生。本论文工作以期为脉冲压缩雷达的研究提供基于太赫兹光子学的新思路和技术。
【图文】：

频谱,高速通信系统,波段,太赫兹

通过太赫兹频段的光电探测器（ＰＤ）外差混频光信号得到太赫兹信号，这逡逑种方法具有更灵活的调制方式，更大的可操作带宽等优点，也有着发射功率较低，逡逑稳定性，相干性等挑战。图１．１展示了近些年来国内外太赫兹无线通信的一些成逡逑果（截至２０１６年），可以看到载频趋向于３００邋ＧＨｚ以上，而数据速率也趋向于逡逑几十Ｇｂｉｔ／ｓ至１００邋Ｇｂｉｔ／ｓ以上。并且所用器件也从全电子趋向于光电的器件。逡逑１００邋＾逡逑0邋？逦＊■逦＊邋？．逡逑Ｂ邋１逦■逦７逦…＿逡逑Ｓ逦＼逦４逦黎．逡逑＼逦．＊＊＇＊逦S脹o逡逑＃邋Ｖ逡逑１００逦２００逦３００邋４００邋５００邋６００７００逡逑Ｃａｒｒｉｅｒ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（ＧＨｚ）逡逑图１．１当前国内外一些１００ＧＨｚ至７００ＧＨｚ波段高速通信系统成果（截至２０１６年）［２８】逡逑太赫兹波可应用于太赫兹时域谱学（ＴＨｚ－ＴＤＳ）邋［１，６』。由于太赫兹频段频率逡逑较高，波长较短（０．０３－３邋ｍｍ），大分子结构易受其影响从而产生振动，即不同分逡逑子结构，如水分子等，在太赫兹频段有其独特的频谱特性，也称之为频谱指纹，逡逑因此可以通过谱学分析来进行物质的鉴定和分析。常见的ＴＨｚ－ＴＤＳ系统如图逡逑１．２所示，其主要器件包括了飞秒脉冲激光器和光电导天线（ＰＣＡ）等，通过光逡逑电导天线可以产生宽带的太赫兹脉冲，接收并分析脉冲的透射信号，即可得到样逡逑品的频谱特性

示意图,太赫兹,飞秒激光器,发射接收

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．３太赫兹脉冲成像原理示意图（ａ）透射方式；（ｂ）反射方式［３１］逡逑太赫兹雷达可以作为毫米波雷达的扩展。雷达（Ｒａｄｉｏ邋ｄｅｔｅｃｔ邋ａｎｄ邋ｒａｎｇｉｎｇ，Ｒａｄａｒ邋）逡逑通过辐射并接收电磁波，对反射性目标物体进行检测和定位，在民用和军事上都逡逑有广泛的应用，例如环境遥感（气象观测雷徸）、空中交通管制（机场监视雷徸、逡逑机场成像雷达）、测速雷达以及军事领域进行海陆空监测防御［３２］。通常雷徸信号逡逑会采用调制的信号，通过对电磁波进行调制，提高带宽，从而提高分辨率，，如线逡逑４逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441

【参考文献】