CN104749130B - 太赫兹时域光谱***的快速扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹时域光谱***的快速扫描方法，包括：基于控制装置的读取命令，在读取时间段中，锁相放大器同时从扫描振镜读取扫描振镜的位置驱动电压和从光电平横探测器读取差分电流信号；锁相放大器将读取位置驱动电压和差分电流信号作为一个数据元发送给控制装置；控制装置的采集单元将数据元依次缓存入由预创建的数据队列中；控制装置的处理单元从所述数据队列中提取缓存的数据元，将数据元中的差分探测器的差分电流作为太赫兹时域波形的纵坐标，将扫描振镜的位置驱动电压转化成太赫兹脉冲的持续时间作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示，并在处理之后从数据队列中删除该提取的数据元。

Description

太赫兹时域光谱***的快速扫描方法

技术领域

本发明涉及太赫兹时域光谱***扫描技术，尤其涉及太赫兹时域光谱系的快速扫描方法。

背景技术

太赫兹时域光谱***可采集违禁化学药品诸如各类单质***、毒品，在太赫兹波段的特征指纹谱，将被检样品的太赫兹频段吸收谱与标准数据谱库内的违禁化学药品的指纹吸收谱数据比对，可有效识别被检物的种类。

通常，太赫兹(THz)时域波形的采集需要采集以步进扫描电机实现的平移台的位置，并将采集的平移台的位置转化为时间作为横坐标，锁相放大器读取平横探测器的差分光电流作为纵坐标，并基于所获得的横坐标和纵坐标值描绘出太赫兹时域波形。在采集过程中，平移台所经过的位置是通过计算机预先设定好的，并且将预先设定的位置指令传给平移台控制器，平移台控制器移动到指定位置并停在该位置，等待在该位置读取信号电流；之后，再移动到下一个位置，再读取下一个位置的信号电流。显然，这种一步一停、一停一读的数据采集方式导致了扫描速度的低效，无法适应实际应用的需要。

发明内容

本发明实施例提供了一种太赫兹时域光谱***的快速扫描方法，采取可连续高速运动的扫描振镜替代原有的步进扫描电机的平移台，并设计了数据采集方案，提高太赫兹时域光谱***的扫描速率，使太赫兹时域光谱***更加适应实际应用的需要。

根据本发明的一个方面，提供了一种太赫兹时域光谱***的快速扫描方法，所述太赫兹时域光谱***配置有位于泵浦光路中的连续高速运动的扫描振镜，所述扫描振镜连接到锁相放大器，光电平衡探测器连接至所述锁相放大器的信号输入端口，所述锁相放大器经GPIB通信端口连接到控制装置，所述方法包括：响应于来自所述控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平横探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号，其中m为自然数；所述锁相放大器将读取的m个时间点中的每一个时间点的位置驱动电压和差分电流信号发送给所述控制装置，作为一个数据元；

所述控制装置的采集单元将所述m个数据元依次缓存入由所述采集单元预先创建的数据队列中；所述控制装置的处理单元从所述数据队列中提取缓存的数据元，将提取的数据元中的差分探测器的差分电流作为太赫兹时域波形的纵坐标和将扫描振镜的位置驱动电压转换为太赫兹脉冲的持续时间t作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示，并在处理之后从数据队列中删除该提取的数据元，Δx为扫描振镜移动的距离，c为光速。

其中，所述数据元为二维数组，该二维数组的第一列为扫描振镜的位置驱动电压，第二列为所述差分电流信号的时域波形的幅值。

根据本发明，所述扫描振镜采用非对称三角波运动方式，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平衡探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号的步骤具体为：

在所述非对称三角波的负最大值到正最大值的上升时间段的m个时间点的每一个，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平衡探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号。

其中，在所述非对称三角波的正最大值到负最大值的下降时间段中：所述锁相放大器停止读取所述位置驱动电压和差分电流信号。

进一步，所述读取时间段包括非对称三角波的N个周期，每一个周期中包含k个时间点，k＝m/N，k和N均为自然数；

在将数据元中的差分探测器的差分电流作为时域波形的纵坐标和将扫描振镜的位置驱动电压作为时域波形的横坐标进行实时显示的步骤之前，所述处理单元：

a)将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动电压累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压；

b)将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的差分电流累加后除以N，作为第i个时间点的差分电流，其中i＝1,2,3,…，k。

进一步，如果所述读取时间段包括非对称三角波的H个周期，且H大于N，H为自然数，则步骤a)之前，所述处理单元进一步：

将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除；

基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行步骤a)和b)。

所述快速扫描方法，进一步包括：将所述太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹的频域波形数据，根据该数据绘出太赫兹信号随频率变化的曲线并进行显示。

本发明中，针对太赫兹时域光谱***，通过在太赫兹时域光谱***中安装一面扫描振镜替代传统的步进电控平移台作为延迟线，扫描振镜可实现连续高速的移动，配合以例如Labview语言编写的适合快速扫描方的控制程序，实现了时域光谱***的扫描速度的提高，使时域光谱***更加实用。

附图说明

图1为太赫兹时域光谱***图。

图2为本发明实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描的数据采集方案图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的流程图。

图4示出了根据本发明的另一个实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的流程图。

图5示出了以Labview语言实现的快速扫描程序结构图。

图6示出了实施本发明的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的程序的界面截图。

图7示出了采用本发明的实施例的方法获得的配置有扫描振镜的太赫兹时域光谱***的测量的太赫兹时域波形图。

图8为太赫兹波形采集原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明实施例的技术方案中，针对太赫兹时域光谱***，通过在太赫兹时域光谱***中安装一面扫描振镜替代传统的步进电控平移台作为延迟线，扫描振镜可实现连续高速的移动，配合适合快速扫描测量控制程序，例如，以Labview语言编写的扫描测量控制程序，实现了太赫兹时域光谱***的扫描速度的提高，使时域光谱***更加实用。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。

如图1所示，示出了太赫兹时域光谱***。如图1所示，本发明中使用扫描振镜替代传统的电控平移台作为延迟线，安装于泵浦光路中。除了扫描振镜替换了传统的电控平移台之外，图1的太赫兹时域光谱***为已知的，在此略去详述。在图1的太赫兹时域光谱***中，通过扫描振镜的高速移动完成太赫兹波和探测激光脉冲之间的光程差的改变，实现太赫兹时域波形的扫描，波形扫描原理如图8所示。其中，探测激光脉冲由平横探测器进行检测，并输出差分电流信号。

图2示出了本发明实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描的数据采集方案图。如图2所示，将扫描振镜的后面板的输出电压接口连接至锁相放大器的AUX接口，用于读取扫描振镜的位置驱动电压，从而确定扫描振镜的瞬时位置。扫描振镜的运动方式可以预先设置，例如可以将扫描振镜的运动方式设置为非对称三角波的方式。图2中，光电平衡探测器连接至锁相放大器的信号输入端口以读取差分光电流。锁相放大器将读取的数据通过GPIB(通用接口总线)通信端口连接至控制装置，用于将锁相放大器的读取的数据传给控制装置。控制装置包括采集单元和处理单元。采集单元将读取的数据形成一个二维数组，其中，第一列为扫描振镜的不同时刻的位置信息，第二列为扫描振镜处于不同位置时的差分光电流值，该值正比于太赫兹时域波形的电场幅值。

图3示出了根据本发明的一个实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的流程图。在步骤302，控制装置向锁相放大器发出读取命令。在步骤304，响应于来自所述控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点，锁相放大器从扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压，并且同时从光电平横探测器读取的差分电流信号，该差分电流信号与太赫兹信号电场强度成正比，其中m为自然数。

接下来，在步骤306，锁相放大器将读取的m个时间点中的每一个时间点的位置驱动电压和差分电流信号发送给控制装置，作为一个数据元。在步骤308，控制装置的采集单元将接收的m个数据元依次缓存入由所述采集单元预先创建的数据队列中。

在步骤310，控制装置的处理单元从数据队列中提取缓存的数据元。在步骤312，将提取的数据元中的差分探测器的差分电流信号作为太赫兹时域波形的纵坐标和将扫描振镜的位置驱动电压转换成太赫兹脉冲的持续时间作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示，并在处理之后从数据队列中删除该提取的数据元，其中，Δx为扫描振镜移动的距离，c为光速。例如，图7示出了采用本发明的实施例的方法获得的配置有扫描振镜的太赫兹时域光谱***的测量的太赫兹时域波形图。

在步骤314，控制装置的处理单元将太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹的频域波形数据，其横坐标为频率，纵坐标为差分电流在各频率上的分量，根据该波形数据进行频域曲线的显示。之后，流程结束于步骤316。

图4示出了根据本发明的另一个实施例的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的流程图。图4的实施例与图3所示实例基本相同，不同之处在于在步骤310和312之间还包括步骤3102,3104和3106。

本发明的实施例中，考虑到波形的快速采样过程中，缩短了锁相放大器的积分时间，会造成噪声的增加，因此针对太赫兹时域光谱***的扫描采取多个时域波形进行叠加的设计。换言之，可以预先设N个时间周期，例如非对称三角波的N个时间周期，在这N个时间周期中进行数据采集。在这种情况下，在每一个时间周期中，均采集k个时间点的数据(包括位置驱动电压和差分电流信号)，其中k为自然数并且k＝m/N。

在步骤3104，所述处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动电压累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压。在步骤3106，所述处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的差分电流累加后除以N，作为第i个时间点的差分电流，其中i＝1,2,3,…，k。

可选地，如果实际采集了H个时间周期，H为自然数并且大于N，那么当采集的波形超出N个，第一次采集的数据将被删除，第N+1组的数据被加入；第二次采集的数据被删除，第N+2组的数据被加入，依次类推，处理单元总保持采用N个数据元进行平均。即，在步骤3102，将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除；基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行步骤3104和3106。显然，如果H与N相同，则不存在步骤3102。

实例

本发明的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法可以包括数据采集、处理两个部分，采用“生产者/消费者”结构。例如，图5示出了以Labview语言实现的快速扫描程序结构图，其采用“生产者/消费者”结构。在图5所示的结构中，一个循环用作数据的采集，另一个循环进行数据处理分析和结果显示。本实例中，采用数据队列作为缓存，新采集到的数据直接放到队列中。采用这种结构，耗时很少；数据采集多快，就可以多快的速度存放在缓存里。数据处理分析和结果显示部分不停的从队列中取出数据，对读取的数据进行处理，且将经过处理的数据从队列里删除，以腾出缓存中的空间。采用“生产者/消费者”的优点是可避免由于两个独立的循环运行周期不同所造成的一些问题，如当数据采集周期小于数据处理的周期时，采集的数据将会被重复利用，当采集数据的周期大于数据处理的周期，采集的数据不能及时的处理，将会被新采集的数据覆盖而造成数据的丢失。

在图5以Labview语言实现的快速扫描程序结构图中，程序实现以下几个功能：

第一部分，数据采集，通过锁相放大器读取扫描振镜的位置驱动电压和差分光电流，形成二维数组，第一列为扫描振镜的位置驱动电压，第二列为差分电流信号的时域波形的幅值。

第二部分，采集到的数据为形成二维数组，但并不是所有的数据点都是需要的。例如，当扫描振镜采用的是非对称三角波运动模式时，当扫描振镜在非对称三角波运动模式的负最大运动到正最大过程中即上升时间段中，采集的数据是所需的THz波形，当扫描振镜从正最大运动回到初始位置时(负最大)过程，不采集数据或者将采集到的数据摒弃。也即是说，程序中扫描振镜的位置驱动电压的上升时间段中保持采集触发模式，仅在这期间采集的数据进行输出到一下部分，作为时域光谱数据。

第三部分，考虑到波形的快速采样过程中，缩短了锁相放大器的积分时间，会造成噪声的增加，因此采取多个时域波形进行叠加。程序运行前，可以预先设定由在非对称三角波的N个时间段中采集的N个波形进行平均，程序实现当采集的波形数小于N时，这些波形都被存储在一个数组中，当采集的波形超出N个，第一次采集的数据将被删除，第N+1组的数据被加入，总保持内存中有N个波形数据进行平均，以实现光谱数据的实时更新显示输出。

第四部分，波形的显示，采集的时域波形经过多次平均以后在主界面显示出来，为了及时看到***频域谱，程序对采集的时域波形做傅里叶变换以实时显示频谱信息。图6示出了实施本发明的太赫兹时域光谱***的快速扫描方法的程序的界面截图。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种太赫兹时域光谱***的快速扫描方法，所述太赫兹时域光谱***配置有位于泵浦光路中的连续高速运动的扫描振镜，所述扫描振镜经其驱动电压输出端口连接到锁相放大器，光电平衡探测器连接至所述锁相放大器的信号输入端口，所述锁相放大器经GPIB通信端口连接到控制装置，所述方法包括：

响应于来自所述控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平横探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号，其中m为自然数；

所述锁相放大器将读取的m个时间点中的每一个时间点的位置驱动电压和差分电流信号发送给所述控制装置，作为一个数据元；

所述控制装置的采集单元将所述m个数据元依次缓存入由所述采集单元预先创建的数据队列中；

所述控制装置的处理单元从所述数据队列中提取缓存的数据元，将提取的数据元中的差分探测器的差分电流作为太赫兹时域波形的纵坐标和将扫描振镜的位置驱动电压转化为太赫兹脉冲的时域长度t作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示，并在处理之后从数据队列中删除该提取的数据元，其中，Δx为扫描振镜移动的距离，c为光速；

其中，所述扫描振镜采用非对称三角波运动方式，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平衡探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号的步骤具体为：

在所述非对称三角波的负最大值到正最大值的上升时间段的m个时间点的每一个，所述锁相放大器同时从所述扫描振镜读取所述扫描振镜的位置驱动电压和从所述光电平衡探测器读取与太赫兹信号电场强度成正比的差分电流信号。

2.如权利要求1所述的快速扫描方法，其中，所述数据元为二维数组，该二维数组的第一列为扫描振镜的位置驱动电压，第二列为所述差分电流信号的时域波形的幅值。

3.如权利要求2所述的快速扫描方法，其中，在所述非对称三角波的正最大值到负最大值的下降时间段中：

所述锁相放大器停止读取所述位置驱动电压和差分电流信号。

4.如权利要求3所述的快速扫描方法，其中，所述读取时间段包括非对称三角波的N个周期，每一个周期中包含k个时间点，k＝m/N，k和N均为自然数；

在将数据元中的差分探测器的差分电流作为太赫兹时域波形的纵坐标和将扫描振镜的位置驱动电压作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示的步骤之前，所述处理单元：

a)将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动电压累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压；

b)将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的差分电流累加后除以N，作为第i个时间点的差分电流，其中i＝1,2,3,…，k。

5.如权利要求4所述的快速扫描方法，如果所述读取时间段包括非对称三角波的H个周期，且H大于N，H为自然数，则步骤a)之前，所述处理单元进一步：

将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除；

基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行步骤a)和b)。

6.如权利要求1所述的快速扫描方法，进一步包括：

将所述太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹波的频域波形数据，其横坐标为频率，纵坐标为差分电流在各频率上的分量，根据该波形数据绘制频域波形曲线并显示。