第四章 太赫兹时域光谱
电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。人眼借
助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可
以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信
息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，
甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。
4.1 太赫兹时域光谱技术的优势
太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴
的、非常有效的相干探测技术。由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质（可参见第1章1.3节），太赫兹时域光谱技术对应有如下一些特性：
（1）THz -TDS系统对黑体辐射不敏感，在小于3太赫兹时信噪比可高达104，这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。
（2）由于THz -TDS技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信
息，所以它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。
（3）利用THz -TDS技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半
导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）以及超导材料等的振幅和
相位信息。
（4）在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，THz -TDS的非
接触性测量比基于Hall效应进行的测量更方便、有效。而且，THz -TDS技术已经
在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。
（5）由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用THz -TDS技术进行时间分辨的测
量。
另外，太赫兹-TDS技术还具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温下稳定
工作等优点，所以它可以广泛地应用于样品的探测。
4.2 太赫兹时域光谱系统 THz -TDS系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等，其中最常见的为透射式和反射式THz -TDS系统。典型的THz -TDS系统如图4-1所示，它主要由
自动控制原理教案
一、教材分析
《自动控制原理》是自动化专业的一门基础课程，主要介绍自动控制原理的基本概念、基本原理和基本方法。通过学习本课程，学生能够掌握自动控制系统的基本知识，了解自动控制原理在工程实践中的应用，并具备设计和分析自动控制系统的能力。
本教材主要包括以下内容：一、自动控制系统的基本概念和基本原理；二、控制系统的数学模型；三、时域分析方法；四、频域分析方法；五、稳定性分析与设计；六、校正与补偿。
二、教学目标
1. 理论目标：
（1）了解自动控制系统的基本概念和基本原理；
（2）掌握控制系统的数学模型表示方法；
（3）掌握时域分析方法和频域分析方法；
（4）掌握自动控制系统的稳定性分析与设计方法； （5）了解校正与补偿的基本方法。
2. 实践目标：
（1）培养学生分析和设计自动控制系统的能力；
（2）培养学生运用自动控制原理解决实际问题的能力；
（3）培养学生团队协作和沟通能力。
三、教学重点与难点
1. 教学重点：
（1）自动控制系统的基本概念和基本原理；
（2）控制系统的数学模型表示方法；
（3）时域分析方法和频域分析方法。
2. 教学难点：
（1）自动控制系统的稳定性分析与设计方法；
（2）校正与补偿的基本方法。
四、教学内容与教学方法 1. 教学内容：
第一章 自动控制系统基本概念
1.1 自动控制系统的定义和分类
1.2 自动控制系统的基本组成
1.3 自动控制系统的特点
第二章 自动控制系统数学模型
2.1 自动控制系统的数学模型表示
2.2 控制系统的状态方程表示
2.3 控制系统的传递函数表示
第三章 时域分析方法
3.1 系统的时域响应
3.2 时域性能指标
3.3 时域分析的基本方法
第四章 频域分析方法 4.1 复频域的基本概念
4.2 频域性能指标
4.3 常用频域分析方法
第五章 稳定性分析与设计
5.1 稳定性的基本概念
5.2 稳定性的判据
5.3 稳定性的设计方法
实验一、二阶系统时域响应特性的实验研究
一、 实验目的：
1. 学习并掌握利用MATLAB编程平台进行控制系统时域仿真的方法。
2. 通过仿真实验研究并总结二阶系统参数对时域响应特性影响的规律。
3. 通过仿真实验研究并总结二阶系统附加一个极点和一个零点对时域响应特性影响的规律。
二、 实验任务及要求：
（一） 实验任务：
自行选择二阶系统模型及参数，设计实验程序及步骤仿真研究二阶系统参数（nw,）对系统时域响应特性的影响；研究二阶系统分别附加一个极点、一个零点后对系统时域响应特性的影响；根据实验结果，总结各自的响应规律。
（二） 实验要求：
1. 分别选择不少于六个的nw和取值，仿真其阶跃（或脉冲）响应。通过绘图展示参数nw，对时域响应的影响。不同nw和变化分别绘制于两幅图中。
2. 通过图解法获得各时域响应指标，并进行比较，总结出二阶系统参数变化对时域系统响应特性影响的规律。
3. 分别选择不少于六个取值的附加零点、极点，仿真其阶跃（或脉冲）响应，将响应曲线分别绘制于两幅图中，并与无零、极点响应比较。
4. 通过图解法获得各响应的时域指标并进行比较分析系统附加零点、极点对二阶系统时域响应特性影响的规律。
以上仿真及图形绘制全部采用MATLAB平台编程完成
1-1：
wn=1;zeta=[0.1,0.2,0.4,0.7,1.0,2.0];
t=[0:0.1:12];num=[wn^2];
hold on
for i=1:length(zeta)
den=[1,2*zeta(i)*wn,wn^2]
sys=tf(num,den);
step(sys,t)
end
hold off
grid on
gtext('zeta=0.1');gtext('zeta=0.2');gtext('zeta=0.4');gtext('zeta=0.7');gtext('zeta=1.0');gtext('zeta=2.0');
实验报告
实验二 信号、系统及系统响应，离散系统的时域分析
一、实验目的
（1） 熟悉连续信号经理想采样前后的频谱变换关系，加深对时域采样定理的理解；
（2） 熟悉时域离散系统的时域特性；
（3） 利用卷积方法观察分析系统的时域特性；
（4） 掌握序列傅里叶变换的计算机实现方法，利用序列的傅里叶变换对连续信号、离散信号及系统响应进行频域分析。
（5） 熟悉并掌握离散系统的差分方程表示法；
（6） 加深对冲激响应和卷积分析方法的理解。
二、实验原理与方法
1、信号、系统及系统响应
采样是连续信号数字处理的第一个关键环节。对采样过程的研究不仅可以了解采样前后信号时域和频域特性发生的变化以及信号信息不丢失的条件，而且可以加深对傅里叶变换、Z变换和序列傅里叶变换之间关系式的理解。
我们知道，对一个连续信号xa(t)进行理想采样的过程可用(2-1)表示。
^()()()(21)aaxtxtpt
其中^()axt为()axt的理想采样，()pt为周期冲激脉冲，即
()()(22)npttnT
^()axt的傅里叶变换^()aXj为
^1()[()](23)aasmXjXjmT
（2-3）式表明^()aXj为()aXj的周期延拓，其延拓周期为采样角频率(2/)sT。其采样前后信号的频谱只有满足采样定理时，才不会发生频率混叠失真。
将（2-2）带入（2-1）式并进行傅里叶变换：
^()[()()]jtaanXjxttnTedt
[()()]jtanxttnTedt
()(24)jnTanxnTe
式中()axnT就是采样后得到的序列()xn，即
()()axnxnT
