Article Dans Une Revue IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology Année : 2020

Guided Reflectometry Imaging Unit using Millimeter Wave FMCW Radars

Résumé

تُقدّم هذه المقالة وتُبيّن نهجًا جديدًا للتصوير الانعكاسي المُوجّه باستخدام أنظمة رادار تيراهرتز (THz) وموجات المليمتر ذات الموجة المستمرة المُعدّلة التردد (FMCW)، مع التركيز على دمج أدلة موجية عازلة مجوفة النواة لنقل الإشارة بين جهاز الإرسال والاستقبال الراداري والعينة. يُعالج هذا العمل الحاجة إلى أنظمة قياس تيراهرتز مدمجة، محمولة، وسهلة التنفيذ، من خلال استبدال المكونات شبه البصرية التقليدية الضخمة بتكوين دليل موجي مُبسّط خالٍ من البصريات. يتم تقييم وحدتي رادار - وحدة SynView عالية الأداء من النوع III-V بتردد 100 جيجاهرتز، قائمة على أشباه الموصلات، مزودة بهوائي بوق، وجهاز إرسال واستقبال رادار سيليكون مدمج بتردد 122 جيجاهرتز، مدمج في لوحة دوائر مطبوعة (PCB)، ومزود بهوائيات مصفوفة رقعة - من خلال محاكاة كهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد وتصوير مسح نقطي تجريبي. يعمل الدليل الموجي المختار المصنوع من البولي بروبيلين ذو الجدار الرقيق والأجوف على انعكاس مضاد للرنين، مما يوفر انتشارًا منخفض الفقد لموجات تيراهرتز الموجهة في نطاق 100-300 جيجاهرتز. تُظهر النتائج أن كفاءة الاقتران بين الرادار والدليل الموجي تعتمد بشكل أساسي على تصميم الهوائي وقطر الدليل الموجي، حيث تحقق هوائيات البوق كفاءة أعلى (تصل إلى 70%) مقارنةً بهوائيات الرقعة (18%). تتيح معلومات الطور المتأصلة في رادارات FMCW استشعارًا انتقائيًا للعمق، وتُحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء من خلال تمييز إشارات الاستشعار المفيدة عن الانعكاسات الطفيلية داخل الدليل الموجي. تم التحقق من أداء التصوير باستخدام مخططات اختبار معدنية بمسح نقطي، مما أسفر عن دقة 4.5 مم (بوق) و2.8 مم (رقعة) عند مخرج الدليل الموجي، بينما تم توصيف العيوب مثل الظلال وعدم تناسق الشعاع والتخفيف منها باستخدام عدسات غمر صلبة نصف كروية، مما زاد من تحسين الدقة إلى 1.4 مم. يوضح هذا العمل جدوى وشمولية نهج الموجات الكهرومغناطيسية الموجهة (FMCW) للتصوير والاستشعار بترددات تيراهيرتز، موضحًا إمكاناته في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الاختبار غير المدمر، وتوصيف المواد عن بُعد، والتفتيش الصناعي، وتشخيص التراث الثقافي. تتيح هذه الطريقة حلولاً قوية وفعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير، مستفيدة من موجات تيراهرتز الموجهة، وأدلة الموجات العازلة، وتقنية رادار الموجات الكهرومغناطيسية الموجهة (FMCW) بموجات المليمتر، مع تحليل شامل لمؤشرات الأداء الرئيسية، مثل كفاءة الاقتران، والنطاق الديناميكي، ونمط الشعاع، ودقة التصوير. هذا يضع قياس الانعكاس الموجه بموجات تيراهرتز FMCW كبديل عملي للاستشعار والتصوير المتقدمين في السياقات العلمية والصناعية، مما يدعم التطورات المستقبلية في تطبيقات موجات تيراهرتز الموجهة، والتقييم غير التدميري، وتقنيات الاستشعار عن بُعد. تشمل الكلمات المفتاحية ذات الصلة بالفهرسة: موجات تيراهرتز، الدليل الموجي العازل، الدليل الموجي المجوف، قياس الانعكاس الموجه، رادار FMCW، تصوير الموجات المليمترية، نسبة الإشارة إلى الضوضاء، الاختبار غير التدميري، المحاكاة الكهرومغناطيسية، دقة التصوير، عدسة الغمر الصلبة، النطاق الديناميكي، كفاءة الاقتران، نمط الشعاع، الاستشعار القائم على الدليل الموجي، الاستشعار عن بُعد، هوائي الرقعة، هوائي البوق، والتطبيقات الصناعية والعلمية أو التشخيصية الفنية.

Dieser Artikel stellt einen neuartigen Ansatz zur geführten Reflektometrie-Bildgebung unter Verwendung von Terahertz- (THz) und Millimeterwellen-Frequenzmodulierten-Dauerstrich-Radarsystemen (FMCW) vor und demonstriert ihn. Der Schwerpunkt liegt auf der Integration von dielektrischen Hohlkern-Wellenleitern zur Signalübertragung zwischen Radar-Transceiver und Probe. Die Arbeit befasst sich mit dem Bedarf an kompakten, tragbaren und leicht implementierbaren Terahertz-Messsystemen, indem herkömmliche sperrige quasi-optische Komponenten durch eine vereinfachte, optikfreie Wellenleiterkonfiguration ersetzt werden. Zwei Radarmodule – eine leistungsstarke 100-GHz-SynView-Einheit auf III/V-Halbleiterbasis mit Hornantenne und ein kompakter, kostengünstiger 122-GHz-PCB-integrierter Silizium-Radar-Transceiver mit Patch-Array-Antennen – werden mittels 3D-elektromagnetischer Simulationen und experimenteller Rasterscan-Bildgebung bewertet. Der gewählte dünnwandige Hohlkern-Wellenleiter aus Polypropylen arbeitet mit antiresonanter Reflexion und bietet eine verlustarme Ausbreitung für geführte Terahertz-Wellen im Bereich von 100 bis 300 GHz. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kopplungseffizienz zwischen Radar und Wellenleiter entscheidend vom Antennendesign und dem Wellenleiterdurchmesser abhängt. Hornantennen erreichen dabei eine höhere Effizienz (bis zu 70 %) als Patchantennen (18 %). Die den FMCW-Radaren innewohnende Phaseninformation ermöglicht eine selektive Tiefenmessung und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis durch die Unterscheidung nutzbarer Sensorsignale von parasitären Reflexionen im Wellenleiter. Die Abbildungsleistung wird durch Raster-Scanning metallischer Testcharts validiert, was Auflösungen von 4,5 mm (Horn) bzw. 2,8 mm (Patch) am Wellenleiterausgang ergibt. Artefakte wie Geisterbilder und Strahlasymmetrie werden durch den Einsatz halbkugelförmiger Festkörperimmersionslinsen charakterisiert und gemildert, wodurch die Auflösung auf bis zu 1,4 mm erhöht wird. Die Arbeit demonstriert die Machbarkeit und Universalität des geführten FMCW-Ansatzes für die THz-Bildgebung und -Sensorik und zeigt sein Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum, darunter zerstörungsfreie Prüfung, Fernmaterialcharakterisierung, industrielle Inspektion und Kulturerbediagnostik. Die Methode ermöglicht robuste, kostengünstige und skalierbare Lösungen auf Basis von geführten Terahertzwellen, dielektrischen Wellenleitern und Millimeterwellen-FMCW-Radartechnologie. Wichtige Leistungsindikatoren wie Kopplungseffizienz, Dynamikbereich, Strahlprofil und Bildauflösung werden dabei umfassend analysiert. Dies positioniert die geführte THz-FMCW-Reflektometrie als praktikable Alternative für fortschrittliche Sensorik und Bildgebung in Wissenschaft und Industrie und unterstützt zukünftige Entwicklungen in Terahertz-Anwendungen mit geführten Wellen, der zerstörungsfreien Prüfung und Fernerkundungstechnologien. Relevante Schlüsselwörter für die Indizierung sind Terahertzwellen, dielektrische Wellenleiter, Hohlkernwellenleiter, geführte Reflektometrie, FMCW-Radar, Millimeterwellen-Bildgebung, Signal-Rausch-Verhältnis, zerstörungsfreie Prüfung, elektromagnetische Simulation, Bildauflösung, Festkörperimmersionslinse, Dynamikbereich, Kopplungseffizienz, Strahlprofil, wellenleiterbasierte Sensorik, Fernerkundung, Patchantenne, Hornantenne sowie industrielle, wissenschaftliche oder künstlerische Diagnoseanwendungen.

This article introduces and demonstrates a novel guided reflectometry imaging approach using terahertz (THz) and millimeter wave Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar systems, with a focus on integrating hollow-core dielectric waveguides for signal transmission between the radar transceiver and the sample. The work addresses the need for compact, portable, and easily implementable terahertz measurement systems by replacing traditional bulky quasi-optical components with a simplified optics-free waveguide configuration. Two radar modules—a high-performance III-V semiconductor-based 100 GHz SynView unit with horn antenna and a compact, low-cost 122 GHz PCB-integrated Silicon Radar transceiver with patch array antennas—are evaluated through 3D electromagnetic simulations and experimental raster scan imaging. The chosen polypropylene thin-wall hollow-core waveguide operates on anti-resonant reflection, offering low-loss propagation for guided terahertz waves in the 100–300 GHz range. Results show that the coupling efficiency between radar and waveguide depends critically on antenna design and waveguide diameter, with horn antennas achieving higher efficiency (up to 70%) compared to patch antennas (18%). The phase information intrinsic to FMCW radars allows for selective depth sensing and improves signal-to-noise ratio by discriminating useful sensing signals from parasitic reflections within the waveguide. Imaging performance is validated by raster-scanning metallic test charts, yielding resolutions of 4.5 mm (horn) and 2.8 mm (patch) at the waveguide output, while artefacts such as ghosting and beam asymmetry are characterized and mitigated through the use of hemispherical solid immersion lenses, which further enhance resolution to as low as 1.4 mm. The work demonstrates the feasibility and universality of the guided FMCW approach for THz imaging and sensing, showing its potential for a wide range of applications including non-destructive testing, remote material characterization, industrial inspection, and cultural heritage diagnostics. The method enables robust, cost-effective, and scalable solutions leveraging guided terahertz waves, dielectric waveguides, and millimeter wave FMCW radar technology, with key performance indicators such as coupling efficiency, dynamic range, beam profile, and imaging resolution thoroughly analyzed. This positions guided THz FMCW reflectometry as a practical alternative for advanced sensing and imaging in scientific and industrial contexts, supporting future developments in guided-wave terahertz applications, non-destructive evaluation, and remote sensing technologies. Relevant keywords for indexing include terahertz waves, dielectric waveguide, hollow-core waveguide, guided reflectometry, FMCW radar, millimeter wave imaging, signal-to-noise ratio, non-destructive testing, electromagnetic simulation, imaging resolution, solid immersion lens, dynamic range, coupling efficiency, beam profile, waveguide-based sensing, remote sensing, patch antenna, horn antenna, and industrial, scientific, or art diagnostic applications.

Este artículo presenta y demuestra un novedoso enfoque de imágenes de reflectometría guiada utilizando sistemas de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW) de terahercios (THz) y ondas milimétricas, con un enfoque en la integración de guías de onda dieléctricas de núcleo hueco para la transmisión de señales entre el transceptor de radar y la muestra. El trabajo aborda la necesidad de sistemas de medición de terahercios compactos, portátiles y de fácil implementación mediante la sustitución de los voluminosos componentes cuasi-ópticos tradicionales por una configuración simplificada de guía de onda sin óptica. Dos módulos de radar —una unidad SynView de 100 GHz de alto rendimiento basada en semiconductores III-V con antena de bocina y un transceptor de radar de silicio de 122 GHz compacto y económico integrado en PCB con antenas de matriz de parches— se evalúan mediante simulaciones electromagnéticas 3D e imágenes experimentales de barrido raster. La guía de onda de núcleo hueco de pared delgada de polipropileno seleccionada funciona mediante reflexión antirresonante, ofreciendo propagación de bajas pérdidas para ondas de terahercios guiadas en el rango de 100 a 300 GHz. Los resultados muestran que la eficiencia de acoplamiento entre el radar y la guía de ondas depende críticamente del diseño de la antena y del diámetro de esta, con antenas de bocina logrando una mayor eficiencia (hasta un 70%) en comparación con las antenas de parche (18%). La información de fase intrínseca a los radares FMCW permite la detección selectiva de profundidad y mejora la relación señal-ruido al discriminar las señales de detección útiles de las reflexiones parásitas dentro de la guía de ondas. El rendimiento de la imagen se valida mediante cartas de prueba metálicas de escaneo raster, produciendo resoluciones de 4,5 mm (bocina) y 2,8 mm (parche) a la salida de la guía de ondas, mientras que los artefactos como las imágenes fantasma y la asimetría del haz se caracterizan y mitigan mediante el uso de lentes de inmersión sólidas hemisféricas, que mejoran aún más la resolución hasta un mínimo de 1,4 mm. El trabajo demuestra la viabilidad y universalidad del enfoque FMCW guiado para la imagen y el sensado de THz, mostrando su potencial para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo ensayos no destructivos, caracterización remota de materiales, inspección industrial y diagnóstico del patrimonio cultural. El método permite soluciones robustas, rentables y escalables que aprovechan las ondas de terahercios guiadas, las guías de onda dieléctricas y la tecnología de radar FMCW de ondas milimétricas, con indicadores clave de rendimiento como la eficiencia de acoplamiento, el rango dinámico, el perfil del haz y la resolución de la imagen, analizados exhaustivamente. Esto posiciona a la reflectometría FMCW guiada de THz como una alternativa práctica para el sensado y la imagen avanzados en contextos científicos e industriales, impulsando futuros desarrollos en aplicaciones de ondas de terahercios guiadas, evaluación no destructiva y tecnologías de teledetección. Las palabras clave relevantes para la indexación incluyen ondas de terahercios, guía de ondas dieléctrica, guía de ondas de núcleo hueco, reflectometría guiada, radar FMCW, imágenes de ondas milimétricas, relación señal-ruido, pruebas no destructivas, simulación electromagnética, resolución de imágenes, lente de inmersión sólida, rango dinámico, eficiencia de acoplamiento, perfil del haz, detección basada en guía de ondas, teledetección, antena de parche, antena de bocina y aplicaciones de diagnóstico industriales, científicas o artísticas.

Artikulu honek terahertz (THz) eta uhin milimetrikoen Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar-sistemak erabiliz gidatutako reflectometria-irudiaren ikuspegi berri bat aurkezten eta frogatzen du, nukleo hutsezko uhin-gida dielektrikoen integrazioan arreta jarriz radar-hartzailearen eta laginaren artean seinalearen transmisiorako. Lanak terahertz neurketa-sistema trinko, eramangarri eta erraz inplementagarrien beharrari erantzuten dio, osagai ia-optiko handiko osagai tradizionalak optikarik gabeko uhin-gida konfigurazio sinplifikatu batekin ordezkatuz. Bi radar-modulu —errendimendu handiko III-V erdieroaleetan oinarritutako 100 GHz SynView unitatea adar-antena duena eta 122 GHz-ko PCB-n integratutako Silicon Radar transceptor trinkoa eta adabaki-matrizeko antenekin— 3Dko simulazio elektromagnetikoen eta raster eskaneatutako irudien bidez ebaluatzen dira. Aukeratutako polipropilenozko horma meheko nukleo hutsezko uhin-gidak erresonantziaren aurkako islapenean funtzionatzen du, 100-300 GHz bitarteko terahertz uhin gidatuetarako galera baxuko hedapena eskainiz. Emaitzek erakusten dute radarra eta uhin-gidaren arteko akoplamendu-eraginkortasuna antenaren diseinuaren eta uhin-gidaren diametroaren araberakoa dela kritikoki, eta adar-antenen eraginkortasun handiagoa lortzen dute (% 70 arte) adabaki-antenen (% 18) alderatuta. FMCW radarren berezko faseko informazioak sakonera hautematea ahalbidetzen du eta seinale-zarata erlazioa hobetzen du uhin-gidaren barruan islapen parasitoetatik sentsazio-seinale erabilgarriak bereiziz. Irudiaren errendimendua raster-eskaneatutako metalezko proba-diagramen bidez balioztatzen da, uhin-gidaren irteeran 4,5 mm (tronpa) eta 2,8 mm (adabakia) bereizmenak ematen dituzten bitartean, mamua eta izpien asimetria bezalako artefaktuak bereizten eta arintzen dira murgiltze-lente solido hemisferikoen erabileraren bidez, murgiltze-lente solido hemisferikoen bidez, bereizmena 4 mm-raino areagotzen dutenak. Lanak THz irudigintzarako eta detektatzeko FMCW hurbilketa gidatuaren bideragarritasuna eta unibertsaltasuna erakusten du, eta aplikazio sorta zabalerako duen potentziala erakutsiz, proba ez-suntsitzaileak, urruneko materialen karakterizazioa, ikuskapen industriala eta kultura ondarearen diagnostikoa barne. Metodoak soluzio sendoak, errentagarriak eta eskalagarriak ahalbidetzen ditu terahertz-uhin gidatuak, uhin-gida dielektrikoak eta uhin milimetrikoko FMCW radar-teknologia aprobetxatuz, errendimendu-adierazle nagusiak, hala nola akoplamendu-eraginkortasuna, barruti dinamikoa, izpiaren profila eta irudien bereizmena ondo aztertuta. Posizio honek THz FMCW reflexometria gidatu zuen testuinguru zientifiko eta industrialetan sentsazio eta irudi aurreratuetarako alternatiba praktiko gisa, uhin gidatuko terahertz aplikazioetan, ebaluazio ez-suntsitzaileetan eta urrutiko detekzio teknologietan etorkizuneko garapenak lagunduz. Indexatzeko gako-hitz garrantzitsuak honako hauek dira: terahertz uhinak, uhin-gida dielektrikoa, nukleo hutsezko uhin-gida, reflectometria gidatua, FMCW radarra, uhin milimetrikoen irudia, seinale-zarata erlazioa, saiakuntza ez-suntsitzaileak, simulazio elektromagnetikoa, irudien bereizmena, murgiltze-lente solidoa, sorta dinamikoa, akoplamendu eraginkortasuna, habe-profila, patch-a, horde-detekzioa eta antena-detekzioa. industria, zientzia edo artearen diagnostiko aplikazioak.

Artikulu honek terahertz (THz) eta uhin milimetrikoen Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) radar-sistemak erabiliz gidatutako reflectometria-irudiaren ikuspegi berri bat aurkezten eta frogatzen du, nukleo hutsezko uhin-gida dielektrikoen integrazioan arreta jarriz radar-hartzailearen eta laginaren artean seinalearen transmisiorako. Lanak terahertz neurketa-sistema trinko, eramangarri eta erraz inplementagarrien beharrari erantzuten dio, osagai ia-optiko handiko osagai tradizionalak optikarik gabeko uhin-gida konfigurazio sinplifikatu batekin ordezkatuz. Bi radar-modulu —errendimendu handiko III-V erdieroaleetan oinarritutako 100 GHz SynView unitatea adar-antena duena eta 122 GHz-ko PCB-n integratutako Silicon Radar transceptor trinkoa eta adabaki-matrizeko antenekin— 3Dko simulazio elektromagnetikoen eta raster eskaneatutako irudien bidez ebaluatzen dira. Aukeratutako polipropilenozko horma meheko nukleo hutsezko uhin-gidak erresonantziaren aurkako islapenean funtzionatzen du, 100-300 GHz bitarteko terahertz uhin gidatuetarako galera baxuko hedapena eskainiz. Emaitzek erakusten dute radarra eta uhin-gidaren arteko akoplamendu-eraginkortasuna antenaren diseinuaren eta uhin-gidaren diametroaren araberakoa dela kritikoki, eta adar-antenen eraginkortasun handiagoa lortzen dute (% 70 arte) adabaki-antenen (% 18) alderatuta. FMCW radarren berezko faseko informazioak sakonera hautematea ahalbidetzen du eta seinale-zarata erlazioa hobetzen du uhin-gidaren barruan islapen parasitoetatik sentsazio-seinale erabilgarriak bereiziz. Irudiaren errendimendua raster-eskaneatutako metalezko proba-diagramen bidez balioztatzen da, uhin-gidaren irteeran 4,5 mm (tronpa) eta 2,8 mm (adabakia) bereizmenak ematen dituzten bitartean, mamua eta izpien asimetria bezalako artefaktuak bereizten eta arintzen dira murgiltze-lente solido hemisferikoen erabileraren bidez, murgiltze-lente solido hemisferikoen bidez, bereizmena 4 mm-raino areagotzen dutenak. Lanak THz irudigintzarako eta detektatzeko FMCW hurbilketa gidatuaren bideragarritasuna eta unibertsaltasuna erakusten du, eta aplikazio sorta zabalerako duen potentziala erakutsiz, proba ez-suntsitzaileak, urruneko materialen karakterizazioa, ikuskapen industriala eta kultura ondarearen diagnostikoa barne. Metodoak soluzio sendoak, errentagarriak eta eskalagarriak ahalbidetzen ditu terahertz-uhin gidatuak, uhin-gida dielektrikoak eta uhin milimetrikoko FMCW radar-teknologia aprobetxatuz, errendimendu-adierazle nagusiak, hala nola akoplamendu-eraginkortasuna, barruti dinamikoa, izpiaren profila eta irudien bereizmena ondo aztertuta. Posizio honek THz FMCW reflexometria gidatu zuen testuinguru zientifiko eta industrialetan sentsazio eta irudi aurreratuetarako alternatiba praktiko gisa, uhin gidatuko terahertz aplikazioetan, ebaluazio ez-suntsitzaileetan eta urrutiko detekzio teknologietan etorkizuneko garapenak lagunduz. Indexatzeko gako-hitz garrantzitsuak honako hauek dira: terahertz uhinak, uhin-gida dielektrikoa, nukleo hutsezko uhin-gida, reflectometria gidatua, FMCW radarra, uhin milimetrikoen irudia, seinale-zarata erlazioa, saiakuntza ez-suntsitzaileak, simulazio elektromagnetikoa, irudien bereizmena, murgiltze-lente solidoa, sorta dinamikoa, akoplamendu eraginkortasuna, habe-profila, patch-a, horde-detekzioa eta antena-detekzioa. industria, zientzia edo artearen diagnostiko aplikazioak.

Cet article présente et démontre une nouvelle approche d'imagerie par réflectométrie guidée utilisant des systèmes radar térahertz (THz) et à ondes millimétriques à onde continue modulée en fréquence (FMCW). L'accent est mis sur l'intégration de guides d'ondes diélectriques à cœur creux pour la transmission du signal entre l'émetteur-récepteur radar et l'échantillon. Ce travail répond au besoin de systèmes de mesure térahertz compacts, portables et faciles à mettre en œuvre en remplaçant les composants quasi-optiques traditionnels encombrants par une configuration simplifiée de guide d'ondes sans optique. Deux modules radar – une unité SynView 100 GHz hautes performances à base de semi-conducteurs III-V avec antenne cornet et un émetteur-récepteur radar au silicium 122 GHz compact et économique intégré au circuit imprimé avec antennes réseau patch – sont évalués par simulations électromagnétiques 3D et imagerie expérimentale par balayage raster. Le guide d'ondes à cœur creux à paroi mince en polypropylène choisi fonctionne par réflexion antirésonante, offrant une propagation à faible perte pour les ondes térahertz guidées dans la gamme 100-300 GHz. Les résultats montrent que l'efficacité de couplage entre le radar et le guide d'ondes dépend de manière critique de la conception de l'antenne et du diamètre du guide d'ondes. Les antennes cornet atteignent un rendement supérieur (jusqu'à 70 %) à celui des antennes patch (18 %). L'information de phase intrinsèque aux radars FMCW permet une détection sélective en profondeur et améliore le rapport signal/bruit en distinguant les signaux de détection utiles des réflexions parasites dans le guide d'ondes. Les performances d'imagerie sont validées par des mires métalliques à balayage matriciel, offrant des résolutions de 4,5 mm (cornet) et 2,8 mm (patch) en sortie du guide d'ondes. Les artefacts tels que les images fantômes et l'asymétrie du faisceau sont caractérisés et atténués grâce à l'utilisation de lentilles hémisphériques à immersion solide, qui améliorent encore la résolution jusqu'à 1,4 mm. Ces travaux démontrent la faisabilité et l'universalité de l'approche FMCW guidée pour l'imagerie et la détection THz, démontrant son potentiel pour un large éventail d'applications, notamment les essais non destructifs, la caractérisation des matériaux à distance, l'inspection industrielle et le diagnostic du patrimoine culturel. Cette méthode permet de développer des solutions robustes, économiques et évolutives exploitant les ondes térahertz guidées, les guides d'ondes diélectriques et la technologie radar FMCW à ondes millimétriques. Des indicateurs de performance clés tels que l'efficacité de couplage, la plage dynamique, le profil du faisceau et la résolution d'imagerie sont analysés en profondeur. La réflectométrie FMCW THz guidée constitue ainsi une alternative pratique pour la détection et l'imagerie avancées dans les contextes scientifiques et industriels, favorisant les développements futurs des applications térahertz à ondes guidées, l'évaluation non destructive et les technologies de télédétection. Les mots-clés pertinents pour l'indexation incluent : ondes térahertz, guide d'ondes diélectrique, guide d'ondes à noyau creux, réflectométrie guidée, radar FMCW, imagerie à ondes millimétriques, rapport signal/bruit, contrôle non destructif, simulation électromagnétique, résolution d'imagerie, lentille à immersion solide, plage dynamique, efficacité de couplage, profil du faisceau, détection par guide d'ondes, télédétection, antenne patch, antenne cornet et applications de diagnostic industriel, scientifique ou artistique.

यह लेख टेराहर्ट्ज़ (THz) और मिलीमीटर वेव फ़्रीक्वेंसी मॉड्यूलेटेड कंटीन्यूअस वेव (FMCW) रडार सिस्टम का उपयोग करके एक नए निर्देशित रिफ़्लेक्टोमेट्री इमेजिंग दृष्टिकोण का परिचय और प्रदर्शन करता है, जिसमें रडार ट्रांसीवर और नमूने के बीच सिग्नल ट्रांसमिशन के लिए खोखले-कोर डाइइलेक्ट्रिक वेवगाइड को एकीकृत करने पर ध्यान केंद्रित किया गया है। यह कार्य पारंपरिक भारी अर्ध-ऑप्टिकल घटकों को सरलीकृत ऑप्टिक्स-मुक्त वेवगाइड कॉन्फ़िगरेशन के साथ बदलकर कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल और आसानी से लागू किए जाने वाले टेराहर्ट्ज़ माप प्रणालियों की आवश्यकता को संबोधित करता है। दो रडार मॉड्यूल - हॉर्न एंटीना के साथ एक उच्च-प्रदर्शन III-V सेमीकंडक्टर-आधारित 100 गीगाहर्ट्ज सिंव्यू यूनिट और पैच ऐरे एंटेना के साथ एक कॉम्पैक्ट, कम लागत वाला 122 गीगाहर्ट्ज पीसीबी-एकीकृत सिलिकॉन रडार ट्रांसीवर - का 3D इलेक्ट्रोमैग्नेटिक सिमुलेशन और प्रायोगिक रास्टर स्कैन इमेजिंग के माध्यम से मूल्यांकन किया जाता है। चुना गया पॉलीप्रोपाइलीन पतली दीवार वाला खोखला कोर वेवगाइड प्रतिध्वनि प्रतिबिंब पर काम करता है, जो 100-300 गीगाहर्ट्ज रेंज में निर्देशित टेराहर्ट्ज तरंगों के लिए कम-हानि प्रसार प्रदान करता है। परिणाम बताते हैं कि रडार और वेवगाइड के बीच युग्मन दक्षता एंटीना डिजाइन और वेवगाइड व्यास पर गंभीर रूप से निर्भर करती है, जिसमें हॉर्न एंटेना पैच एंटेना (18%) की तुलना में उच्च दक्षता (70% तक) प्राप्त करते हैं। FMCW रडार में निहित चरण सूचना चयनात्मक गहराई संवेदन की अनुमति देती है और वेवगाइड के भीतर परजीवी प्रतिबिंबों से उपयोगी संवेदन संकेतों को अलग करके सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करती है। इमेजिंग प्रदर्शन को रास्टर-स्कैनिंग मेटालिक टेस्ट चार्ट द्वारा मान्य किया जाता है, जो वेवगाइड आउटपुट पर 4.5 मिमी (हॉर्न) और 2.8 मिमी (पैच) के रिज़ॉल्यूशन प्रदान करता है, जबकि भूत और बीम विषमता जैसी कलाकृतियों को अर्धगोलाकार ठोस विसर्जन लेंस के उपयोग के माध्यम से चिह्नित और कम किया जाता है, जो रिज़ॉल्यूशन को 1.4 मिमी तक कम कर देता है। यह कार्य THz इमेजिंग और सेंसिंग के लिए निर्देशित FMCW दृष्टिकोण की व्यवहार्यता और सार्वभौमिकता को प्रदर्शित करता है, जो गैर-विनाशकारी परीक्षण, दूरस्थ सामग्री लक्षण वर्णन, औद्योगिक निरीक्षण और सांस्कृतिक विरासत निदान सहित अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए इसकी क्षमता को दर्शाता है। यह विधि निर्देशित टेराहर्ट्ज़ तरंगों, डाइइलेक्ट्रिक वेवगाइड्स और मिलीमीटर वेव FMCW रडार तकनीक का लाभ उठाते हुए मजबूत, लागत प्रभावी और स्केलेबल समाधानों को सक्षम बनाती है, जिसमें युग्मन दक्षता, गतिशील रेंज, बीम प्रोफ़ाइल और इमेजिंग रिज़ॉल्यूशन जैसे प्रमुख प्रदर्शन संकेतक का गहन विश्लेषण किया जाता है। यह गाइडेड THz FMCW रिफ्लेक्टोमेट्री को वैज्ञानिक और औद्योगिक संदर्भों में उन्नत सेंसिंग और इमेजिंग के लिए एक व्यावहारिक विकल्प के रूप में स्थापित करता है, जो गाइडेड-वेव टेराहर्ट्ज़ अनुप्रयोगों, गैर-विनाशकारी मूल्यांकन और रिमोट सेंसिंग प्रौद्योगिकियों में भविष्य के विकास का समर्थन करता है। इंडेक्सिंग के लिए प्रासंगिक कीवर्ड में टेराहर्ट्ज़ तरंगें, डाइइलेक्ट्रिक वेवगाइड, हॉलो-कोर वेवगाइड, गाइडेड रिफ्लेक्टोमेट्री, FMCW रडार, मिलीमीटर वेव इमेजिंग, सिग्नल-टू-शोर अनुपात, गैर-विनाशकारी परीक्षण, विद्युत चुम्बकीय सिमुलेशन, इमेजिंग रिज़ॉल्यूशन, सॉलिड इमर्शन लेंस, डायनेमिक रेंज, कपलिंग दक्षता, बीम प्रोफ़ाइल, वेवगाइड-आधारित सेंसिंग, रिमोट सेंसिंग, पैच एंटीना, हॉर्न एंटीना और औद्योगिक, वैज्ञानिक या कला डायग्नोस्टिक अनुप्रयोग शामिल हैं।

Questo articolo introduce e dimostra un nuovo approccio di imaging riflettometrico guidato che utilizza sistemi radar a onda continua modulata in frequenza (FMCW) a onde terahertz (THz) e millimetriche, con particolare attenzione all'integrazione di guide d'onda dielettriche a nucleo cavo per la trasmissione del segnale tra il ricetrasmettitore radar e il campione. Il lavoro risponde all'esigenza di sistemi di misura terahertz compatti, portatili e facilmente implementabili, sostituendo i tradizionali ingombranti componenti quasi-ottici con una configurazione semplificata a guida d'onda priva di ottica. Due moduli radar – un'unità SynView a 100 GHz basata su semiconduttori III-V ad alte prestazioni con antenna a tromba e un ricetrasmettitore radar al silicio integrato su PCB compatto ed economico a 122 GHz con antenne patch array – vengono valutati attraverso simulazioni elettromagnetiche 3D e imaging sperimentale a scansione raster. La guida d'onda a nucleo cavo a parete sottile in polipropilene scelta opera in riflessione antirisonante, offrendo una propagazione a basse perdite per onde terahertz guidate nell'intervallo 100-300 GHz. I risultati mostrano che l'efficienza di accoppiamento tra radar e guida d'onda dipende in modo critico dal design dell'antenna e dal diametro della guida d'onda, con le antenne a tromba che raggiungono un'efficienza maggiore (fino al 70%) rispetto alle antenne a patch (18%). Le informazioni di fase intrinseche ai radar FMCW consentono il rilevamento selettivo della profondità e migliorano il rapporto segnale/rumore discriminando i segnali di rilevamento utili dalle riflessioni parassite all'interno della guida d'onda. Le prestazioni di imaging sono convalidate da carte di prova metalliche a scansione raster, che producono risoluzioni di 4,5 mm (tromba) e 2,8 mm (patch) all'uscita della guida d'onda, mentre artefatti come ghosting e asimmetria del fascio sono caratterizzati e mitigati mediante l'uso di lenti a immersione solida emisferiche, che migliorano ulteriormente la risoluzione fino a 1,4 mm. Il lavoro dimostra la fattibilità e l'universalità dell'approccio FMCW guidato per l'imaging e il rilevamento THz, mostrandone il potenziale per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui test non distruttivi, caratterizzazione di materiali da remoto, ispezione industriale e diagnostica dei beni culturali. Il metodo consente soluzioni robuste, economiche e scalabili che sfruttano onde terahertz guidate, guide d'onda dielettriche e tecnologia radar FMCW a onde millimetriche, con indicatori di prestazione chiave come efficienza di accoppiamento, gamma dinamica, profilo del fascio e risoluzione dell'immagine analizzati in modo approfondito. Questo posiziona la riflettometria FMCW THz guidata come un'alternativa pratica per il rilevamento e l'imaging avanzati in contesti scientifici e industriali, supportando i futuri sviluppi nelle applicazioni terahertz a onde guidate, nella valutazione non distruttiva e nelle tecnologie di telerilevamento. Le parole chiave rilevanti per l'indicizzazione includono onde terahertz, guida d'onda dielettrica, guida d'onda a nucleo cavo, riflettometria guidata, radar FMCW, imaging a onde millimetriche, rapporto segnale/rumore, prove non distruttive, simulazione elettromagnetica, risoluzione dell'immagine, lente a immersione solida, gamma dinamica, efficienza di accoppiamento, profilo del fascio, rilevamento basato su guida d'onda, telerilevamento, antenna patch, antenna a tromba e applicazioni diagnostiche industriali, scientifiche o artistiche.

本稿では、テラヘルツ (THz) およびミリ波周波数変調連続波 (FMCW) レーダーシステムを用いた新しい誘導反射測定イメージング手法を紹介し、その実証を行います。特に、レーダートランシーバーとサンプル間の信号伝送に中空コア誘電体導波路を統合することに焦点を当てています。本研究では、従来のかさばる準光学部品を簡素化した光学部品を使用しない導波路構成に置き換えることで、小型で持ち運び可能で実装が容易なテラヘルツ測定システムのニーズに対応します。2つのレーダーモジュール、ホーンアンテナを備えた高性能III-V半導体ベースの100GHz SynViewユニットと、パッチアレイアンテナを備えた小型で低コストの122GHz PCB統合型シリコンレーダートランシーバーを、3D電磁界シミュレーションと実験的なラスタースキャンイメージングによって評価します。選択されたポリプロピレン薄壁中空コア導波路は、反共鳴反射で動作し、100~300GHzの範囲で誘導テラヘルツ波の低損失伝搬を提供します。結果は、レーダーと導波管間の結合効率がアンテナ設計と導波管径に大きく依存し、ホーンアンテナはパッチアンテナ(18%)と比較して高い効率(最大70%)を達成することを示しています。FMCWレーダーに固有の位相情報により、選択的な深度検知が可能になり、導波管内の寄生反射から有用な検知信号を区別することで信号対雑音比が向上します。イメージング性能は、金属テストチャートをラスタースキャンすることで検証され、導波管出力で4.5 mm(ホーン)および2.8 mm(パッチ)の解像度が得られます。また、ゴーストやビーム非対称性などのアーティファクトは、半球型固体浸漬レンズの使用によって特性評価および軽減され、解像度はさらに1.4 mmまで向上します。本研究は、THzイメージングおよびセンシングにおける誘導FMCWアプローチの実現可能性と汎用性を実証し、非破壊検査、遠隔材料特性評価、産業検査、文化遺産診断など、幅広い用途への可能性を示しています。この方法は、誘導テラヘルツ波、誘電体導波路、ミリ波 FMCW レーダー技術を活用した堅牢で費用対効果が高く、スケーラブルなソリューションを実現し、結合効率、ダイナミック レンジ、ビーム プロファイル、イメージング解像度などの主要なパフォーマンス指標が徹底的に分析されます。これにより、誘導 THz FMCW 反射率測定法は、科学的および産業的コンテキストでの高度なセンシングおよびイメージングの実用的な代替手段として位置付けられ、誘導波テラヘルツ アプリケーション、非破壊評価、リモート センシング技術の将来の開発をサポートします。インデックス付けの関連キーワードには、テラヘルツ波、誘電体導波路、中空コア導波路、誘導反射率測定法、FMCW レーダー、ミリ波イメージング、信号対雑音比、非破壊検査、電磁気シミュレーション、イメージング解像度、固浸レンズ、ダイナミック レンジ、結合効率、ビーム プロファイル、導波路ベースのセンシング、リモート センシング、パッチ アンテナ、ホーン アンテナ、産業的、科学的、または芸術的な診断アプリケーションが含まれます。

본 논문에서는 테라헤르츠(THz) 및 밀리미터파 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 시스템을 사용하는 새로운 유도 반사 측정 이미징 접근법을 소개하고 시연하며, 레이더 송수신기와 시료 간 신호 전송을 위해 중공 코어 유전체 도파관을 통합하는 데 중점을 둡니다. 본 연구는 기존의 부피가 큰 준광학 부품을 광학 장치가 필요 없는 간소화된 도파관 구성으로 대체함으로써 소형, 휴대성 및 구현 용이성이 뛰어난 테라헤르츠 측정 시스템의 필요성을 다룹니다. 두 개의 레이더 모듈(혼 안테나가 장착된 고성능 III-V 반도체 기반 100GHz SynView 장치와 패치 어레이 안테나가 장착된 소형 저비용 122GHz PCB 통합 실리콘 레이더 송수신기)을 3D 전자기 시뮬레이션 및 실험적 래스터 스캔 이미징을 통해 평가합니다. 선택된 폴리프로필렌 박벽 중공 코어 도파관은 반공진 반사로 작동하여 100~300GHz 범위의 유도 테라헤르츠파에 대해 저손실 전파를 제공합니다. 결과는 레이더와 도파관 간의 결합 효율이 안테나 설계 및 도파관 직경에 크게 좌우됨을 보여주며, 혼 안테나는 패치 안테나(18%)에 비해 더 높은 효율(최대 70%)을 달성합니다. FMCW 레이더 고유의 위상 정보는 선택적 깊이 감지를 가능하게 하고, 도파관 내부의 기생 반사 신호와 유용한 감지 신호를 구분하여 신호 대 잡음비를 향상시킵니다. 이미징 성능은 금속 테스트 차트를 래스터 스캐닝하여 검증되었으며, 도파관 출력에서 ​​4.5mm(혼) 및 2.8mm(패치)의 분해능을 제공합니다. 고스팅 및 빔 비대칭과 같은 아티팩트는 반구형 고체 침지 렌즈를 사용하여 특성화 및 완화되었으며, 이를 통해 분해능을 최대 1.4mm까지 향상시킬 수 있었습니다. 본 연구는 테라헤르츠 이미징 및 센싱을 위한 유도 FMCW 방식의 실현 가능성과 보편성을 보여주며, 비파괴 검사, 원격 재료 특성 분석, 산업 검사, 문화 유산 진단 등 광범위한 응용 분야에서의 잠재력을 보여줍니다. 이 방법은 유도 테라헤르츠파, 유전체 도파관, 밀리미터파 FMCW 레이더 기술을 활용하여 견고하고 비용 효율적이며 확장 가능한 솔루션을 구현하며, 결합 효율, 동적 범위, 빔 프로파일, 이미징 해상도와 같은 핵심 성능 지표를 철저하게 분석합니다. 이를 통해 유도 테라헤르츠 FMCW 반사 측정법은 과학 및 산업 분야에서 첨단 센싱 및 이미징을 위한 실용적인 대안으로 자리매김하여 유도파 테라헤르츠 응용 분야, 비파괴 평가 및 원격 감지 기술의 미래 발전을 지원합니다. 색인을 위한 관련 키워드로는 테라헤르츠파, 유전체 도파관, 중공 도파관, 유도 반사 측정법, FMCW 레이더, 밀리미터파 이미징, 신호 대 잡음비, 비파괴 검사, 전자기 시뮬레이션, 이미징 해상도, 고체 침지 렌즈, 동적 범위, 결합 효율, 빔 프로파일, 도파관 기반 센싱, 원격 감지, 패치 안테나, 혼 안테나, 산업, 과학 또는 예술 진단 응용 분야 등이 있습니다.

Este artigo apresenta e demonstra uma nova abordagem de imagem de reflectometria guiada utilizando sistemas de radar de onda contínua modulada em frequência (FMCW) de terahertz (THz) e ondas milimétricas, com foco na integração de guias de onda dielétricos de núcleo oco para transmissão de sinal entre o transceptor do radar e a amostra. O trabalho aborda a necessidade de sistemas de medição de terahertz compactos, portáteis e facilmente implementáveis, substituindo os tradicionais componentes quase-ópticos volumosos por uma configuração simplificada de guia de onda sem óptica. Dois módulos de radar — uma unidade SynView de 100 GHz baseada em semicondutor III-V de alto desempenho com antena tipo corneta e um transceptor de radar de silício de 122 GHz integrado em PCB compacto e de baixo custo com antenas de matriz de patch — são avaliados através de simulações eletromagnéticas 3D e imagens experimentais de varrimento raster. O guia de ondas de núcleo oco de parede fina de polipropileno escolhido opera em reflexão antirressonante, oferecendo uma baixa perda de propagação para ondas de terahertz guiadas na gama de 100–300 GHz. Os resultados mostram que a eficiência do acoplamento entre o radar e o guia de ondas depende criticamente do design da antena e do diâmetro do guia de ondas, sendo que as antenas tipo corneta alcançam uma maior eficiência (até 70%) em comparação com as antenas tipo patch (18%). A informação de fase intrínseca aos radares FMCW permite a deteção seletiva de profundidade e melhora a relação sinal-ruído ao discriminar sinais de deteção úteis de reflexões parasitas dentro do guia de ondas. O desempenho da imagem é validado por gráficos de teste metálicos de varrimento raster, produzindo resoluções de 4,5 mm (corneta) e 2,8 mm (patch) na saída do guia de ondas, enquanto artefactos como fantasmas e assimetria do feixe são caracterizados e mitigados pelo uso de lentes de imersão sólidas hemisféricas, que aumentam ainda mais a resolução para até 1,4 mm. O trabalho demonstra a viabilidade e a universalidade da abordagem FMCW guiada para imagiologia e deteção em THz, mostrando o seu potencial para uma vasta gama de aplicações, incluindo ensaios não destrutivos, caracterização remota de materiais, inspeção industrial e diagnósticos de património cultural. O método permite soluções robustas, económicas e escaláveis, alavancando ondas terahertz guiadas, guias de ondas dielétricas e tecnologia de radar FMCW de ondas milimétricas, com indicadores-chave de desempenho, como eficiência de acoplamento, gama dinâmica, perfil do feixe e resolução de imagem, analisados ​​minuciosamente. Isto posiciona a reflectometria FMCW THz guiada como uma alternativa prática para a deteção e geração de imagens avançadas em contextos científicos e industriais, apoiando os desenvolvimentos futuros em aplicações de terahertz de ondas guiadas, avaliação não destrutiva e tecnologias de deteção remota. As palavras-chave relevantes para a indexação incluem ondas terahertz, guia de ondas dielétricas, guia de ondas de núcleo oco, reflectometria guiada, radar FMCW, geração de imagens de ondas milimétricas, relação sinal-ruído, ensaios não destrutivos, simulação eletromagnética, resolução de imagem, lente de imersão sólida, gama dinâmica, eficiência de acoplamento, perfil do feixe, deteção baseada em guia de ondas, deteção remota, antena patch, antena horn e aplicações de diagnóstico industrial, científico ou artístico.

В этой статье представлен и продемонстрирован новый подход к визуализации с помощью направленной рефлектометрии с использованием терагерцовых (ТГц) и миллиметровых волновых радиолокационных систем с частотной модуляцией непрерывной волны (FMCW), с акцентом на интеграцию полых диэлектрических волноводов для передачи сигнала между радиолокационным приемопередатчиком и образцом. Работа направлена ​​на решение проблемы компактных, портативных и легко реализуемых терагерцовых измерительных систем путем замены традиционных громоздких квазиоптических компонентов на упрощенную конфигурацию волновода без оптики. Два радиолокационных модуля — высокопроизводительный блок SynView на основе полупроводников III-V с рупорной антенной и компактный, недорогой 122 ГГц интегрированный в печатную плату приемопередатчик Silicon Radar с антенной решеткой — оцениваются с помощью 3D электромагнитного моделирования и экспериментального растрового сканирования. Выбранный тонкостенный полый волновод из полипропилена работает на антирезонансном отражении, обеспечивая распространение с малыми потерями для направленных терагерцовых волн в диапазоне 100–300 ГГц. Результаты показывают, что эффективность связи между радаром и волноводом критически зависит от конструкции антенны и диаметра волновода, при этом рупорные антенны достигают более высокой эффективности (до 70%) по сравнению с патч-антеннами (18%). Фазовая информация, присущая радарам FMCW, позволяет осуществлять выборочное зондирование глубины и улучшает отношение сигнал/шум, различая полезные сигналы зондирования от паразитных отражений внутри волновода. Эффективность визуализации подтверждается с помощью растрового сканирования металлических тестовых карт, что обеспечивает разрешение 4,5 мм (рупор) и 2,8 мм (патч) на выходе волновода, в то время как артефакты, такие как ореолы и асимметрия пучка, характеризуются и смягчаются за счет использования полусферических твердых иммерсионных линз, которые дополнительно повышают разрешение до 1,4 мм. Работа демонстрирует осуществимость и универсальность подхода управляемого FMCW для визуализации и зондирования в терагерцовом диапазоне, показывая его потенциал для широкого спектра приложений, включая неразрушающий контроль, удаленную характеристику материалов, промышленный контроль и диагностику культурного наследия. Метод позволяет создавать надежные, экономически эффективные и масштабируемые решения, использующие направляемые терагерцовые волны, диэлектрические волноводы и технологию FMCW-радара миллиметрового диапазона, с тщательно проанализированными ключевыми показателями производительности, такими как эффективность связи, динамический диапазон, профиль пучка и разрешение визуализации. Это позиционирует управляемую THz FMCW-рефлектометрию как практическую альтернативу для передового зондирования и визуализации в научных и промышленных контекстах, поддерживая будущие разработки в области применения направленных волн терагерцового диапазона, неразрушающей оценки и технологий дистанционного зондирования. Соответствующие ключевые слова для индексации включают терагерцовые волны, диэлектрический волновод, полый волновод, управляемая рефлектометрия, FMCW-радар, визуализация миллиметровых волн, отношение сигнал/шум, неразрушающий контроль, электромагнитное моделирование, разрешение визуализации, твердая иммерсионная линза, динамический диапазон, эффективность связи, профиль луча, зондирование на основе волновода, дистанционное зондирование, патч-антенна, рупорная антенна и промышленные, научные или художественные диагностические приложения.

Bu makale, radar alıcı-vericisi ile numune arasında sinyal iletimi için içi boş çekirdekli dielektrik dalga kılavuzlarını entegre etmeye odaklanarak, terahertz (THz) ve milimetre dalga Frekans Modülasyonlu Sürekli Dalga (FMCW) radar sistemlerini kullanan yeni bir rehberli reflektometri görüntüleme yaklaşımını tanıtmakta ve göstermektedir. Çalışma, geleneksel hantal yarı optik bileşenleri basitleştirilmiş optiksiz bir dalga kılavuzu yapılandırmasıyla değiştirerek kompakt, taşınabilir ve kolayca uygulanabilir terahertz ölçüm sistemlerine olan ihtiyacı ele almaktadır. İki radar modülü—korna antenli yüksek performanslı III-V yarı iletken tabanlı 100 GHz SynView ünitesi ve yama dizili antenlere sahip kompakt, düşük maliyetli 122 GHz PCB entegreli Silikon Radar alıcı-vericisi—3B elektromanyetik simülasyonlar ve deneysel raster tarama görüntüleme yoluyla değerlendirilmiştir. Seçilen polipropilen ince duvarlı içi boş çekirdekli dalga kılavuzu, anti-rezonans yansıma üzerinde çalışarak 100-300 GHz aralığında rehberli terahertz dalgaları için düşük kayıplı yayılım sunmaktadır. Sonuçlar, radar ve dalga kılavuzu arasındaki bağlantı verimliliğinin anten tasarımına ve dalga kılavuzu çapına kritik bir şekilde bağlı olduğunu, boynuz antenlerin yama antenlere (%18) kıyasla daha yüksek verimliliğe (%70'e kadar) ulaştığını göstermektedir. FMCW radarlarına özgü faz bilgisi, seçici derinlik algılamaya olanak tanır ve dalga kılavuzu içindeki parazitik yansımalardan yararlı algılama sinyallerini ayırt ederek sinyal-gürültü oranını iyileştirir. Görüntüleme performansı, dalga kılavuzu çıkışında 4,5 mm (boynuz) ve 2,8 mm (yama) çözünürlükler sağlayan raster taramalı metalik test grafikleriyle doğrulanırken, gölgelenme ve ışın asimetrisi gibi eserler, çözünürlüğü 1,4 mm'ye kadar daha da artıran yarım küresel katı daldırma merceklerinin kullanımıyla karakterize edilir ve hafifletilir. Çalışma, THz görüntüleme ve algılama için yönlendirilmiş FMCW yaklaşımının uygulanabilirliğini ve evrenselliğini göstererek, tahribatsız test, uzaktan malzeme karakterizasyonu, endüstriyel inceleme ve kültürel miras tanılamaları dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için potansiyelini göstermektedir. Yöntem, kuplaj verimliliği, dinamik aralık, ışın profili ve görüntüleme çözünürlüğü gibi temel performans göstergelerinin iyice analiz edildiği, yönlendirilmiş terahertz dalgaları, dielektrik dalga kılavuzları ve milimetre dalga FMCW radar teknolojisinden yararlanan sağlam, uygun maliyetli ve ölçeklenebilir çözümler sağlar. Bu, yönlendirilmiş THz FMCW reflektometrisini bilimsel ve endüstriyel bağlamlarda gelişmiş algılama ve görüntüleme için pratik bir alternatif olarak konumlandırarak, yönlendirilmiş dalga terahertz uygulamalarında, tahribatsız değerlendirmede ve uzaktan algılama teknolojilerinde gelecekteki gelişmeleri desteklemektedir. İndeksleme için ilgili anahtar kelimeler arasında terahertz dalgaları, dielektrik dalga kılavuzu, içi boş dalga kılavuzu, kılavuzlu reflektometri, FMCW radarı, milimetre dalga görüntüleme, sinyal-gürültü oranı, tahribatsız muayene, elektromanyetik simülasyon, görüntüleme çözünürlüğü, katı daldırma lensi, dinamik aralık, kuplaj verimliliği, ışın profili, dalga kılavuzu tabanlı algılama, uzaktan algılama, yama anteni, boynuz anteni ve endüstriyel, bilimsel veya sanat teşhis uygulamaları yer almaktadır.

本文介绍并演示了一种使用太赫兹 (THz) 和毫米波调频连续波 (FMCW) 雷达系统的新型引导反射成像方法,重点是集成空芯介质波导以在雷达收发器和样品之间传输信号。这项工作通过用简化的无光学波导配置取代传统的笨重准光学元件,满足了对紧凑、便携且易于实施的太赫兹测量系统的需求。通过 3D 电磁模拟和实验光栅扫描成像评估了两个雷达模块——基于高性能 III-V 半导体的 100 GHz SynView 单元(带喇叭天线)和紧凑、低成本的 122 GHz PCB 集成硅雷达收发器(带贴片阵列天线)。所选用的聚丙烯薄壁空芯波导采用抗谐振反射工作,可为 100–300 GHz 范围内的引导太赫兹波提供低损耗传播。结果表明,雷达与波导之间的耦合效率主要取决于天线设计和波导直径,喇叭天线的效率(高达70%)高于贴片天线(18%)。FMCW雷达固有的相位信息允许选择性深度感知,并通过区分波导内的有用感知信号和寄生反射来提高信噪比。通过光栅扫描金属测试图验证了成​​像性能,波导输出端的分辨率分别为4.5毫米(喇叭)和2.8毫米(贴片)。同时,通过使用半球形固体浸没透镜,可以表征和缓解诸如重影和光束不对称等伪影,从而将分辨率进一步提高到低至1.4毫米。该研究证明了引导式FMCW方法用于太赫兹成像和传感的可行性和通用性,展现了其在无损检测、远程材料表征、工业检测和文化遗产诊断等广泛应用领域的潜力。该方法能够利用导波太赫兹波、介质波导和毫米波调频连续波 (FMCW) 雷达技术,实现稳健、经济高效且可扩展的解决方案,并深入分析了耦合效率、动态范围、光束轮廓和成像分辨率等关键性能指标。这使得导波太赫兹调频连续波 (FMCW) 反射技术成为科学和工业领域先进传感和成像的实用替代方案,并支持导波太赫兹应用、无损检测和遥感技术的未来发展。相关的索引关键词包括:太赫兹波、介质波导、空芯波导、导波反射技术、调频连续波雷达、毫米波成像、信噪比、无损检测、电磁仿真、成像分辨率、固体浸没透镜、动态范围、耦合效率、光束轮廓、基于波导的传感、遥感、贴片天线、喇叭天线以及工业、科学或艺术诊断应用。

Fichier principal
Vignette du fichier
Terahertz Guided Reflectometry.pdf (3.02 Mo) Télécharger le fichier
Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
Licence

Dates et versions

hal-02896005 , version 1 (02-06-2025)

Licence

Identifiants

Citer

Mingming Pan, Adrien Chopard, Frederic Fauquet, Patrick Mounaix, Jean-Paul Guillet. Guided Reflectometry Imaging Unit using Millimeter Wave FMCW Radars. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2020, 10 (6), pp.647-655. ⟨10.1109/TTHZ.2020.3008330⟩. ⟨hal-02896005⟩
203 Consultations
272 Téléchargements

Altmetric

Partager

  • More