小F数毫米波成像折衍射透镜焦区场分析

摘要

本文研究用于毫米波焦面阵成像的小F数毫米波折射透镜和二元衍射透镜的焦区场,并设计了几种大视场的毫米波衍折射复合透镜.全文共分七章.第一章采用基于矢量衍射积分的矢量场方法和基于Kirchhoff标量理论的标量场方法分析了不同F数的透镜焦区场,并进行对比分析,指出适合采用矢量方法来分析小F数透镜的焦区场.第二章在焦区场分析的基础上,研究了折射透镜的光学传递函数,发现未经相位校正的折射透镜的高频特性不好,由此评价了透镜的成像性能;另外,基于射线追迹法,分析了折射透镜的点列图,直观地描述了焦区场的特点.第三章对实际物体的成像进行了模拟,同时经对比发现,采用偶极子的辐射场来模拟有限远波源比用平面波来近似更加合理.第四章介绍了二元透镜的基本概念和设计二元衍射透镜的一些基础知识.第五章至第六章采用矩量法研究了二元衍射透镜的焦区衍射场.第五章首先研究了矩量法分析旋转体的理论.由于小F数二元透镜的表面上的台阶与波长有相同的数量级,表面间存在相互作用,故不能采用射线追迹法来分析,本文采用基于表面积分方程的矩量法来分析其焦区场.利用旋转体的对称性,在矩量法分析过程中引入Fourier级数,消去了沿圆周方向的变量,将三维问题转化成二维问题,大大减少了未知量的个数.针对由此产生的阻抗矩阵条件数变坏、解的收敛性以及Fourier积分出现振荡性等系列问题进行了研究.本文测试了不同的基函数与检验函数对阻抗矩阵条件数的影响,选用了一组能使阻抗矩阵条件数最小的基函数和检验函数.经过分析发现,Fourier级数的项数需随平面波入射角度的增大而增加,而且在解达到收敛前,可能会出现波动.文中给出了入射角度小于40度时,不同入射角度下解达到收敛时所需要的最少Fourier级数项数.本文采用了加权Gauss积分方法来处理Fourier积分,极大地提高了计算效率,目前,可以利用多大8点的加权Gauss积分格式来分析径向电尺寸小于两个波长的旋转体,对于更大电尺寸的旋转体,经过与其它积分格式对比后,文中选用了20/41点Gauss-Kronrod积分格式.第六章在第五章的基础上,利用矩量法分析了平面波倾斜入射到直径达37.6个波长的π相位二元透镜和直径达78.3个波长的π/2相位二元透镜时在其焦区的衍射场.第七章利用OSLO软件优化设计几种不同直径的大视场毫米波衍折射复合透镜,供实际系统研制时参考.

目录

文摘

英文文摘

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绪论

一.FZL的研究历史和现状

二.课题的提出与意义

三.本文的主要工作与课题目标

第一章小F数折射透镜焦区场分析方法

§1.1射线追迹理论

§1.2矢量场分析

§1.3 Kirchhoff标量理论

§1.4双曲透镜的焦区场分析

§1.5本章小结

第二章小F数折射透镜的频谱分析

§2.1光学传递函数理论

§2.2几种典型小F数折射透镜的传递函数

§2.2.1能量分布

§2.2.2 OTF分布

§2.3传递函数与像差分析

§2.3.1旁瓣对OTF的影响

§2.3.2透镜F数对OTF的影响

§2.3.3点列图与像差

§2.4本章小结

第三章小F数折射透镜成像性能分析

§3.1“倒置显微镜”焦区场分析

§3.2双曲透镜成像性能分析

§3.2.1像场弯曲现象

§3.2.2成像效果模拟

§3.3有限远波源的成像分析

§3.3.1源的处理

§3.3.2有限远波源成像效果模拟

§3.4本章小结

第四章衍射透镜概述

§4.1菲涅尔波带片

§4.2菲涅尔1/2k波板

§4.3标量衍射理论

§4.4带宽

§4.5本章小结

第五章旋转体散射场的矩量法分析

§5.1旋转体矩量法理论

§5.1.1表面积分方程

§5.1.2曲面坐标系

§5.1.3表面积分方程的展开

§5.1.4基函数与检验函数

§5.1.5入射波的处理

§5.1.6解的收敛性

§5.1.7旋转体的散射场

§5.2振荡积分

§5.3简单旋转体的散射

§5.3.1介质球的散射场

§5.3.2小F数双曲透镜的散射场

§5.4本章小结

第六章二元透镜的焦区散射场

§6.1概述

§6.2 120毫米直径的π相位二元透镜

§6.3 250毫米直径的π/2相位二元透镜

§6.4本章小结

第七章大视场毫米波透镜设计

§7.1概述

§7.2设计结果与分析

§7.2.1球面——CGH面复合透镜

§7.2.2非球面——CGH面复合透镜

§7.3设计评价

§7.4本章小结

结论

附录A旋转体矩量法奇异性分析

附录B振荡积分处理方法

攻读博士学位期间发表和完成的论文情况

攻读博士学位期间参与的研究项目

致谢

参考文献

证明