CN104749133A - 一种时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种通过时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法。通过时域相关定位、尺度变换和延时相减去除反射峰的影响，增加太赫兹时域信号的有效长度，从而提高频域分辨率。本方法包括如下步骤：步骤一，获取主峰和反射峰起始点、谷点和峰值点对应的时间；步骤二，找出起始点、谷点和峰值点的位置；步骤三，提取主峰和反射峰的峰值；步骤四，计算衰减因子；步骤五，修复时域光谱；步骤六，获得频谱图；步骤七，计算吸收系数，比较修复前后的吸收谱图。该方法能准确去除时域信号的反射峰，同时能够有效提高太赫兹吸收谱的分辨率。

Description

一种时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及太赫兹时域光谱信号的处理。

背景技术

对于太赫兹（Terahertz，THz）光谱识别技术，由于大量分子的振动和转动能级正好处于太赫兹的频带范围之内，因此在用太赫兹时域光谱（Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS）技术探测生物样品时能够有效地产生共振吸收峰，从而为生物或大分子样品提供指纹谱并进行探测和识别成为可能。然而，由于探测晶体和天线基底材料的反射，使得系统中的THz光会发生多次反射，测得的时域信号出现多个反射峰。为了去除反射峰的影响，如果将太赫兹时域光谱信号截断至第一反射峰前，根据傅里叶变换理论，其频谱分辨率会大大降低，相应的吸收谱分辨率也会降低，不能反映吸收谱的精细程度，有些间隔很近的两个吸收峰会以一个峰的形式呈现，可以说分辨率过低的频域谱是不可靠的，从而影响吸收峰的辨识和物质的定性定量分析。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过太赫兹信号时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法，通过时域相关定位、尺度变换和延时相减去除反射峰的影响，增加太赫兹时域信号的有效长度，从而提高频域分辨率。通过本方法可以证明，时域信号处理提高太赫兹吸收谱分辨率是切实可行的。

为实现上述目的，本发明提供一种通过时域修复提高太赫兹频谱分辨率的方法，主要包括七个步骤：

步骤1，获取各峰值对应的时间。分别获取参考信号和测量信号主峰及多个反射峰的起始点、谷点和峰值点对应的时间；

步骤2，找出起始点、谷点和峰值点的位置。根据步骤1获得的时间分别得到参考信号和测量信号各个峰的起始点、谷点和峰值点的位置；

步骤3，提取峰值。根据步骤2中获得的各个峰值点的位置分别找出参考信号和测量信号主峰和各个反射峰的峰值；

步骤4，计算衰减因子。分别将反射峰峰值与主峰峰值相比得到衰减因子；

步骤5，修复时域光谱。根据步骤2获取的位置及步骤4得到衰减因子的对光谱进行修复，画出修复前后的时域谱图；

步骤6，获得频谱图。对修复前后的时域参考信号和测量信号进行傅里叶变换；

步骤7，计算吸收系数。根据步骤6得到参考信号和测量信号频谱，计算修复前后的吸收系数，根据商用集成仪器获得高分辨率的真实THz吸收系数，画出修复前后和真实的吸收谱图，并进行比较。

附图说明

图1为本发明的参考信号THz时域光谱修复前后比较图

图2为本发明的测量信号THz时域光谱修复前后比较图

图3为本发明的修复前的THz吸收谱图

图4为本发明的修复后的THz吸收谱图

图5为本发明的真实的THz吸收谱图

图6为本发明的修复前、修复后及真实的THz吸收谱比较图。

具体实施方式

以下将对本发明的时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法结合实例作进一步的详细描述。为了更好的体现本发明，在本实例中仅以水的吸收谱分辨率提高为例进行说明，但本领域技术人员应该熟知，根据本发明的技术思想可以实现多种物质的吸收谱分辨率提高。以下对通过时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率（以水的吸收谱为例，参考样本为空气中8.5%湿度时的水分，测量样本为空气中49%湿度时的水分）的方法进行详细说明。

根据发明内容可知道本发明一共包含7个步骤。

步骤1，获取各峰值对应的时间，将实验所测的参考信号和测量信号数据导入程序，利用峰值查找方法得到主峰谷点对应时间tv0和峰值点对应时间tp0，tv0往前推20个点即主峰起始点对应时间ts0；然后将主峰与后面的信号进行互相关，可得到第一反射峰起始点对应时间ts1、谷点对应时间tv1和峰值点对应时间tp1，第二反射峰起始点对应时间ts2、谷点对应时间tv2和峰值点对应时间tp2，以此类推。

步骤2，找出起始点、谷点和峰值点的位置。根据步骤1得到的各个时间，利用时间和数据序号的关系进行定位，如利用时间除以采样间隔分别找到ts0、tv0和tp0主峰对应的序号：起始点ns0、谷点nv0和峰值点np0。利用相同的方法找到第一反射峰起始点ns1、谷点nv1和峰值点np1，第二反射峰起始点ns2、谷点nv2和峰值点np2，以此类推。

步骤3，提取峰值，根据步骤2中获得的各个峰值点的位置直接获取参考信号和测量信号主峰和各个反射峰的峰值。

步骤4，计算衰减因子，根据步骤3提取出的各个峰值，将各个反射峰峰值分别与主峰峰值相比，得到衰减因子A1、A2……。

步骤5，修复时域光谱，根据步骤2获取的位置及步骤4得到的衰减因子对时域信号进行修复，设第一个反射峰的起始点到第二个反射峰起始点的距离为L：

                                                                                                           (1)

设主峰起始点ns0到ns0+L距离间的信号序列为F0，第一反射峰起始点ns1到第二反射峰起始点ns2的信号序列为F1，第二反射峰起始点ns2到ns2+L距离间的幅值序列为F2，

光谱修复采用如下方法：

                                                      (2)

                                                      (3)

其中F3为第一反射峰修复后的信号序列，F4为第二反射峰修复后的信号序列，如果有更多的反射峰，可采用相同的修复方法进行。画出修复前后的时域谱图并进行比较，如图1、2所示，可以比较得出，通过本方法修复后反射峰被明显削弱。

步骤6，获得频谱图，对修复前后的时域参考信号和测量信号进行傅里叶变换。设时域信号为x(n)，N点离散傅里叶变换公式为：

                       (4)

频谱分辨率，T ₀为时域信号长度，增加T ₀，可有效提高频谱分辨率。对测得的参考信号和测量信号进行傅里叶变换，得到相位谱 和，相位的单位为幅度，采用线性拟合的方式进行校正。通过取模得到幅度谱A_r(ω)和A_s(ω)。

步骤7，计算吸收系数，根据幅度谱A_r(ω)和A_s(ω)可得振幅比，通过相位谱可得相位差，折射率计算公式为：

                                                (5)

其中c是真空中光速，ω是角频率，d是样品厚度。吸收系数计算公式为：

                                  (6)

根据步骤6得到修复前后的参考信号和测量信号幅度谱和相位谱，根据公式（5）和（6）计算修复前后的吸收系数，根据商用THz－TDS 系统（Zomega 公司，Z-3）获得的高分辨率THz频谱图和吸收系数，当做真实的吸收谱图，并与修复前后的吸收谱图进行比较。

根据计算所得的吸收系数，画出修复前的吸收谱，如图3所示，图4为修复后的吸收谱图，图5为真实谱图。将他们画在同一幅图形中进行比较，如图6所示。

从图6中可以明显的看出，在频率为1.2THz、1.62THz、1.78THz及1.9THz附近修复前和修复后的吸收峰的个数存在很大的差异。在频率为1.2THz附近，应该有两个吸收峰出现，但是修复前的信号一个吸收峰都没有。同样，在频率为1.62THz和1.78THz附近应该分别有一个和两个吸收峰出现，但是修复前的信号在这两个频率附近没有吸收峰。在频率为1.9THz附近修复后信号的吸收峰有两个，而修复前的信号只有一个吸收峰，表明通过时域修复提高了吸收谱的分辨率。

同时，通过比较真实的和修复后的吸收谱，吸收峰位置和个数都非常一致，可以证明本方法能很好的还原出真实的吸收谱。

Claims (7)

1.一种时域修复技术提高太赫兹吸收谱分辨率的方法，包括七个步骤：

步骤1，获取各峰值对应的时间，分别获取参考信号和测量信号主峰及多个反射峰的起始点、谷点和峰值点对应的时间；

步骤2，找出起始点、谷点和峰值点的位置，根据步骤1获得的时间分别得到参考信号和测量信号各个峰的起始点、谷点和峰值点的位置；

步骤3，提取峰值，根据步骤2中获得的各个峰值点的位置分别找出参考信号和测量信号主峰和各个反射峰的峰值；

步骤4，计算衰减因子，分别将反射峰峰值与主峰峰值相比得到衰减因子；

步骤5，修复时域光谱，根据步骤2获取的位置及步骤4得到衰减因子的对光谱进行修复，画出修复前后的时域谱图；

步骤6，获得频谱图，对修复前后的时域参考信号和测量信号进行傅里叶变换；

步骤7，计算吸收系数，根据步骤6得到参考信号和测量信号频谱，计算修复前后的吸收系数，根据商用集成仪器获得高分辨率的真实THz吸收系数，画出修复前后和真实的吸收谱图，并进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其中修复对象包括水、炸药、氨基酸等所有能够测量太赫兹时域光谱的物质。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤1中获取各峰值对应时间，主峰谷点对应时间为tv0，峰值点对应时间为tp0，主峰起始点对应时间为ts0，通过主峰与后面的信号进行互相关，得到第一反射峰起始点对应时间ts1、谷点对应时间tv1和峰值点对应时间tp1，第二反射峰起始点对应时间ts2、谷点对应时间tv2和峰值点对应时间tp2，以此类推。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2中找出起始点、谷点和峰值点的位置是需要分别找出主峰和反射峰的具体位置，具体的方法是根据步骤1得到的各个时间，利用时间和数据序号的关系进行定位，如利用时间除以采样间隔分别找到主峰ts0、tv0和tp0对应的序号：起始点ns0、谷点nv0和峰值点np0，利用相同的方法找到第一反射峰起始点ns1、谷点nv1和峰值点np1，第二反射峰起始点ns2、谷点nv2和峰值点np2，以此类推。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3提取峰值是获取参考信号和测量信号主峰和各个反射峰的峰值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4计算衰减因子是用反射峰峰值作为分子，主峰峰值作为分母，这样得到的比值才称为本发明中的衰减因子A1、A2……。

7.根据权利要求1所述方法，其中步骤5修复时域光谱使用的具体方法是：

设第一个反射峰的起始点到第二个反射峰起始点的距离为L：

                                                                                      (1)

设主峰起始点ns0到ns0+L距离间的信号序列为F0，第一反射峰起始点ns1到第二反射峰起始点ns2的信号序列为F1，第二反射峰起始点ns2到ns2+L距离间的幅值序列为F2，光谱修复采用如下方法：

                                   (2)

                                  (3)

其中F3为第一反射峰修复后的信号序列，F4为第二反射峰修复后的信号序列，如果有更多的反射峰，可采用相同的修复方法进行。