CN107515202A - 太赫兹光谱分析方法、***及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹光谱分析方法，包括：采集参考信号与样品信号；将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱；提取所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，获得样品的种类与含量。本发明还涉及一种太赫兹光谱分析***及设备。本发明提供的太赫兹光谱分析方法、***及设备，能够有效识别待测样品。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹领域，特别是涉及一种太赫兹光谱分析方法、***及设备。
背景技术
目前在太赫兹(THz)光谱探测领域应用最广的就是太赫兹时域光谱***(THzTDS)，该技术是20世纪80年代由AT&T,Bell实验室和IBM公司的T.J.Waston中心研究发展起来的。而该***进行的物质检测绝大部分采用的是透射成谱模式，对检测目标的位置，形貌和透过率均有一定要求(一般样品需进行预处理)，2003年，Matthew B.C.等人基于THz TDS***最早开展了对C4、太安和***的光谱测试研究。
传统的太赫兹时域信号分析都是建立在傅里叶变换的基础上的。傅里叶变换是一种全局的变换，把信号从整个时域变换到频域，用信号所包含的全部频率成分来描述信号在频域内的变化，不能够反映出局部信号频率的瞬时变化，而这种性质恰恰是非线性、非平稳信号最根本最关键的性质。在样品识别过程中，简单利用傅里叶变换来分析太赫兹时域信号，可能会造成重要的信息丢失，而且在时间和频率上分辨率低，不能准确识别待测样品。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够有效识别待测样品的太赫兹光谱的分析方法、***及设备。
一种太赫兹光谱分析方法，其中，所述方法包括：
采集参考信号与样品信号；
将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱；
提取所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，获得样品的种类与含量。
在其中一个实施例中，所述本征模态函数分量满足：
所述本征模态函数分量的极值点的个数与过零点的数量相同或最多相差一个；
在任一时间点上，所述本征模态函数分量局部极大值的包络与局部极小值的包络的平均值为零。
在其中一个实施例中，所述将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量的步骤包括：
将原始信号的极大值点与极小值点拟合成所述原始信号的包络线；
计算所述包络线的均值；
将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新的信号；
将所述新信号作为原始信号，重复上述步骤，直至得到的新信号满足所述两个预设条件，得到第一本征模态函数分量；
将原始信号与第一征模态函数分量差值作为原始信号，重复上述步骤，得到所有的本征模态函数分量。
在其中一个实施例中，所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
所述吸收谱通过以下方式获得：
α(f)＝-ln[As(f)/Ar(f)]/d
其中，Ar(f)和As(f)分别为频域的参考信号和样品信号，d为样品厚度，即太赫兹波穿过样品的长度。
在其中一个实施例中，所述获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量的步骤还包括：
根据待测样品的种类，将选取不同的本征模态函数分量进行任意组合，得到本征模态函数分量组合；
所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
根据与预设频率范围匹配的本征模态函数分量和/或本征模态函数分量组合，进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱。
一种太赫兹光谱分析***，其中，包括：
太赫兹光谱仪，用于产生太赫兹参考信号与样品信号；
信号处理装置，用于根据经验模态分解方法对所述参考信号与样品信号进行处理得到所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱，根据所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱得到样品的种类与含量。
在其中一个实施例中，所述信号处理装置包括：
信号采集单元，用于采集参考信号与样品信号；
信号分解单元，用于将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
本征模态函数分量选择单元，获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
吸收谱计算单元，用于对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；
样品检测单元，用于探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。
在其中一个实施例中，所述信号分解单元包括：
包络线拟合单元，用于将原始信号的极大值点与极小值点用三次样条函数分别拟合成所述原始信号的包络线；
均值计算单元，用于计算所述包络线的均值；
信号处理单元，用于将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新的信号；
本征模态函数获取单元，用于当所述均值趋于零时，得到第一本征模态函数分量；并将原始信号与第一本征模态函数分量差值作为原始信号，得到所有的本征模态函数分量。
一种可读存储介质，其中，所述可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现上述任意一项所述的方法的步骤。
一种太赫兹光谱分析设备，其中，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
采集参考信号与样品信号；
将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；
探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。
上述太赫兹光谱的分析方法、***及装置，基于经验模态分解，将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量，能够充分的利用所监测到的信息，在时间和频率上，具有更高的分辨率，从而能够更加准确的识别待测样品。
附图说明
图1为太赫兹光谱分析设备的结构示意图；
图2为太赫兹光谱的分析方法的流程图；
图3为参考信号和样品信号的时域图；
图4为参考信号和样品信号的频域图；
图5为太赫兹时域信号的各阶分量的示意图；
图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为通过原始信号、第一分量、第三分量得到的太赫兹吸收谱；
图7为太赫兹光谱分析***的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，图1为太赫兹光谱分析设备的结构示意图。其基本链接方式和原理如下：
飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，经过反射镜被分束器分为两束，一束泵浦光，用于激发天线或非线性晶体产生THz波，用于产生样品信号；一束探针光，用于对THz脉冲进行采样，用于采集背景参考信号。泵浦光经过斩波器被透镜汇聚到半导体表面，激发大量载流子自由移动。载流子在偏置电压的作用下产生定向移动的电流，所以，飞秒激光脉冲激发出的变化的电流辐射出太赫兹脉冲。发射器发出的太赫兹辐射脉冲经过离轴抛物面镜，四个反射镜被离轴抛物面镜汇聚到探测器上。探针光经过反射镜、延迟线等光路结构后被透镜汇聚到探测器上，继而探测光脉冲对太赫兹脉冲进行相干检测，经锁相放大器(锁相放大器参考信号由斩波器提供，只对被测信号本身和那些与参考信号同频或倍频、同相的噪声分量有响应，能抑制噪声，适用于太赫兹这种微弱信号的探测)放大，进入数据处理装置。由于两束飞秒脉冲受同样的触发信号同步控制，随着脉冲信号不断重复，探测光脉冲就能对单个THz脉冲完成采样，然后采样点信号在时域上进行重建，得到太赫兹时域光谱。
请一并参阅图2，图2为本发明一个实施例提供的太赫兹光谱的分析方法，可利用图1中的太赫兹时域装置，对待测样品进行分析。所述方法包括：
步骤S100，采集参考信号与样品信号；
步骤S200，将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量(IntrinsicMode Function，IMF)；
步骤S300，获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
步骤S400，对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱；
步骤S500，提取所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，获得样品的种类与含量。
本发明实施例提供的太赫兹光谱的分析方法，基于经验模态分解，将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量，能够充分的利用所监测到的信息，在时间和频率上，具有更高的分辨率，从而能够更加准确的识别待测样品。
作为其中一个实施例，在步骤S200中，所述本征模态函数分量满足两个预设条件：
所述本征模态函数分量的极值点的个数与过零点的数量相同或最多相差一个；
在任一时间点上，所述本征模态函数分量局部极大值的包络与局部极小值的包络的平均值为零，即包络关于时间轴局部对称。
这样，任意一个太赫兹信号就可以分解为有限个本征模态函数之和。这里第二个条件实现了将传统的全局限定变为局部限定，可以去除由于波形不对称造成的瞬时频率的波动。
作为其中一个实施例，所述将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量的步骤包括：
步骤S210，将原始信号的极大值点与极小值点拟合成所述原始信号的包络线；
步骤S220，计算所述包络线的均值；
步骤S230，将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新的信号；
步骤S240，将所述新的信号作为原始信号，重复上述步骤，直至得到的新信号满足所述两个预设条件，得到第一本征模态函数分量；
步骤S250，将原始信号与第一征模态函数分量差值作为原始信号，重复上述步骤，得到所有的本征模态函数分量。
具体的，将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量的步骤包括：
(1)找出信号x(t)的所有极大值点并将其用三次样条函数拟合成原信号上的包络线，对所有最小值也采用同样方法拟合包络；
(2)计算出上下包络的均值m1(t)，把原信号减去该均值得到一个新的信号h1(t)＝x(t)-m1(t)；
(3)对h1(t)重复进行上述处理，直到h1(t)满足本征模态函数的两个条件，也即所得到的的均值趋于零为止，得到第一个本征模态函数c1(t)；
(4)将c1(t)从x(t)信号中分离出来，将得到的差值信号r1(t)＝x(t)-c1(t)作为原始信号，重复以上步骤，依次得到其余信号分量。
作为其中一个实施例，在步骤S300中，所述获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量的步骤还包括：根据待测样品的种类，将选取不同的本征模态函数分量进行任意组合，作为新的本征模态函数分量。
不同的经验模态函数具有不同的时间尺度特征，越先得到的低阶分量包含越多的高频信息，越后得到的高阶分量包含越多的低频信息。所以，根据待测样品的种类，将选取不同的分量组合，如选取第一分量，第二分量，第三分量，第四分量等等或其中若干个分量的组合，如第一分量+第二分量，第一分量+第三分量，第一分量+第二分量+第三分量等等。
作为其中一个实施例，在步骤S400中，所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
根据选择的本征模态函数分量，对其进行傅里叶变换得到频域谱，利用如下公式得到吸收谱。
α(f)＝-ln[As(f)/Ar(f)]/d
其中Ar(f)和As(f)分别代表频域的参考信号和样品信号，d代表了样品厚度，即太赫兹波穿过样品的长度。
作为其中一个实施例，所述获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量的步骤还包括：
根据待测样品的种类，将选取不同的本征模态函数分量进行任意组合，得到本征模态函数分量组合。
所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
根据与预设频率范围匹配的本征模态函数分量和/或本征模态函数分量组合，进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱。
为详细说明，以水蒸气为例，因为水汽在太赫兹频段有丰富的强度不同的吸收峰，且在空气中含量极低，为了不失一般性，选择水蒸汽代表低浓度有弱吸收峰的物质，进行了3米距离针对空气的实验。光谱仪光路可通过四个反射镜进行调节，将太赫兹波传输光路延长三米。图3-图4是探测得到的参考信号和样品信号的时域频域图。
从图中可以看出，时域信号经过3米的传输距离，幅值从20690a.u.衰减到7784a.u.，平均衰减率是1.415dB/m。调节前的频域图中可以看出2.2THz以前的所有吸收峰，而且与标准值吻合程度很好。但是经过额外三米的传输距离，由于信号衰减和受噪声的影响，1.41THz以后的吸收峰位置利用传统太赫兹时域光谱仪无法被准确识别。
另外，采用本发明实施例提供的太赫兹光谱的分析方法，对调节前后的太赫兹信号进行经验模态分解，得到太赫兹时域信号的各阶分量，如图5所示。从图中可以看出，越低阶的经验模态函数信号能量(幅值)越大，频率也越高，越能反映信号的波动特性。同时，高阶分量，比如参考信号和样品信号的IMF4(第四分量)，两个信号形状相似，显示出信号本征的趋势。然后计算太赫兹吸收谱。图6(a)(b)(c)分别是原始信号(未采用本发明数据处理单元)、第一分量、第三分量的得到吸收谱。
从图6(a)可以看出大约1THz以上吸收系数就低于0了，只有1.41THz以下的吸收峰还可以辨识。但是，如果利用两个信号IMF1分量得到的吸收谱图6(b)中，可以清晰看出2.3THz以下所有太赫兹吸收峰。特别是对于2.04、2.17、2.26THz这些位置，频率越高，吸收系数也越大，位置越明显。这是因为IMF1本身就代表了信号高频的特征。同时，也可看出IMF1所涵盖的吸收峰的频率范围是完备的。因为不同的IMF分量代表信号不同的频率尺度。如果关注的是低频段的THz，可以选择高阶IMF比如IMF3。那么0.3-0.8THz之间的吸收峰就会更清晰地呈现，如图6(c)，对于如1.5THz以上的高频段，因为两个IMF3基本不包含有效的高频信息，所以在吸收谱中表现为噪声。这也从另一方面验证了低阶的IMF包含着更多的信息高阶的IMF需要根据想要观测的频段由光谱仪智能选择。所以，基于经验模态分解的太赫兹光谱分析方法，能够提高物质谱峰探测的准确率。
请一并参阅图7，本发明实施例还提供一种太赫兹光谱分析***，包括：
太赫兹光谱仪1000，用于产生太赫兹参考信号与样品信号；
信号处理装置2000，用于根据经验模态分解方法对所述参考信号与样品信号进行处理得到所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱，根据所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱得到样品的种类与含量。
作为其中一个实施例，所述信号处理装置2000包括：
信号采集单元2001，用于采集参考信号与样品信号；该信号采集单元2001可包括光电探测器等具有信号采集功能的电子装置。
信号分解单元2002，用于将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；该信号分解单元可包括解调器等具有信号分解、滤波功能的电路元件。
本征模态函数分量选择单元2003，获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；所述本征模态函数分量选择单元可包括比较器等具有比对筛选功能的逻辑电路等，也可为单片机等。
吸收谱计算单元2004，用于对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；该吸收谱计算单元可包括处理器、单片机等具有逻辑计算功能的电子元件或逻辑电路。
样品检测单元2005，用于探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。该样品检测单元可为计算器、单片机等具有吸收谱分析及比对功能的电子器件。
作为其中一个实施例，所述信号分解单元包括：
包络线拟合单元，用于将原始信号的极大值点与极小值点用三次样条函数分别拟合成所述原始信号的包络线；
均值计算单元，用于计算所述包络线的均值；
信号处理单元，用于将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新的信号；
本征模态函数获取单元，用于将所述新信号作为原始信号，重复拟合包络线及计算包络线的均值的步骤，直至得到的新信号满足所述两个预设条件，得到第一本征模态函数分量；并将原始信号与第一征模态函数分量差值作为原始信号，得到所有的本征模态函数分量。
本发明实施例还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现上述方法的步骤。
进一步，本发明实施例还提供一种太赫兹光谱分析设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
采集参考信号与样品信号；
将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；
探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。
本发明实施例提供的太赫兹光谱的分析***、装置及设备，基于经验模态分解，将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量，能够充分的利用所监测到的信息，在时间和频率上，具有更高的分辨率，从而能够更加准确的识别待测样品。
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流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序，可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种太赫兹光谱分析方法，其特征在于，所述方法包括：
采集参考信号与样品信号；
将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱；
提取所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，获得样品的种类与含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本征模态函数分量满足以下预设条件：
所述本征模态函数分量的极值点的个数与过零点的数量相同或最多相差一个；
在任一时间点上，所述本征模态函数分量局部极大值的包络与局部极小值的包络的平均值为零。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量的步骤包括：
将原始信号的极大值点与极小值点拟合成所述原始信号的包络线；
计算所述包络线的均值；
将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新信号；
将所述新信号作为原始信号，重复上述步骤，直至得到的新信号满足所述两个预设条件，得到第一本征模态函数分量；
将所述原始信号与第一征模态函数分量差值作为新的原始信号，重复上述步骤，得到所有的本征模态函数分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
所述吸收谱通过以下方式获得：
α(f)＝-ln[As(f)/Ar(f)]/d
其中，Ar(f)和As(f)分别为频域的参考信号和样品信号，d为样品厚度，即太赫兹波穿过样品的长度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量的步骤还包括：
根据待测样品的种类，将选取不同的本征模态函数分量进行任意组合，得到本征模态函数分量组合；
所述对与预设频率范围匹配的本征模态函数分量进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱的步骤包括：
根据与预设频率范围匹配的本征模态函数分量和/或本征模态函数分量组合，进行傅里叶变换，得到所述样品信号的吸收谱。
6.一种太赫兹光谱分析***，其特征在于，包括：
太赫兹光谱仪，用于产生太赫兹参考信号与样品信号；
信号处理装置，用于根据经验模态分解方法对所述参考信号与样品信号进行处理得到所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱，根据所述参考信号与样品信号的频域太赫兹光谱得到样品的种类与含量。
7.根据权利要求6所述的太赫兹光谱分析***，其特征在于，所述信号处理装置包括：
信号采集单元，用于采集参考信号与样品信号；
信号分解单元，用于将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
本征模态函数分量选择单元，用于获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
吸收谱计算单元，用于对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；
样品检测单元，用于探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。
8.根据权利要求6所述的太赫兹光谱分析***，其特征在于，所述信号分解单元包括：
包络线拟合单元，用于将原始信号的极大值点与极小值点用三次样条函数分别拟合成所述原始信号的包络线；
均值计算单元，用于计算所述包络线的均值；
信号处理单元，用于将所述原始信号减去所述包络线的均值得到新的信号；
本征模态函数获取单元，用于将所述新信号作为原始信号，重复计算所述包络线的均值，直至得到的新信号满足所述两个预设条件，得到第一本征模态函数分量；并将原始信号与第一本征模态函数分量差值作为原始信号，得到所有的本征模态函数分量。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现权利要求1-4中任意一项所述的方法的步骤。
10.一种太赫兹光谱分析设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
采集参考信号与样品信号；
将所述参考信号与样品信号分解为多个本征模态函数分量；
获取与预设频率范围匹配的本征模态函数分量；
对所述选择的本征模态函数分量进行傅里叶变换，利用预设公式得到所述样品信号的吸收谱；
探测所述吸收谱中的吸收峰，将所述吸收峰与样品数据库对比，得出样品的种类与含量。
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