Off-axis holography in microwave imaging systems

Abstract

En las pasadas décadas, la investigación en tecnología de terahercios fue únicamente motivada por instrumentación para los campos de astrofísica y ciencias de la tierra. La principal línea de investigación de estos campos comprende la detección, identificación y mapeo mediante espectroscopia molecular de bandas de emisión y absorción de gases a baja presión. Este campo fue el mayor foco de desarrollo que permitió en primer lugar el desarrollo de instrumentación y tecnología a bandas de terahercios. En contraposición con su uso en campos científicos, la radiación de terahercios es una de las bandas de radio-frecuencia menos usadas en el ámbito comercial. La escasez de fuentes, sensores, sub-sistemas e instrumentos ha dificultado en los últimos años la proliferación de aplicaciones para un mayor público de consumo. La combinación de los últimos avances tecnológicos provenientes del campo científico, así como el descubrimiento de nuevas aplicaciones ha despertado de nuevo el interés por este campo, lo que ha supuesto un nuevo impulso económico para el desarrollo a estas frecuencias tanto a nivel público como privado. Además del mencionado interés científico, la radiación de terahercios tiene características muy atractivas como por ejemplo una buena resolución espacial (comparada con menores frecuencias), penetración en materiales, capacidades espectroscópicas, absorción por humedad y niveles bajos de energía. El trabajo desarrollado en esta tesis es parte de un proyecto de investigación a nivel nacional Español denominado Terasense. El interés principal de este proyecto es equipar las instituciones de investigación académicas con un nuevo conjunto de instrumentación y capacidades para poder desarrollar proyectos en el estado del arte en el campo de ondas milimétricas y sub-milimétricas. El objetivo principal de esta tesis es explorar la viabilidad de sistemas de imagen en microondas y ondas milimétricas basados en técnicas holográficas mediante medidas de intensidad. En este documenta se estudia principalmente el uso de la técnica holográfica con referencia desplazada. No solo desde un punto de vista teórico sino especialmente desde un punto de vista experimental y práctico. En la tesis, diferentes experimentos y dispositivos son simulados, diseñados e implementados. La ida y vuelta entre software y hardware ha permitido la creación de un marco de desarrollo para el test de las diferentes técnicas de imagen estudiadas. El rango de frecuencia escogido como meta para este proyecto es la banda de frecuencia W (75-110 GHz). Sin embargo, muchos experimentos han sido desarrollados primero en banda X (8-12 GHz) para desarrollar la experiencia necesaria requerida para trabajar a frecuencias superiores en el rango de las ondas milimétricas.

In past decades research in terahertz technology was solely motivated by instruments for topics such as astrophysics, planetary and earth sciences. Molecular line spectroscopy detection, identification and mapping of thermal emission and absorption signatures from low pressure gases comprised the main focus for most scientific requirements and motivated the development of terahertz instrumentation and technology. In spite of the scientific contributions of terahertz radiation, its spectrum is still one of the least used electromagnetics bands in commercial use. The unavailability of sources, sensors, sub-systems and instruments has been a cumbersome issue over the past years for its wide-spread use in commercial instrumentation. The combination of technological advances coming from the space-based community, along with the emergence of new applications, have managed to drive again the interest from both public and private sectors which has renown and skyrocketed the funding and research in terahertz applications. Aside from the aforementioned scientific interest, terahertz radiation has appealing characteristics such as good imaging resolution (as compared to lower frequencies), material penetration, spectroscopic capabilities, water absorption and low energy levels. The work of this thesis is part of a Spanish national research project called Terasense. The main focus of the project is to equip national academic research institutions with a completely new set of instrumentations and capabilities in order to advance towards the current state of the art in millimeter and sub-millimeter wave technologies. The main objective of this thesis is to explore the viability of microwave and millimeter-wave imaging systems based on intensity-only holographic techniques. This dissertation is mostly focused on the Off-Axis Holography technique. Not only from a theoretical perspective but specially from an actual implementation standpoint. In order to do so, different experimental setups and devices have been designed and manufactured. Iteration between hardware and software has created a framework for devising and testing different imaging techniques under consideration. The frequency range W-Band (75-110 GHz) has been chosen as the main goal for all systems under study, however different setups will first be constructed, characterized and tested at X-Band (8-12 GHz) in order to build up the expertise required to work at millimeter-wave frequencies.