具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置及测量方法与流程
本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置及测量方法。
背景技术
太赫兹波段位于红外和微波之间，太赫兹技术是国际上重点研究的交叉性前沿技术。太赫兹技术在隐蔽物识别、通信、深空探测、材料检测、爆炸物探测等领域有着广泛的应用前景。
太赫兹成像及通信系统均需要太赫兹抛物面反射镜或太赫兹透镜等光学元件。在设计太赫兹光学系统时需要知道准确的太赫兹源发散角参数。太赫兹源发散角实际值和设计值不匹配会导致太赫兹系统接收到的辐射能量出现偏差，进而降低太赫兹信号的信噪比和灵敏度，因此需要对各种太赫兹源的发散角参数进行准确测量。
目前太赫兹源有十几种，其光束口径和发散角存在很大差异，均需要进行发散角测试，以满足太赫兹成像系统研制对准确的发散角值要求。太赫兹光束质量的好坏是影响太赫兹成像、通信系统性能的关键因素，而太赫兹源发散角参数是太赫兹光束的重要参数。太赫兹源主要包括：太赫兹自由电子激光器、太赫兹量子级联激光器、太赫兹气体激光器、太赫兹黑体、折叠波导行波管、肖特基放大倍频太赫兹源、返波管、太赫兹参量振荡器、耿氏振荡器、光电导脉冲太赫兹源等。如太赫兹激光器采用双面波导时向整个空间发射，采用单面波导时水平方向发散角为(10°～20°)，竖直方向发散角为(20°～30°)。光电导天线源加上不同参数的硅半球透镜后输出的发散角小于20°。
目前，尚未有太赫兹源发散角校准方法方面的技术公开。相近领域中，毫米波源发散角测试设备包括旋转台，旋转台上放置功率计；测量时旋转功率计得到不同角度对应的功率值，经过数据处理得到待测毫米波源的发散角值；激光束散角采用可变光阑法、平行平晶干涉法、光圈法和焦斑法等方法测量。但是在太赫兹波段，太赫兹波束相比于微波波束更窄，红外杂散背景辐射对测量干扰很大，需要一种准确的太赫兹源发散角校准方法，为各种太赫兹源的研制、太赫兹成像和通信应用提供量值计量保障。
申请人参照相近领域的发散角测量方法，对太赫兹发散角的测量进行了初步研究，总结出了太赫兹探测器转动测量法、太赫兹源转动测量法和太赫兹面阵相机测量方法三种方法。但经过分析和大量试验发现，这三种方法存在着角度测量重复差，转动过程中空回导致的角度定位精度低。且这三种方法的测量装置中均没有发散角自校准模块，没有对导轨的角度进行标定，同时不具备发散角自校准功能，导致发散角测量精度低，准确性差。
太赫兹探测器转动测量法：待测的太赫兹源不动，放置在x方向平面，太赫兹探测器绕太赫兹源出光面中心，在圆弧方向移动，测量出转动位置对应的太赫兹相对辐射强度值，直至探测器无响应为止，得到在x方向平面的发散角值。再将太赫兹源旋转放置在y方向平面，按同样方法得到太赫兹源在y方向的发散角。
太赫兹源转动测量法：太赫兹探测器固定不动，待测的太赫兹源，在x方向平面，绕太赫兹探测器在以太赫兹探测器为中心的圆弧方向移动，测量对应的太赫兹相对辐射强度值，直至探测器无响应为止，得到在x方向平面的发散角值。再将太赫兹探测器旋转放置在y方向平面，按同样方法得到太赫兹源在y方向的发散角。
上述两种方法在转动过程中转动角度值通过圆弧方向的弧形导轨示值读数得到，没有进行准确标定，降低了发散角测量准确度。同时无法实现发散角的自校准。
太赫兹面阵相机测量方法：将待测太赫兹源和太赫兹面阵相机固定，太赫兹源发出太赫兹辐射被太赫兹面阵相机接收，得到太赫兹光斑照射图像，根据相机上各个像素点转换的太赫兹辐射强度值，由半高宽计算出太赫兹波段发散角。这要求太赫兹面阵相机太赫兹辐射强度响应线性度好，光谱响应均匀性号。但目前太赫兹相机对(0.1～10)thz宽波段，在各个波长处响应不一致，这降低了不同波长的太赫兹源的发散角测量精度。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置及测量方法，将弧形导轨二维扫描、角规标定和太赫兹发散角标准源校准相结合，实现太赫兹源发散角的测量。本发明具有发散角自校准功能，通过太赫兹发散角标准源和待测太赫兹源在同一位置测量，将发散角标准值和待测值进行比较，实现太赫兹发散角的自校准；另外本发明通过采用太赫兹探测器转动测量，相比于源绕探测器旋转的发散角测量方案，避免了多种太赫兹源互换过程中带来的角度定位误差，提高发散角测量精度。
本发明的技术方案为：
所述一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置，其特征在于：包括太赫兹发散角标准源、太赫兹发散角标定模块、圆弧导轨刻度系统、太赫兹信号探测和处理系统、太赫兹源发散角测量数据处理计算机、待测太赫兹源和氮气屏蔽罩；太赫兹发散角标准源、太赫兹发散角标定模块、圆弧导轨刻度系统、太赫兹信号探测和处理系统和待测太赫兹源处于氮气屏蔽罩内；太赫兹发散角标准源的发散角大于待测太赫兹源的发散角；
所述圆弧导轨刻度系统包括圆弧标尺、圆弧导轨、定位圆弧、游标和接板；圆弧标尺、圆弧导轨和定位圆弧为同圆心且半径不同；所述游标安装在圆弧标尺上，所述接板安装在圆弧标尺、圆弧导轨和定位圆弧上，且能够沿圆弧导轨滑动；太赫兹发散角标准源和待测太赫兹源能够位于圆弧导轨的圆心处；
所述太赫兹发散角标定模块包括平行光管、光学角规、ccd相机；所述ccd相机能够安装在圆弧导轨刻度系统的接板上；ccd相机能够直接利用平行光管出射的平行光进行对准，也能够利用平行光管发出的、经过光学角规偏折后的平行光进行对准；所述光学角规能够位于圆弧导轨的圆心处；
所述太赫兹信号探测和处理系统包括太赫兹探测器、狭缝、斩波器和锁相放大器；狭缝放置于太赫兹探测器前，且狭缝中心与探测器探测面中心对齐；斩波器放置于狭缝前，将太赫兹辐射调制成周期性变化的方波，并给锁相放大器提供斩波信号同步的电平脉冲；锁相放大器接收太赫兹探测器的太赫兹信号并输出至太赫兹源发散角测量数据处理计算机；
所述太赫兹源发散角测量数据处理计算机包括系统控制模块和太赫兹发散角参数计算模块；系统控制模块根据待测太赫兹源的辐射强度选择不同的狭缝宽度，并控制斩波器频率，以及锁相放大器的时间常数和相位；太赫兹发散角参数计算模块接收锁相放大器输出的电压信号，计算输出发散角值，并显示和保存计算结果。
进一步的优选方案，所述一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置，其特征在于：所述圆弧导轨采用三段拼接方式，组合成180°，每段角度均为60°。
进一步的优选方案，所述一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置，其特征在于：圆弧标尺的刻线刻划在圆弧标尺的外端面上，游标的刻线刻划在游标的外端面上。
进一步的优选方案，所述一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置，其特征在于：太赫兹探测器内部带有光锥。
进一步的优选方案，所述一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置，其特征在于：狭缝为宽度可调狭缝，根据待测太赫兹源功率选择不同的狭缝宽度。
利用上述装置进行太赫兹源发散角测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用太赫兹发散角标定模块对圆弧导轨刻度系统进行检测和标定校准：
步骤1.1：将ccd相机放置在接板上，移动平行光管，使平行光管发出的准直光束照射到ccd相机的中心，ccd相机的电十字瞄准平行光管十字线；
步骤1.2：保持平行光管不动，将光学角规放置在平行光管出光口，且光学角规位于圆弧导轨的圆心处，平行光管出射的光束经过光学角规后产生偏折；在圆弧导轨上移动接板，使ccd相机电十字再次瞄准平行光管十字线；
步骤1.3：由圆弧标尺读出接板移动的角度值，将该角度值与光学角规的标准偏转值进行比较，得到接板移动经过的圆弧导轨的标尺角度偏差值，若标尺角度偏差值不大于设定阈值，则表示该段圆弧导轨的标尺符合要求；
步骤1.4：重复步骤1.1～1.3，对选取的若干段圆弧导轨的标尺进行检测，若都符合要求，则进入步骤1.5，否则重新选定并安装圆弧导轨刻度系统；
步骤1.5：把圆弧导轨分成若干区间，分区间进行标定，得到圆弧导轨上各个区间的发散角修正系数：
步骤1.5.1：将圆弧导轨刻度系统的刻度范围划分为若干区间，每个区间的刻度范围为2θ，其中太赫兹发散角标准源的发散角标准值为±θ；
步骤1.5.2：对每个区间使用太赫兹发散角标准源分别进行标定：
将太赫兹探测器放置在接板上，接板处于待标定的区间一端；将太赫兹发散角标准源放置在圆弧导轨的圆心处，且通过观测太赫兹探测器的响应输出，控制太赫兹发散角标准源指向，使太赫兹探测器位置对应太赫兹发散角标准源的发散角一端；将接板向待标定的区间另一端方向移动，直至太赫兹探测器的响应输出再次为零，通过圆弧标尺得到接板的移动角度，该移动角度与2θ的差值为该区间的发散角修正系数；
步骤2：采用太赫兹发散角测量装置对待测太赫兹源的发散角参数进行测量：
步骤2.1：将待测太赫兹源放置在圆弧导轨的圆心处；根据待测太赫兹源功率选择狭缝宽度，并将斩波器调整至对应功率；
步骤2.2：将太赫兹探测器放置在接板上，移动接板使太赫兹探测器的响应输出从有响应变为零为止，记录此时的圆弧标尺的角度值α1；再向相反方向移动接板使太赫兹探测器的响应输出从零至最大，再变为零为止，记录此时圆弧标尺的角度值α2；
步骤2.3：根据公式2ω＝|α1-α2|+α0得到待测太赫兹源的发散角±ω，其中α0为圆弧导轨对应区间的发散角修正系数。
有益效果
本发明的有益效果体现在以下方面:
本发明提供了一种具备自校准功能的太赫兹源发散角测量装置及方法，采用带有发散角自校准模块的太赫兹探测器转动测量方式，将弧形导轨二维扫描、角规标定和太赫兹发散角标准源校准相结合，实现太赫兹源发散角的测量。该装置由圆弧导轨刻度系统、探测系统、太赫兹发散角标定模块、太赫兹发散角标准源和计算机系统组合组成了太赫兹源发散角测量装置，提高了太赫兹发散角测量准确度。该发散角测量方法相比于源绕探测器旋转的发散角测量方案，避免了三种辐射源互换过程中带来的角度定位误差，提高发散角测量精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明太赫兹源发散角测量装置组成示意图。
图2是本发明标尺和游标局部立体图。
图3是弧形导轨角度标定原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，太赫兹源发散角测量装置的优选实例包括：太赫兹发散角标定模块1、太赫兹发散角标准源2、圆弧导轨刻度系统3、太赫兹信号探测和处理系统4、装有太赫兹源发散角测量数据处理软件包的计算机5、待测太赫兹源6和氮气屏蔽罩7。太赫兹源发散角测量装置用于测量待测太赫兹源6的太赫兹波段发散角参数。测量时待测太赫兹源6位于圆弧导轨刻度系统3中圆弧导轨3-2的圆心处。
太赫兹源发散角测量装置具有发散角自校准功能，该功能通过太赫兹发散角标定模块1和太赫兹发散角标准源2实现。太赫兹发散角标定模块1和太赫兹发散角标准源2用于对该发明装置进行发散角的标定和校准，得到本发明装置的太赫兹发散角测量修正系数。其中，太赫兹发散角标准源2在太赫兹波段具有发散角标准值；自校准太赫兹发散角标准源2放置于圆弧导轨刻度系统3中圆弧导轨3-2的圆心处，发出的太赫兹辐射被太赫兹探测系统接收，得到太赫兹发散角标准源2发散角的测量值。将该测量值与标准值进行比较，得到太赫兹发散角测量修正系数。
太赫兹发散角标定模块1包括平行光管1-1、光学角规1-2、ccd相机1-3。平行光管1-1可发出可见光波段的平行光，提供十字目标照射到光学角规上。光学角规1-2用于标定弧形导轨角度，选用一等标准光学角规，通光口径为φ65mm，偏向角为10′，偏向角允差为±3″，角度测量不确定度：0.1″(k＝2)。光学角规1-2光束偏转且偏转角度一定，位于圆弧导轨刻度系统3中圆弧导轨的圆心处，是高精度小角度计量和传递的标准器具。ccd相机1-3用于接收平行光管1-1的无穷远十字目标，其分辨率1928×1448，帧率26fps，像素尺寸3.69μm，曝光时间0.03ms～4s。
所述圆弧导轨刻度系统3包含圆弧标尺3-1、圆弧导轨3-2、定位圆弧3-3、游标3-4和接板3-5。圆弧标尺3-1、圆弧导轨3-2和定位圆弧3-3为同圆心且半径不同。可根据太赫兹源的辐射强度和探测器的灵敏度分析计算，选择对应的圆弧标尺3-1的半径值。
本优选实施例中圆弧标尺3-1外径为343.47mm；圆弧导轨3-2的半径为400mm，圆弧长度大于840mm；定位圆弧3-3的半径为450mm。圆弧导轨采用三段拼接方式，组合成180°，每段角度均为60°。圆弧标尺的刻线刻划在圆弧标尺的外端面上，游标的刻线刻划在游标的外端面上。接板固定于圆弧导轨上，可用于放置ccd相机2-3和太赫兹信号探测和处理系统4。
所述太赫兹信号探测和处理系统4包括太赫兹探测器4-1、狭缝4-2、斩波器4-3和锁相放大器4-4。太赫兹探测器可选用在(0.1～10)thz频段，具有宽光谱均匀响应的探测器，如bolometer太赫兹探测器和golay太赫兹探测器。
本优选实施例，太赫兹探测器4-1选用太赫兹探测器4-1，其内部带有光锥，光锥的极限入射角为12°。俄罗斯tydex公司生产的太赫兹探测器4-1的技术指标为：响应度为1.0×105v/w(15hz)，探测口径：5mm，光谱范围覆盖：(0.1～10)thz，噪声等效功率
计算机5装有测量数据处理软件包，包括系统控制模块和太赫兹发散角参数计算模块。系统控制模块的功能是根据太赫兹源辐射强度的不同、发散角的大小选择不同的狭缝宽度，并控制改变斩波器4-3频率、锁相放大器4-2时间常数、相位等参数。太赫兹发散角参数计算模块主要是接收锁相放大器输出的电压信号，计算输出发散角值，并显示和保存计算结果。
太赫兹源发散角测量方法包含两个步骤，即：太赫兹发散角标定模块1和太赫兹发散角标准源2对太赫兹发散角测量装置进行自校准和太赫兹发散角测量装置待测太赫兹源的发散角参数进行测量。
步骤1：采用太赫兹发散角标定模块1对圆弧导轨刻度系统进行检测和标定校准：
步骤1.1：将ccd相机1-3放置在接板上，移动平行光管1-1，使平行光管1-1发出的准直光束照射到ccd相机1-3的中心，ccd相机1-3的电十字瞄准平行光管1-1十字线；
步骤1.2：保持平行光管1-1不动，将光学角规1-2放置在平行光管出光口，且光学角规1-2位于圆弧导轨3-2的圆心处，平行光管1-1出射的光束经过光学角规1-2后产生偏折；在圆弧导轨3-2上移动接板3-5，使ccd相机1-3的电十字再次瞄准平行光管1-1十字线；
步骤1.3：由圆弧标尺3-1读出接板3-5移动的角度值，将该角度值与光学角规1-2的标准偏转值进行比较，得到接板3-5移动经过的圆弧导轨3-2的标尺角度偏差值，若标尺角度偏差值不大于设定阈值，则表示该段圆弧导轨的标尺符合要求；
步骤1.4：重复步骤1.1～1.3，对选取的若干段圆弧导轨的标尺进行检测，若都符合要求，则进入步骤1.5，否则重新选定并安装圆弧导轨刻度系统；
步骤1.5：把圆弧导轨3-2分成若干区间，分区间进行标定，得到圆弧导轨3-2上各个区间的发散角修正系数：
步骤1.5.1：将圆弧导轨刻度系统的刻度范围划分为若干区间，每个区间的刻度范围为2θ，其中太赫兹发散角标准源的发散角标准值为±θ；
步骤1.5.2：对每个区间使用太赫兹发散角标准源分别进行标定：
将太赫兹探测器4-1放置在接板3-5上，接板3-5处于待标定的区间一端；将太赫兹发散角标准源2放置在圆弧导轨3-2的圆心处，且通过观测太赫兹探测器4-1的响应输出，控制太赫兹发散角标准源2指向，使太赫兹探测器4-1位置对应太赫兹发散角标准源2的发散角一端；将接板3-5向待标定的区间另一端方向移动，直至太赫兹探测器4-1的响应输出再次为零，通过圆弧标尺3-1得到接板3-5的移动角度，该移动角度与2θ的差值为该区间的发散角修正系数；
步骤2：采用太赫兹发散角测量装置对待测太赫兹源6的发散角参数进行测量：
步骤2.1：将待测太赫兹源6放置在圆弧导轨3-2的圆心处；根据待测太赫兹源功率选择狭缝4-2宽度，并将斩波器4-3调整至对应功率；
步骤2.2：将太赫兹探测器4-1放置在接板上，移动接板3-5使太赫兹探测器4-1的响应输出从有响应变为零为止，记录此时的圆弧标尺3-1的角度值α1；再向相反方向移动接板3-5使太赫兹探测器4-1的响应输出从零至最大，再变为零为止，记录此时圆弧标尺3-1的角度值α2；
步骤2.3：根据公式2ω＝|α1-α2|+α0得到待测太赫兹源6的发散角±ω，其中α0为圆弧导轨对应区间的发散角修正系数。
当需要测量待测太赫兹源6另一方向的发散角时，可以将待测太赫兹源绕自身轴线转动90度后重复步骤2进行测量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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