CN105403531B - 测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法。本发明公开了一种根据提高的精度测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法。示例性数据集是时域太赫(TD‑THz)数据中脉冲的渡越时间。脉冲时间的精度直接影响确定的样本性质测量(例如，厚度)的精度。另外，内部校准标准具结构和算法方法提供了连续系统精度/准确性检查方法以增加样本测量完整性。标准具结构能够提高样本性质测量(例如，绝对厚度)的精度。描述了以上的各种硬件和系统实现方式。

Description

测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法
本申请是国际申请日为2008年7月14日的、名称为“测量时域数据中脉冲的渡越时间位置的系统和方法”的发明专利申请No.200880106694.X(PCT/US2008/069935)的分案申请。
背景技术
本发明涉及测量时域波形数据中脉冲的渡越时间的方法。使用时域太赫数据给出示例以确定样本性质。太赫电磁辐射在很多工业测量应用中有潜在的用处。在TD-THz，辐射的基本上单周期的脉冲(近似1ps宽度，图1)被同步产生和检测。这种同步方法导致波形时间窗上辐射的电场强度的高保真测量。这种窗口的宽度可根据使用的仪表设备在宽范围中变化。由于THz辐射脉冲在时间上非常短暂，所以它们将包含非常宽的频带(10GHz直到50THz)。
一旦TD-THz脉冲与样本互相作用，就能够从获取的时域数据提取一些有用的测量结果。可能的测量结果包括但不限于：样本质量、厚度、密度、折射率、密度和表面变化以及光谱学(例如，湿气含量、多形体识别)。
图2表示太赫发射器10和太赫接收器12。TD-THz，在THz脉冲与材料互相作用之后的THz脉冲的变化记录于时域波形中。例如，作为穿过样本14的脉冲，与穿过空气路径的相同脉冲的传输相比，该脉冲到达接收器将会衰减和延迟(图2)。脉冲延迟的量由材料的群组折射率值和样本射束中的质量的值确定。脉冲的衰减也取决于材料的折射率(Fresnel反射损失)、样本对辐射的散射和材料对脉冲的频率的衰减。
在最上面的示意图中，THz脉冲以最小的飞行时间穿过空气并且没有幅度损失。在THz射束路径中加入基本上透明的固体材料(例如，塑胶、纸和布)(左下角)将会导致更长的脉冲飞行时间。增加的飞行时间与材料的质量和折射率成比例。在右下角的示意图中，除了产生飞行时间脉冲延迟之外，散射或吸收介质(诸如，装着泡沫或水的布)还会减小脉冲幅度。
利用从样本反射TD-THz脉冲能够进行很多测量(图3)。图3显示了一组可能的互相作用和由此能够测量的样本性质。所有测量的一致要求是对TD-THz脉冲的渡越时间值的精确确定。
一个示例性测量是样本厚度测量。可以根据透射或反射光学几何进行这种测量。在透射中，样本14导致的THz脉冲的延迟能够用于测量厚度(图4)。在图4中，线16代表没有样本。线18代表薄样本。线20代表厚样本。这种方法需要从在两个不同时间获取的两个时域波形确定峰的时间位置(即，样本进出射束)。如果任一峰的位置由于仪表或环境条件而移位，则这种方法会导致偏移或定标误差。
另一方面，THz脉冲将会在任何交界面反射一些能量(例如，Fresnel反射)。参照图5，示出了多程样本室21。如图6中所示，能够观察到从样本的前表面和后表面使用镜子22和24进行的反射。这两个反射峰之间的时间延迟由材料的质量和折射率确定。因此，可以根据单一时域波形来测量样本的质量、样本的厚度和/或密度。以这种方式进行的测量将会表现出减小的偏移或时间斜率误差。
使THz脉冲多次通过样本将会增加观察到的时间延迟而不会改变脉冲时间测量的不精确性(只要保持足够的信噪比)。这个概念显示在图4中。这种方法将会增加整体样本厚度测量精确度。
反射波形的一个有趣方面是波形脉冲的极性。TD-THz测量直接的电场，因此脉冲的极性就指示电场极性。在透射测量中，样本的存在不影响脉冲极性。然而，对于反射测量，当从低到高折射率或金属交界面反射时，脉冲将会翻转极性。这就是为什么图6的反射波形中的第一脉冲(空气到样本)极性翻转的原因。反射的强度尤其取决于两种材料之间的折射率差。这个信息能够用于确定横跨交界面的两种材料的折射率变化差值，包括差值的符号。
附图说明
图1表示时域太赫(TD-THz)波形；
图2表示THz脉冲与材料的互相作用；
图3表示TD-THz脉冲的示例性反射互相作用；
图4表示空气和各种厚度样本的透射测量；
图5表示多程样本室；
图6表示样本的反射TD-THz波形；
图7表示从各种材料厚度反射的TD-THz脉冲的仿真例子；
图8表示应用于各种样本厚度的边缘中点算法的图；
图9表示峰峰反射波形幅度对样本厚度的图；
图10表示用于中点确定的脉冲边缘；
图11表示所选择的边缘中点的线性拟合；
图12表示中点确定的流程图；
图13表示多峰寻找的两种标准情况；
图14表示多峰寻找的两种非标准“双极”情况；
图15表示第一峰标注为双极并且第二峰标注为标准类型的情况；
图16表示模型波形；
图17表示样本波形，其中，前两个峰是塑料垫片，后两个峰是硅参考标准具；
图18表示模型波形峰的放大图；
图19表示样本波形峰的放大图；
图20表示使用256个点的模型波形对样本波形的试验拟合的开始点；
图21表示在方法优化之后的最后结果；
图22表示塑料垫片厚度测量结果；
图23表示用于去卷积方法的样本数据；
图24表示图23中的数据的Fourier变换；
图25表示样本除以基准的频域结果；
图26表示把Tikhonov滤波器应用于图25的结果导致对于具有更大信噪比的频率的数据重新分配权重；
图27表示图26中的数据的逆Fourier变换，是图23中的数据的完成的去卷积；
图28表示应用于去卷积结果的模型拟合；
图29表示把图27与Gaussian函数进行卷积的结果；
图30表示图29的模型拟合；
图31表示包括反射的图30的模型拟合；
图32表示具有内部校准标准具的传感器；
图33表示来自内部校准标准具传感器和单层样本的反射波形；
图34表示ICE/后反射器结构，其中，最左边的图是空结构，而最右边的图是具有样本的结构；
图35表示内部校准标准具/后反射器结构中的样本的TD-THz波形；
图36表示样本多程标准具；
图37表示具有同时的基准空气路径的多程样本标准具室；
图38是应用本发明的原理的通用计算机的方框图。
具体实施方式
为了进行一些不同样本性质测量，需要精确地确定TD-THz脉冲的渡越时间。这可以通过多种方法来实现。提供了使用TD-THz脉冲作为示例数据的快速、高精度脉冲时间值的三种算法：边缘中点方法、模型拟合方法和利用拟合的去卷积方法。以下描述确定最佳算法的指导。
算法的选择取决于多个因素，图7示出了这一点。波形26模拟前反射和后反射之间的10ps延迟，等效于n＝1.5的3mm材料。波形28是2ps(0.6mm)，波形30是0.02ps(60微米)，波形32是0.005ps(15微米)。边缘中点算法通常是更快的计算方法，但它通常对于非常薄的样本不能很好地起作用(图8)。峰峰幅度方法也很快，但仅对非常薄的样本起作用(图9)。模型拟合和去卷积算法通常对所有样本起作用，并提供更高的精度(表1)，但计算较慢。
在边缘中点方法中，确定并偏移脉冲的边缘的中点，以便它们处于0V。选择0V中点周围的一些点用于分析(图10)。然后，针对中点周围的点执行数据的线性拟合(图10)。对获得的线性拟合方程求解其截距，并且该值是分配给该峰的时间。这种方法在计算方面简单，并且提供在波形测量点间隔的1/75的级别上的高精度峰时间位置，这是时间精度的显著提高。
选择的点的线性拟合提供用于精确确定边缘中点的在计算方面最简单的并由此是最快的方法。然而，也可以采用高阶拟合并且能够实现进一步的时间精度提高。三阶多项式已经论证出提高的拟合精度。也可以采用其它非线性或高阶拟合。
图12中示出详细说明中点确定的方法34的流程图。在图13中突出显示示例性峰形状，其中，示出多峰寻找的两种标准情况。如果比值Vmin/Vmax太大，则认为峰是如下给出的双极情况。如果比值Vmin/Vmin2(或者Vmax/Vmax2)太大，则峰被标记为不规则(类型3)。
图14提供多峰寻找的两种非标准“双极”情况。以上结果确认了我们能够使用边缘中点检测算法求解并量化多峰和每个峰的边缘。
参照图12，方法34首先如步骤36中所示获取波形。在步骤38中，确定最大电压是否大于波形的最小值的绝对值。如果步骤38为真，则在步骤40中确定最小值是否出现于最大值之前。其后，在步骤42中，通过从最大值回退以找到最小值。方法34随后继续前进到步骤48，在下面的段落中将更详细地描述步骤48。
如果步骤38为假，则在步骤44中确定最大值是否出现于最小值之前。如果步骤44为假，则该方法继续前进至稍后将更详细地描述的步骤48。否则，该方法继续前进至步骤46，在步骤46中，通过从最小值回退以确定最大值。
在步骤48中，通过使用波形的最小值和最大值之间的数据点的子集的线性回归来完成线性拟合。最后，在步骤50中，根据线性回归线何时处于最大电压和最小电压的中点来确定脉冲时间。
这种模型拟合方法使用边缘中点方法作为拟合模型波形的开始点。模型波形是尽可能使用与样本波形(图17、图19)相同的条件收集的单一THz脉冲(图16、图18)。边缘中点用于产生模型拟合的开始点，模型拟合随后使用单纯形优化方法评估具有变化的时间和幅度的一系列试验波形并收敛于最佳的解参数。
为了初始测试，模型波形的两个拷贝用于拟合0.02”厚的塑料垫片的前后。在图20中，波形52是样本波形，波形54是试验波形，其中，图20示出了使用256个点的模型波形对样本波形的试验拟合的开始点。图21表示在方法优化之后的最后结果，其中，波形56是样本波形，波形58是试验波形。优化改变这两个拷贝的时间和波形的整体标度。通过改变Fourier变换的相位来改变时间ΔT：
这是因为该频域方法给出了精确的结果而无需插值。根据模型波形以如下方式产生试验波形
其中，Wtrial和Wref是时域试验波形和基准波形，C是标度因子，是从模型峰到第一样本峰的相移，δ(v)是从第一样本峰到第二样本峰的相移。优化尝试使试验波形和样本波形之差的RMS值最小化
初始结果是，这个方法始终略好于零交叉方法，即使当模型波形不是最佳时也是如此：
表1-峰拟合使用旋转器收集的100个波形的结果。每个波形本身是99个平均值。时间是在慢速个人计算机上测量的。
对于去卷积方法，THz测量结果可视为固有仪表响应(由于光电导材料性质、激光脉冲形状、发射器和接收器天线几何形状等所导致)与样本表面的卷积。如果能够例如通过使用基准表面单独确定仪表响应，则能够对THz测量结果执行去卷积以单独提取样本表面数据。在过去，已报告了去卷积用于THz 3D重构。这里的唯一元素是去卷积应用于厚度测量。在模型拟合之前的去卷积提高了结果的精度。
两个函数的卷积等效于它们的Fourier变换相乘：
对于THz信号，获取的太赫波形y(t)是基准波形或仪表响应h(t)与实际物体的Fresnel反射x(t)的卷积。物体可能具有多个层，这些层具有不同的折射率、吸光率和厚度。和分别代表Fourier变换和逆Fourier变换。
去卷积是在给出获取的THz波形和THz基准波形的情况下重构未知物体的逆运算。去卷积的最简单方法使用Fourier域中的除法：
这种除法产生噪声很严重的结果，这是因为对THz测量结果进行了过采样以防止混淆。过采样的测量结果在一部分频率范围上具有零SNR或最小SNR，在这个频率范围中，除法的结果会放大噪声。解决方法是对测量结果进行滤波。一个方法是简单的带通滤波器。然而，这需要针对每个THz系统结构的带宽进行调整，并且可能产生脉冲响应干扰。另一替代方案的滤波器R(ω)是Tikhonov滤波器，一种消除频谱的低SNR部分的简单的、渐进式滤波器：
这个方法是在成像去卷积的情况下提出的。同时执行滤波和去卷积会减少需要的变换的次数：
图23表示样本THz测量结果和基准测量结果。线58是从画板反射的THz测量结果。线60是单独测量的仪表响应。图24表示测量结果的Fourier变换。图25和图26表示Fourier域中的除法的结果。在图25中，已经对信号进行了带通处理以把它限于2.2THz。然而，在较高频率处(例如，在0.5THz周围vs.在2THz周围)信号的增加的变化性是宽带THz脉冲的SNR变化的结果。在图26中，示出了以下操作的结果：把Tikhonov滤波器应用于图25的结果导致对于具有更大SNR的频率的数据重新分配权重。线62是基准脉冲除以自身并应用相同的滤波的结果。
图27表示完成的去卷积。峰更窄并且对称，这使得它们比原始波形更容易辨别。线64是图26中的数据的逆Fourier变换，是图23中的数据的完成的去卷积。线66是基准脉冲的去卷积，可以拟合到样本脉冲以增加精度。去卷积方法之后是模型拟合。如上所述，使用单纯形多维搜索技术改变拟合函数的时间和幅度。
在图28中，模型拟合应用于去卷积结果。线68是把基准脉冲的3个拷贝拟合到样本脉冲的结果。线70是残差。
另一改进是把去卷积的结果与平衡、简洁的函数(诸如，Gaussian函数)进行卷积，如图29和图30中所示。图29是把图27与Gaussian函数进行卷积的结果。虽然峰的FWHM略微增加，但Gaussian函数具有相对简洁的主体并使波动最小化。图30是图29的模型拟合。
另一改进是使用已知或假定的层材料的折射率值计算样本内的内部反射，如图31中所示。圆点指示主要反射的幅度和时间，星号指示涂料层之间的太赫脉冲的多次反跳。虚线再次指示残差。
去卷积/拟合方法的主要优点在于：样本的前表面和后表面的反射之间的增量渡越时间相对于样本的厚度的拟合的期望线性行为延伸到较薄的样本(图22)。
如前面所讨论的，时域太赫波形脉冲的主要测量特性是脉冲的时间和幅度的位置。应该理解，仪表或环境条件(例如，噪声、漂移)影响测量，在这种情况下，降低了峰时间位置或幅度测量的精度。系统内部基准能够确认适当的系统操作，并且能够在必要的情况下提供用于样本波形结果的校正(例如，幅度标度或时间校准)的数据。
如前所述，任何折射率交界面会产生THz脉冲的反射。如图32中所示，这里提出的发明和实施方式是，在提供用于系统和测量校准的反射信号的传感器头74中安装内部校准标准具72。需要注意的是，对于具有这种内部校准标准具的传感器和示出的单层膜类型样本，存在四个交界面(标准具的前表面和后表面以及样本的前表面和后表面)。因此，预期存在四个反射峰(在图33中由标号74、76、78和80表示)。这种实验结果的TD-THz波形示出在图22中。观察到了预期的4个反射峰。
此外，需要注意的是，这个概念不限于4个交界面，而是能够延伸到任何数量的交界面，例如多层样本或叠层样本。
校准标准具是很理想地由稳定材料制作的，该稳定材料具有低热膨胀系数、在THz频率的低折射率和极低吸收性。高密度聚乙烯(HDPE)是合适的目标材料。也可以选择低电阻率硅或熔融石英。
这种校准标准具的目的在于，针对每次波形采集能够同时测量标准具和样本的时间和幅度。仪表或环境条件的变化会反映为校准标准具峰的变化。选择标准具以提供稳定的信号，由此标准具测量的变化能够用于调整样本测量。示例性调整包括对样本增量时间测量定标或使用校准信号幅度信息以改进模型拟合算法。重要的是，应该再次注意，这种校准/基准信息将包含于每个TD-THz反射波形内。TD-THz波形时间窗必须足够长，以确保校准标准具和样本反射都发生在这个窗内。先前讨论的脉冲时间位置方法和算法对于提供足够的精度以使得这种校准标准有用而言很重要。另外，反射的脉冲的幅度能够用于帮助形成反射的样本波形脉冲，尤其是对于峰峰幅度和模型拟合方法而言。
标准具的厚度可以变化以提供最佳的校准精度。在理想情况下，标准具仅反射小部分的THz脉冲，而使大部分的脉冲能量前进至样本。如果标准具相对较厚，则能够获得两个明显分开的反射峰(如图6和图22中所示)。然后，测量这两个校准标准具峰之间的增量时间将会是优选的时间分析方法。如果标准具足够薄，则它将会反射更少的THz能量，这是优选的情况。然而，在这种情况下，各交界面不是时间分辨的，并且将会需要先前讨论的使用幅度拟合的模型拟合。哪种方法和算法提供更好的样本测量精度将取决于样本和实验条件(例如，测量速率)。
如图34中所示，与内部校准标准具(ICE)84一起使用后反射器82使得可以提高其它样本性质的测量精度。一个例子是样本的绝对厚度。计算样本的厚度的通常方法需要样本的前后表面的TD-THz脉冲反射的增量脉冲渡越时间的值以及知晓样本的折射率。通过使用ICE和后反射器，能够进行更高精度的厚度测量而无需知晓样本材料的折射率。
对于这种方法，需要测量和记录空结构的增量脉冲渡越时间值。这个值用于计算绝对样本厚度。
一旦样本插入到该结构中，观察到至少四个脉冲(图35)。使用上述高精度方法，需要找到所有脉冲的渡越时间(Tpk#)。
根据这些高精度值，能够根据下面的公式计算样本的绝对厚度：
厚度＝(TRef–TPk1–TPk3+TPk2)×c
所有的TPk时间是相对于TPk0时间的时间。利用空ICE/后反射器结构测量TRef值。c是已知的光速的值。该计算提供样本厚度的高精度结果，而不管样本材料的组成。
如图4中所示，在透射测量中使THz脉冲多次通过样本将会增加观察到的空气基准和样本扫描之间的飞行时间延迟，而不会增加时间测量的不精确。这是令人满意的情况。
然而，透射测量的不希望的一方面是通常无法区分空气基准扫描的变化(例如，漂移)或THz发射器/接收器间隔的变化(例如，机械运动)与样本的变化。下面的系统和方法解决这个问题。
参照图36，示出了具有样本14的第一多程样本室86和没有样本的第二多程样本室88。第一多程样本室86和第二多程样本室88都包括全反射镜90和92以及部分反射镜94和96。此外，分别示出了针对多程样本室86和88获得的样本波形98和100。如果选择多程样本室86和88的一侧仅进行部分反射，则在同一时域波形内可以多次采集透射的THz脉冲。
样本的厚度可以根据与空气相比的样本的透射脉冲之间的间隔的增加来确定。因此，需要空气的脉冲增量时间值。然而，这个值相对比较容易测量，因为根据样本多程标准具间隔可以确定增量时间。这个间隔可以设置为任何合适的距离以使透射脉冲之间存在清楚的分隔。针对所有的样本厚度保持这个最小的分隔，也就是说，两个脉冲不会如薄样本的反射测量中所示那样彼此进行卷积和彼此干扰。这个方面对于透射测量非常有益。另外，增加测量的飞行时间延迟(作为通过样本的次数的倍数)的多次透射通过的优点仍然存在。也就是说，第一透射脉冲和第三透射脉冲之间的延迟将会是空气/单次透射通过的延迟的四倍。这将会导致显著提高增量时间测量的精度。
因为对测量的机械稳定性影响将仅取决于标准具间隔而非发射器到接收器的距离，所以能够实现另一改进。将会更容易选择产生更大的热稳定性和机械稳定性的标准具的材料和构造方法。样本室标准具稳定性的提高将直接导致提高测量的精度。
图37表示多程样本室86的另一实施例，示出了第一透射脉冲102、第二透射脉冲104和第三透射脉冲106。如果可以增加标准具以便在THz射束中没有样本的情况下出现设置的脉冲标准具反射，则获得的波形将会同时提供标准具以及穿过样本的透射脉冲的飞行时间的增加的信息。图37还示出了获得的波形108。
参照图38，示出了通常计算机系统的说明性实施例并标记为110。计算机系统110可包括一组指令，这些指令能够执行以使计算机系统110执行这里公开的任何一种或多种方法或者基于计算机的功能。计算机系统110可用作独立装置或者可例如通过使用网络连接到其它计算机系统或外围设备。
在联网配置中，计算机系统可在服务器-客户机用户网络环境下用作服务器或用作客户机用户计算机，或者在对等(或分布式)网络环境下用作对等计算机系统。计算机系统110也可以实现为或包含于各种装置，诸如：个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助手(PDA)、移动装置、掌上计算机、膝上计算机、桌上计算机、通信装置、无线电话、陆线电话、控制系统、照相机、扫描仪、传真机、打印机、寻呼机、个人安全装置、网络设备、网络路由器、开关或桥或者任何其它机器(该机器能够执行指定由该机器采取的动作的一组指令(顺序地或其它方式))。在特定实施例中，能够使用提供语音、视频或数据通信的电子装置来实现计算机系统110。另外，尽管示出单个计算机系统80，但术语“系统”也可以包括单独或一起执行用于执行一个或多个计算机功能的一组或多组指令的系统或子系统的任何集合。
如图38中所示，计算机系统110可包括处理器112，例如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或者二者。此外，计算机系统110能够包括主存储器114和静态存储器116，主存储器114和静态存储器116能够经总线118彼此通信。如图中所示，计算机系统110可还包括视频显示单元120，诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、平板显示器、固态显示器或者阴极射线管(CRT)。另外，计算机系统110可包括输入装置122(诸如，键盘)和光标控制装置124(诸如，鼠标)。计算机系统110还可以包括盘驱动单元126、信号产生装置128(诸如，扬声器或遥控器)和网络接口装置130。
在特定实施例中，如图28中所示，盘驱动单元126可包括计算机可读介质132，在计算机可读介质132中可嵌入一组或多组指令134，例如软件。另外，指令134可实现这里描述的一种或多种方法或者逻辑。在特定实施例中，指令134可以在由计算机系统110执行期间全部或者至少部分地驻留在主存储器114、静态存储器116和/或处理器112内。主存储器114和处理器82还可以包括计算机可读介质。
在另一实施例中，可以构造专用硬件实现方式(诸如，专用集成电路、可编程逻辑阵列和其它硬件装置)以实现这里描述的一种或多种方法。可包括各种实施例的设备和系统的应用可以广泛地包括各种电子和计算机系统。这里描述的一个或多个实施例可使用两个或更多特定的互相连接的硬件模块或装置根据能够在模块之间以及通过模块通信的相关控制和数据信号或者作为专用集成电路的一部分实现功能。因此，本发明包含软件、固件和硬件实现方式。
根据本公开的各种实施例，这里描述的方法可通过可由计算机系统执行的软件程序来实现。另外，在示例性的非限制性的实施例中，实现方式能够包括分布式处理、部件/目标分布式处理和并行处理。另一方面，可以构造虚拟计算机系统处理以实现这里描述的一种或多种方法或者功能。
本公开包括计算机可读介质，该计算机可读介质包括指令1345或者响应于传播的信号接收并执行指令134，以便连接到网络136的装置能够在网络136上进行语音、视频或数据通信。另外，指令134可以经网络接口装置130在网络136上发送或接收。
尽管计算机可读介质显示为单个介质，但术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质，诸如，集中式或分布式数据库和/或存储一组或多组指令的关联高速缓存和服务器。术语“计算机可读介质”还应该包括能够存储、编码或携带由处理器执行的一组指令或者使计算机系统执行这里公开的一种或多种方法或操作的任何介质。
在特定的非限制性、示例性实施例中，计算机可读介质可包括固态存储器，诸如存储卡或包含一个或多个非易失性只读存储器的其它包装。另外，计算机可读介质可以是随机存取存储器或其它易失性可重写存储器。另外，计算机可读介质可包括磁光介质或光学介质，诸如用于俘获载波信号(诸如，经传输介质传送的信号)的盘或带或其它存储装置。E-mail的数字文件附件或其它自身包含的信息文件或一组文件可视为等效于有形存储介质的分布介质。因此，本公开视为包括计算机可读介质或分布介质以及可存储数据或指令的其它等同物和后续介质中的任何一个或多个。
虽然本说明书描述了可参照特定标准和协议在特定实施例中实现的部件和功能，但本发明不限于这些标准和协议。例如，互联网和其它分组交换网络传输的标准(例如，TCP/IP、UDP/IP、HTML、HTTP)代表现有技术的例子。这些标准周期性地由基本上具有相同功能的更快或更有效的等同物替代。因此，具有与这里公开的标准和协议相同或相似的功能的替换标准和协议视为其等同物。
这里描述的实施例的示图在于提供对各种实施例的结构的一般理解。这些示图并不用作对使用这里描述的结构或方法的设备和系统的所有元素和特征的完全描述。对于阅读了本公开的本领域技术人员而言，很多其它实施例是清楚的。从本公开可以使用和获得其它实施例，从而在不脱离本公开的范围的情况下可以进行结构和逻辑上的替换和变化。另外，这些示图仅是代表性的，可以不按照比例进行绘制。这些示图内的某些部分可能是夸大的，而其它部分可能被最小化。因此，本公开和附图应该视为是说明性的而非限制性的。
术语“发明”可单独和/或一起参照本公开的一个或多个实施例，这仅是为了方便而非为了把本申请的范围限制于任何特定发明或发明构思。此外，虽然已在这里示出并描述了特定实施例，但应该理解，为了实现相同或相似目的而设计的任何随后的装置可用于替代示出的特定实施例。本公开旨在覆盖各种实施例的任何和所有的随后的修改或变型。
在“具体实施方式”中，为了简化本公开，多种特征可以分组在一起或者在单个实施例中进行描述。本公开不应解释为反映这样的意图：实施例需要比在每个权利要求中直接列举的特征多的特征。相反，如权利要求所反映，发明主题可涉及比任何公开的实施例的所有特征少的特征。因此，权利要求包含于“具体实施方式”，并且每个权利要求独立地定义单独地要求保护的主题。
以上公开的主题应视为是说明性的而非限制性的，并且权利要求旨在覆盖落于本发明的真正精神和范围内的所有这些修改、加强和其它实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本发明的范围通过允许的对权利要求及其等同物的最广泛的解释来确定，并且不应受到前面“具体实施方式”的限定或限制。

Claims (4)

1.一种用于解释太赫THz波形的系统，所述系统包括：
被配置为输出太赫辐射脉冲的太赫发射器(10)；
被配置为接收所述太赫辐射脉冲的至少一部分的太赫接收器(12)；
内部校准标准具(82)，被配置为接收来自所述太赫发射器(10)的太赫辐射脉冲，将一小部分太赫脉冲反射到所述太赫接收器(12)，并且让大部分太赫脉冲能量通过，其中所述内部校准标准具(82)包括标准具前表面和标准具后表面，该标准具前表面和标准具后表面是被配置为分别产生太赫脉冲的反射的折射率交界面；
后反射器(84)，被布置在所述内部校准标准具(82)的关于太赫脉冲的传播方向的下游，其中所述后反射器(84)与所述内部校准标准具(82)被间隔开；以及
在所述内部校准标准具(82)和所述后反射器(84)之间的间隔，用于布置样本(14)以使得样本(14)与所述内部校准标准具(82)和所述后反射器(84)不直接物理接触并且样本(14)能接收所述太赫辐射脉冲的通过了内部校准标准具(82)的部分；
其中所述后反射器(84)被配置为接收所述太赫辐射脉冲的通过了样本(14)的部分，并且沿着太赫接收器的方向将该部分反射回样本，
其中该系统还包括计算机系统(110)，该计算机系统(110)被配置为解释由太赫接收器(12)接收的一个或多个时域太赫波形，该时域太赫波形包括所述太赫脉冲的从内部校准标准具(82)反射到太赫接收器(12)的部分、所述太赫脉冲的从后反射器(84)反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分、所述太赫脉冲的从样本(14)的第一折射率交界面反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分、以及所述太赫脉冲的从样本(14)的第二折射率交界面反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分，
其中所述计算机系统(110)包括处理器(112)，所述处理器(112)被配置为执行边缘中点分析方法、去卷积分析方法、模型拟合分析方法、或者去卷积分析方法和模型拟合分析方法的组合，来解释所述时域太赫波形，
其中在边缘中点分析方法期间，所述处理器(112)被配置为：
找到至少一个时域太赫波形的最大电压幅值点；
找到所述至少一个时域太赫波形的最小幅值点的绝对值；
确定所述最大幅值点和最小幅值点的绝对值中的哪个较大；
确定所述最大幅值点和最小幅值点中的哪个关于时间先发生；
-当所述最大幅值点大于所述最小幅值点的绝对值并且所述最小幅值点关于时间先发生时，通过沿着所述至少一个时域太赫波形从所述最大幅值点关于时间后退，找到所述至少一个时域太赫波形的所述最小幅值点；
-当所述最小幅值点的绝对值大于所述最大幅值点并且所述最大幅值点关于时间先发生时，通过沿着所述至少一个时域太赫波形从所述最小幅值点关于时间后退，找到所述至少一个时域太赫波形的所述最大幅值点；
利用所述最小幅值点和所述最大幅值点之间的数据点的子集的线性回归，来计算所述最小幅值点和所述最大幅值点之间的最佳拟合线；以及
当线性回归线位于所述最小幅值点和所述最大幅值点之间的中点时，确定所述至少一个时域太赫波形的脉冲时间。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述模型拟合方法利用单纯形优化方法。
3.一种用于解释太赫THz波形的系统，所述系统包括：
被配置为输出太赫辐射脉冲的太赫发射器(10)；
被配置为接收所述太赫辐射脉冲的至少一部分的太赫接收器(12)；
内部校准标准具(82)，被配置为接收来自所述太赫发射器(10)的太赫辐射脉冲，将一小部分太赫脉冲反射到所述太赫接收器(12)，并且让大部分太赫脉冲能量通过，其中所述内部校准标准具(82)包括标准具前表面和标准具后表面，该标准具前表面和标准具后表面是被配置为分别产生太赫脉冲的反射的折射率交界面；
后反射器(84)，被布置在所述内部校准标准具(82)的关于太赫脉冲的传播方向的下游，其中所述后反射器(84)与所述内部校准标准具(82)被间隔开；以及
在所述内部校准标准具(82)和所述后反射器(84)之间的间隔，用于布置样本(14)以使得样本(14)与所述内部校准标准具(82)和所述后反射器(84)不直接物理接触并且样本(14)能接收所述太赫辐射脉冲的通过了内部校准标准具(82)的部分；
其中所述后反射器(84)被配置为接收所述太赫辐射脉冲的通过了样本(14)的部分，并且沿着太赫接收器的方向将该部分反射回样本，
其中该系统还包括计算机系统(110)，该计算机系统(110)被配置为解释由太赫接收器(12)接收的一个或多个时域太赫波形，该时域太赫波形包括所述太赫脉冲的从内部校准标准具(82)反射到太赫接收器(12)的部分、所述太赫脉冲的从后反射器(84)反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分、所述太赫脉冲的从样本(14)的第一折射率交界面反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分、以及所述太赫脉冲的从样本(14)的第二折射率交界面反射并通过所述内部校准标准具(82)的部分，
其中所述计算机系统(110)包括处理器(112)，所述处理器(112)被配置为执行边缘中点分析方法、去卷积分析方法、模型拟合分析方法、或者去卷积分析方法和模型拟合分析方法的组合，来解释所述时域太赫波形，
其中在所述去卷积分析期间所述处理器(112)被配置为使用基准波形对至少一个时域太赫波形进行去卷积和滤波，以创建去卷积的时域太赫波形，
其中所述处理器(112)被配置为通过使用基准波形来创建去卷积的时域太赫波形，所述基准波形包括从具有单个交界面的基准表面反射的波形。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述模型拟合方法利用单纯形优化方法。
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Techniques for cancellation of interfering multiple reflections in terahertz time-domain measurements;Ole Hirsch 等;《Microelectronics Journal》;20080215;第39卷;第841-848页

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