CN108700459A

CN108700459A - 用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的方法和装置

Info

Publication number: CN108700459A
Application number: CN201780015523.5A
Authority: CN
Inventors: J·L·内尔; B·哈里斯; B·H·佩特
Original assignee: Bright Spake Ltd By Share Ltd
Current assignee: Bright Spake Ltd By Share Ltd
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2037-01-06
Also published as: EP3400426A4; JP2019501395A; US10620138B2; US11029261B2; EP3400426B1; WO2017120454A1; CN108700459B; EP3400426A1; US20200209170A1; US20190033235A1; JP7045318B2

Abstract

本文公开了用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的方法和装置。示例方法包括生成微波电磁能量的至少一个脉冲。该示例方法还包括对(一个或多个)脉冲进行倍频以生成至少一个倍频脉冲，并过滤倍频脉冲的至少一个杂散谐波以生成至少一个经滤波的脉冲。杂散谐波是通过对脉冲进行倍频来生成的。该方法还包括使用经滤波的脉冲来激发样本。该方法还包括检测来自样本的发射。该发射是至少部分地通过经滤波的脉冲被引发的。

Description

用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的方法和装置

对(一个或多个)相关申请的交叉引用

本申请援引35U.S.C.§119(e)要求于2016年1月7日提交的美国申请No.62/275,996的优先权，该申请的公开内容通过引用整体上并入本文。

背景技术

光谱学(诸如旋转光谱学)是物理化学中强大的结构化工具。例如，分子结构和旋转跃迁频率之间的关系可以用于气相样本的结构确定。分子旋转运动中的其它影响(诸如离心变形、来自四极核的超精细光谱结构，或者由隧道运动引起的频移)可以用于提供分子结构和低频振动运动的进一步表征。

毫米波(mm)波或太赫兹(THz)频率区域中的傅立叶变换光谱对于化学检测和表征是特别有用的。从公共源(例如，数模转换器)生成有用频率的典型方法涉及使用混频器，其中激励源和混频器的频率参考源之间的相位相干会是难以实现的。因此，对于在傅立叶变换毫米波光谱中的捕获期间允许相位再现性(phase reproducibility)的方法存在未满足的需求。

此外，傅立叶变换光谱中的信号生成通常采用固定频率源(诸如时钟)的使用来触发信号生成。这是维持从一次捕获到下一次捕获的相位再现性所需要的，但却限制了和/或以其它方式阻碍信号发生器接收源自不一定以固定频率方式或设置发生的事件的触发信号和/或事件的能力。因而，对于允许将信号生成和/或捕获同步到外部(有时是异步)事件的方法存在未满足的需求。

发明内容

本文公开了用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的方法和装置。在一些实施例中，一种方法包括生成微波电磁能量的至少一个脉冲。该方法还包括对(一个或多个)脉冲进行倍频(frequency-multiplying)，以生成至少一个倍频脉冲。该方法还包括过滤该倍频脉冲的至少一个杂散谐波(spurious harmonic)，以产生至少一个经滤波的脉冲。杂散谐波是通过对脉冲进行倍频而生成的。该方法还包括使用经滤波的脉冲来激发样本。该方法还包括检测来自样本的发射。该发射是至少部分地通过经滤波的脉冲被引发的。

在一些实施例中，一种装置包括信号发生器，该信号发生器被配置为用于生成微波电磁能量的至少一个脉冲。该装置还包括耦合到信号发生器的倍频器电路。倍频器电路被配置为用于对至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲。该装置还包括耦合到倍频器电路的滤波器电路。滤波器电路被配置为用于过滤倍频脉冲的至少一个杂散谐波，以生成经滤波的脉冲。杂散谐波是通过对脉冲进行倍频而生成的，并且滤波器电路还被配置为使用经滤波的脉冲来激发样本。该装置还包括发射检测器，该发射检测器被配置为用于检测来自样本的发射，该发射是至少部分地通过经滤波的脉冲被引发的。

在一些实施例中，一种方法包括利用自由运行的信号发生器生成微波电磁能量的至少一个脉冲。该方法还包括对该至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲。该方法还包括使用该至少一个倍频脉冲激发样本。该方法还包括检测来自样本的发射，该发射是至少部分地通过该至少一个倍频脉冲被引发的。

在一些实施例中，一种装置包括信号发生器，该信号发生器被配置为响应于触发信号而生成微波电磁能量的至少一个脉冲。该装置还包括耦合到信号发生器的倍频器电路。倍频器电路被配置为对该至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲。倍频器电路还被配置为使用该至少一个倍频脉冲来激发样本。该装置还包括发射检测器，该发射检测器被配置为检测来自样本的发射，该发射是至少部分地通过该至少一个倍频脉冲被引发的。

在一些实施例中，一种方法包括响应于第一触发信号而利用自由运行的信号发生器生成第一微波脉冲和第二微波脉冲。第一微波脉冲被倍频以形成第一毫米波信号，第一毫米波信号包括第一毫米波脉冲和第一杂散发射。该方法还包括从第一毫米波信号中过滤第一杂散发射谐波，以产生第一毫米波脉冲。第二微波脉冲被倍频以形成第二毫米波信号，第二毫米波信号包括第二毫米波脉冲和第二杂散发射。该方法还包括从第二毫米波信号中过滤第二杂散发射谐波，以产生第二毫米波脉冲。该方法还包括用第一毫米波脉冲激发样本以产生第一样本发射，并将第一样本发射与第二毫米波脉冲混合以产生第一经下变频的样本发射。该方法还包括检测第一经下变频的样本发射，以产生第一电子信号。该方法还包括利用自由运行的信号发生器响应于第二触发信号而生成第三微波脉冲和第四微波脉冲。第三微波脉冲和第四微波脉冲与第一微波脉冲和第二微波脉冲是相位相干的。该方法还包括对第三微波脉冲进行倍频以形成第三毫米波信号，第三毫米波信号包括第三毫米波脉冲和第三杂散发射。该方法还包括从第三毫米波信号中过滤第三杂散发射谐波，以产生第三毫米波脉冲。该方法还包括对第四微波脉冲进行倍频以形成第四毫米波信号，第四毫米波信号包括第四毫米波脉冲和第四杂散发射。该方法还包括从第四毫米波信号中过滤第四杂散发射谐波，以产生第四毫米波脉冲。该方法还包括用第三毫米波脉冲激发样本以产生第二样本发射，该第二样本发射与第一样本发射相位相干，并且将第二样本发射与第四毫米波脉冲混合以产生第二经下变频的样本发射。该方法还包括检测第二经下变频的样本发射，以产生第二电子信号。对第一和第二电子信号求平均，例如以增加SNR、提高灵敏度，或两者。

附图说明

本领域技术人员将理解的是，附图主要是用于说明的目的，而并非旨在限制本文所述的创造性主题的范围。图示不一定按比例绘制；在一些情况下，本文公开的创造性主题的各个方面可以在图示中被夸大或放大，以便于不同特征的理解。在附图中，相同的标号一般指相同的特征(例如，功能上相似和/或结构上相似的元件)。

图1是根据实施例的用于傅立叶变换毫米波光谱的系统。

图2是根据实施例的用于傅立叶变换毫米波光谱的方法。

图3是根据实施例的基于图1的系统的示例系统。

图4是图示响应于触发信号而生成一个或多个频率捷变(frequency-agile)脉冲的时域图。

图5A-5E图示了调制音调的倍频和对由于倍频引起的谐波的过滤。

图6A-6E图示了啁啾脉冲的倍频和对由于倍频引起的谐波的过滤。

具体实施方式

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。

如本文所使用的，术语“模块”是指可操作地耦合的电子部件的任何组件和/或集合，其可以包括例如存储器、处理器、电迹线、光学连接器、软件(在硬件中执行)等。例如，在处理器中执行的模块可以是能够执行与该模块相关联的一个或多个具体功能的基于硬件的模块(例如，现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP))和/或者基于软件的模块(例如，存储在存储器中和/或在处理器处执行的计算机代码的模块)的任意组合。

本文公开的方法和装置的各方面有益于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱中的准确信号捕获，而无需使用除(一个或多个)激发源(诸如本地振荡器)以外的频率源。

如本文所使用的，术语“微波”在用于修饰术语“频率”或“频率范围”或其变体时是从大约0Hz(例如，直流电)到大约40GHz的任何频率值或频率范围。如本文所使用的，术语“毫米波”在用于修饰术语“频率”或“频率范围”或其变体时是从大约30GHz到大约300GHz的任何频率值或频率范围。因而，得出结论，30-40GHz范围内的频率可以被表征为微波和毫米波二者。如本文所使用的，术语“亚毫米”在用于修饰术语“频率”或“频率范围”或其变体时是从大约300GHz到大约3000GHz的任何频率值或频率范围。如本文所使用的，术语“太赫兹”在用于修饰术语“频率”或“频率范围”或其变体时是从大约100GHz(即，大约0.1THz)到大约10000GHz(即，大约10THz)的任何频率值或频率范围。因此，得出结论，300-3000GHz范围内的频率可以被表征为亚毫米波和太赫兹二者。

如本文所使用的，术语“倍频”、“倍频器”及其变体是指使用(一个或多个)电子电路基于具有输入频率的输入信号生成具有输出频率的输出信号，其中输出频率是输入频率的倍数。例如，当输入信号具有在大约5MHz到大约5GHz范围内的输入频率时，输出信号可以具有在大约10MHz到大约10GHz范围内的输出频率，等等。这种电子电路可以包括但不限于限幅电路、A类放大器、B类放大器、C类放大器、基于二极管的电路、微机电(MEMS)二倍频器等。

如本文所使用的，术语“上变频”及其变体是指将处于第一频率或第一频率范围的信号转换为相对较高的第二频率或第二频率范围。可以通过使用混频器将处于第一频率的信号与更高频率的本地振荡器混合来实现上变频。类似地，术语“下变频”是指将处于第一频率或第一频率范围的信号转换为较低的第二频率或较低的第二频率范围，例如，使用混频器和较低频率的本地振荡器。本地振荡器可以以低于或高于信号的频率来操作。混频器通常将产生其频率是(信号和本地振荡器的)输入频率之和的第一输出，并且还产生其频率是这些输入频率之差的第二输出。在一些实施例中，下变频可以包括诸如经由低通滤波器来选择第二输出。在一些实施例中，下变频可以包括在衰减之后选择第一输出。如本文所使用的，术语“本地振荡器”是指处于特征频率的正弦信号，诸如可以与混频器一起用于上变频或下变频。术语“本地振荡器”还可以指生成这种正弦信号的合成器或其它电子部件。

如本文所使用的，术语“频率标准”及其变体是指以可接受的精度生成基频的稳定的振荡器。如本领域中已知的，频率标准可以用于控制其它电子设备的频率。例如，典型的市售铷频率标准发射10MHz时钟信号，该信号可以被用作频率参考，以确保微波合成器、任意波形发生器或其它电子部件的频率稳定性。

本技术的实施例包括用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的系统。与常规的傅立叶变换毫米波光谱不同，本创造性的直接倍增傅立叶变换毫米波光谱系统不将信号上变频，例如，从微波频率上变频到毫米波频率。相反，它包括一个或多个倍频器，这些倍频器将较低频信号(诸如微波啁啾脉冲)倍增，以产生更高频率的信号(诸如毫米波啁啾脉冲)。

创造性的系统可以包括一个或多个滤波器，以移除在倍频过程中生成的杂散发射(杂散波(spur))，包括杂散互调产物和杂散谐波。杂散互调产物是由倍频过程中不同频谱分量之间的非线性交互引起的，并且通常出现在等于这些频谱分量之间的(一个或多个)和和(一个或多个)差的频率处。杂散谐波也由非线性相互作用引起，并且出现在正被倍频的信号的频率的整数倍处。在倍频期间产生的杂散发射不一定由上变频产生，因此不必在对低频信号进行上变频的光谱系统中进行滤波。

因为这种创造性系统不对低频信号进行上变频，所以它不需要常规系统中的混频器或本地振荡器来生成高频信号。并且因为本创造性系统可以在没有本地振荡器的情况下操作，所以不需要将用于生成较低频率信号的信号发生器同步到用于生成本地振荡器的合成器。因此，创造性系统不需要外部频率参考，诸如在常规傅立叶变换光谱系统中使用的铷频率标准。换句话说，本创造性系统可以使用自由运行的信号发生器(即，不与外部频率参考同步的信号发生器)来产生用于倍频的较低频脉冲。消除对外部频率标准和本地振荡器的需要使得创造性系统比常规系统更简单且更便宜。

使用自由运行信号(非同步)发生器来生成用于倍频的较低频率脉冲还使得有可能响应于外部事件或实体(诸如脉冲激光、分子放电源、处理监视事件等)而触发创造性系统对样本发射的捕获，而无需等待下一个时钟周期的开始。由于信号发生器是自由运行的，因此它自己定义时基，因此触发事件不必为了维持从一次捕获到下一次捕获的相位再现性而锁定到具体的时钟周期和/或其它外部的外部参考。这使得更容易执行时域信号平均以提高灵敏度和/或增加信噪比(SNR)。另外，因为触发事件不必锁定到时钟或其它外部频率参考，所以可以在接收到触发后立即开始捕获，而不是等到下一个时钟周期的开始——这可能高达一个完整的时钟周期(例如，对于10MHz时钟为100μs)。

在一些情况下，可以通过下变频由(一个或多个)毫米波脉冲引起的样本发射来完成捕获。例如，样本发射可以通过将样本发射与由同一信号发生器生成的另一个毫米波脉冲/脉冲串混合来下变频，其中该同一信号发生器生成用于激发该样本的毫米波信号(激发脉冲)。因为激发脉冲和该另一个脉冲/脉冲串由相同的信号发生器生成，所以尽管没有外部频率参考，它们也可以是彼此相位相干的。(相反，利用分离的本地振荡器合成器生成相位相干本地振荡器需要将本地振荡器合成器与用于产生(一个或多个)微波脉冲的信号发生器同步，以便维持相位相干性。)该另一个脉冲/脉冲串可以处于偏离激励脉冲/脉冲串的频率的频率处。

然后，如本领域所理解的，可以对经下变频的样本发射进行放大、倍频、数字化和检测。并且因为后续脉冲和样本发射是相位相干的，所以可以在数字域中对检测到的信号进行平均或累积，例如以增加SNR。以这种方式，本文公开的各方面可以涵盖执行相位相干外差检测而不使用诸如相位锁定的本地振荡器之类的频率标准。消除频率混合、本地振荡器和用于生成并将本地振荡器锁定到频率源的频率标准也可以显著降低系统的复杂性和成本。

直接倍增傅立叶变换毫米波光谱系统

图1图示了用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的系统100。系统100包括信号发生器110、倍频器电路120、一个或多个滤波器125以及发射检测器140。图1还图示了样本腔130，其可以(如虚线所指示的)是系统100的可选部件。图1还图示了触发源105，其可以(如虚线所指示的)是系统100的可选部件，并且在一些实施例中可以在系统100外部。在一些实施例中，系统100可以包括附加部件(未示出)，包括但不限于如下所述的处理器和存储器。在一些实施例中，本文所示的部件的功能可以重叠。例如，信号发生器110、倍频器电路120和(一个或多个)滤波器125可以被实现为分立部件或集成子系统。系统100的各种部件之间的互连可以独立地包括但不限于电通信、电子通信、光通信、无线通信、其组合和/或其他。

在一些实施例中，可以组合信号发生器110、倍频器电路120和(一个或多个)滤波器125中的一个或多个的功能。例如，在一些实施例(未示出)中，滤波器125可以不存在，并且滤波器125的功能可以由倍频器电路120有效地实现。例如，在一些实施例中，杂散谐波可以在不从倍频器电路120生成显著下游响应的频率处发生。作为另一个示例，可以通过倍频器电路120的设计来抑制和/或减轻杂散谐波的影响。

信号发生器110可以包括生成用于激发的重复或非重复电子信号的任何电子设备。信号发生器110的非限制性示例可以包括但不限于函数发生器、射频(RF)信号发生器、微波信号发生器、音调发生器、任意波形发生器(AWG)、直接数字合成器(DDS)、数字模式发生器或频率发生器。在一些实施例中，信号发生器110包括微波频率源，诸如(例如)AWG、DDS、基于压控振荡器的合成器等。

信号发生器110可以被配置为生成啁啾脉冲频率梳，如在2011年6月17日提交的标题为“CHIRPED PULSE FREQUENCY-DOMAIN COMB FOR SPECTROSCOPY”的美国专利No.9,046,462中所公开的，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。信号发生器110还可以被配置为用于分段的啁啾脉冲傅立叶变换操作，如总体上在2013年6月7日提交的标题为“SEGMENTED CHIRPED-PULSE FOURIER TRANSFORM SPECTROSCOPY”的美国专利No.8,873,043中所公开的，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。信号发生器110还可以被配置为用于跳频扩频操作，如总体上在2015年6月16日提交的标题为“FREQUENCY HOPPINGSPREAD SPECTRUM(FHSS)FOURIER TRANSFORM SPECTROSCOPY”的PCT申请No.PCT/US2015/035998中所公开的，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

在一些实施例中，信号发生器110被配置为生成微波脉冲，包括但不限于啁啾脉冲、非啁啾脉冲(例如，窄带宽脉冲)等。在操作中，例如，信号发生器110可以生成微波脉冲的脉冲串，包括但不限于啁啾脉冲、频率捷变脉冲、频率捷变啁啾脉冲等等。在一些实施例中，微波脉冲包括至少一个在大约1GHz至大约3GHz、大约1GHz至大约4GHz、大约1GHz至大约5GHz、大约1GHz至大约6GHz、大约2GHz至大约5GHz的频率范围内的啁啾脉冲，包括其间的所有值和子范围。为了生成跨这些带宽的脉冲，信号发生器110可以以任何合适的采样率操作，诸如大约4千兆样本/秒(Gs/s)、大约10Gs/s、大约12Gs/s、大约20Gs/s、大约40Gs/s、大约60Gs/s、大约80Gs/s、大约100Gs/s，包括其间的所有值和子范围。

如下面所解释的，信号发生器110可以在内部导出时基上操作，而不是在外部供给的时基或时钟上操作。这允许信号发生器110对可变的、随机的和/或任意的触发(诸如例如脉冲激光或脉冲喷嘴)进行响应，而没有由触发和外部时基之间缺乏同步引起的可变滞后。在一些实施例中，信号发生器110可以在内部导出时基以及与其耦合的外部供给的时基或时钟上操作。以这种方式，信号发生器110可以在维持相位相干性的同时对可变触发进行响应。

在一些实施例中，信号发生器110可以被配置为从外部源(例如，触发源105，诸如脉冲激光)接收触发信号，并且还可以被配置为响应于该触发信号而生成脉冲串。在一些实施例中，信号发生器110可以被配置为用于响应于触发信号而生成脉冲串/微波脉冲。触发信号可以是提供强度变化超过预定阈值的任何合适信号。一般而言，除了其他的之外，触发信号提供上升和/或下降脉冲，其足够陡峭以充当激发源的触发。在一些实施例中，触发信号可以包括方波脉冲，诸如晶体管到晶体管逻辑(TTL)脉冲。在一些实施例中，触发信号具有从大约小于1V到大约10V的合适电压值，包括其间的所有值和子范围。在一些实施例中，触发信号具有大约5V的电压值。在一些实施例中，触发信号包括具有上升时间(从低到高)为纳秒级或更小(诸如例如数百或数十皮秒)的脉冲。例如，通过用来自钛蓝宝石激光器的一个或多个超快光脉冲照射光电检测器来提供触发信号，以产生其振幅响应于超快光脉冲的检测而变化的电流或电压。在一些实施例中，上升时间可以相对较慢，大约在几微秒的量级或更长，因为不需要与信号发生器110的紧密同步。

在一些实施例中，信号发生器110可以被配置为用于双通道操作，并且可以生成两个脉冲串，其中一个脉冲串用于激发样本，而其中一个脉冲串用于检测来自样本的发射。在信号发生器110可以被配置为用于生成和/或接收触发信号的实施例中，两个脉冲串都可以响应于触发信号而被生成，并且彼此同相。它们可以同时生成或相对于彼此延迟。在一些实施例中，多于两个通道的操作是有可能的，诸如三通道操作、四通道操作、五通道操作和大于五通道操作。

倍频器电路120从信号发生器110接收(一个或多个)脉冲串，并在样本激发之前对该(一个或多个)脉冲串进行倍频。倍频器电路120可以涵盖任何合适数量和/或布置的一个或多个部件，包括但不限于放大器、频率滤波器、倍频器、开关、微波隔离器等。在一些实施例中，倍频器电路120可以包括一个或多个倍频器(例如，二倍频器)，其被配置为将脉冲串倍频到指定频率以生成倍频脉冲串。指定的频率可以是毫米波频率，并且可以在大约50GHz至大约150GHz、大约60GHz至大约140GHz、大约70GHz至大约130GHz、大约75GHz至大约110GHz的范围内，包括其间的所有值和子范围。

在一些实施例中，倍频器电路120可以包括一个或多个放大器，用于放大脉冲串和/或倍频脉冲串。在一些实施例中，每个放大器可以独立地具有在大约1和大约2、大约3、大约4、大约5、大约6、大约8、大约10之间的放大因子，包括其间的所有值和子范围。

如图1中所示，一个或多个滤波器125耦合到倍频器电路120，以接收脉冲串和/或倍频脉冲串，并且可以被配置为衰减、抑制和/或基本上从脉冲串和/或倍频脉冲串中移除一个或多个杂散发射(有时也称为杂散波)，以生成经滤波的脉冲串。如下面关于图4更详细解释的，这些杂散波可以包括由例如在频率倍增期间的非线性混合和/或在脉冲串中给定脉冲(啁啾)内的不同光谱分量之间的放大产生的杂散互调产物。附加地或可替代地，滤波器125可以被配置为过滤和/或基本上衰减其它类型的杂散发射，包括作为倍频的副产物的杂散谐波。这些杂散波与使用一个或多个混频器的常规系统生成的杂散波形成对比，在这些常规系统中，将激励源与另一个频率源进行频率混合导致在通过倍频器时重新组合的边带杂散波。

在一些实施例中，滤波器125包括至少一个腔带通滤波器，其被配置为使相对窄的频带通过，使得更可能移除和/或衰减接近期望频率的不期望频率。

在一些实施例中，倍频器电路120的部件和滤波器125包括级联的一系列滤波器-放大器-倍频器部件。在倍频器电路120生成第一脉冲串和第二脉冲串的一些实施例中，倍频器电路120可以包括并联的用于处理第一脉冲串的第一倍频器电路和用于处理第二脉冲串的第二倍频器电路。在一些实施例中，倍频器电路120的输出频率范围从大约8GHz至大约24GHz、从大约10GHz至大约22GHz、从大约12GHz至大约20GHz，包括其间的所有值和子范围。

在一些实施例中，系统100还可以在倍频器电路120之后包括附加处理部件，以获得合适的测量带宽。在一些实施例中，经滤波的脉冲串的测量带宽在大约60GHz至大约150GHz、大约65GHz至大约130GHz、大约70GHz至大约120GHz、大约75GHz至大约110GHz的范围内，包括其间的所有值和子范围。

在操作中，倍频器电路120和滤波器125的经滤波的倍频输出经由宽带天线(诸如例如增益喇叭天线)激发样本腔130中的样本。适于广播、指引、准直和/或聚焦毫米波束的装备包括但不限于：增益喇叭天线、标量馈电喇叭、平面镜、抛物面或球面镜、透镜和特定于偏振的反射器。在一些实施例中，经滤波的倍频输出的第一脉冲激发样本腔130中的样本，并且经滤波的倍频输出的第二脉冲与样本发射混合，如本文更详细描述的那样。

样本的激发可以导致发射辐射，诸如自由感应衰变(FID)发射，其进而可以经由发射检测器140被检测。在一些实施例中，发射检测器140包括被配置为接收和/或分析发射辐射(或其衍生物)的带宽受限的部件，诸如光谱仪和/或模数转换器(ADC)或数字化器。为了使发射在带宽受限的检测器的范围内，发射检测器140可以包括下变频电路，其示例在图3中示出。在一些实施例中，下变频电路可以包括混频器-放大器-倍增器(mixAMC)链，其包括倍频器(例如，6x倍增器)。在一些实施例中，发射检测器140可以包括下变频电路下游的附加处理部件(例如，在带宽受限的部件之前)，诸如但不限于放大器和/或滤波器(例如，腔带通滤波器)。在一些实施例中，带宽受限的部件的操作带宽在大约0.2GHz至大约3GHz、大约0.5GHz至大约2.5GHz、大约1GHz至大约2GHz、大约0.7GHz至大约1.4GHz的范围内，包括其间的所有值和子范围。

在信号发生器110包括两个通道并在第二倍频器电路的输出处生成第二倍频脉冲串的实施例中，发射检测器140可以被配置为接收第二倍频脉冲串并且还被配置为在mixAMC处混合第二倍频脉冲串和接收到的发射信号，以在带宽受限的部件的带宽内生成经下变频的发射信号。

发射检测器140可以被配置为用于基于任何合适的方法(诸如例如相干信号求平均方法)来测量/分析发射信号。在相干信号求平均中，具有通过现场可编程门阵列(FPGA)芯片或其它处理器的信号求平均能力的数字化器被用于将经放大的分子自由感应衰变信号数字化。数字化器还从信号发生器110的触发源105接收触发信号(其指示它应当开始收集)。该实验重复多次(典型的捕获次数在从1000到10000000的范围或者甚至更多)。在激发脉冲中的适当相位相干性的情况下，分子信号每次以相同的振幅和相位出现。由于非相干噪声的抑制，对表示这些重复捕获的这些电子信号求平均或累积会增加所得到的信号的信噪比(SNR)。然后将累积的迹线从数字化器卡上转移出来、进行处理，并进行傅立叶变换以产生样本发射的频谱。

在一些实施例中，发射检测器140可以被配置为用于外差检测。在一些实施例中，基于来自信号发生器110的触发信号(例如，电压尖峰)(如图1中所示)或者基于来自触发源105的外部触发信号(诸如响应于检测到光脉冲而来自于光电检测器的信号)，来测量发射信号。以这种方式，带宽受限的部件可以在接收到触发信号时开始检测发射，由此维持发射和用于外差检测的本地振荡器之间的相位相干性。这种方法的各方面消除了为了相位再现性的目的对同步检测和激发的分离机制的需要。更具体而言，在一些实施例中，信号发生器110不被锁定到用于频率混合的任何固定频率参考标准或源(即，可以不存在触发源105、示例固定频率标准)。消除用于生成脉冲串的频率混合、频率标准等显著降低了系统100的总体复杂性和成本。

例如，数字延迟脉冲发生器可以被用于生成触发。该脉冲发生器以固定的重复率(例如，10Hz)输出方波脉冲。这个脉冲发生器的输出被输入到充当信号发生器110的任意波形发生器(AWG)的“触发输入”功能中。每次AWG接收到触发输入时，它输出进行期望实验的波形集合，其可以由一个啁啾、一个变换受限的脉冲或一串多个啁啾或变换受限的脉冲或者任何其它波形组合组成。因为所有的激发波形都来自AWG，并且AWG还向数字化器提供信号以告知其何时进行捕获，所以对于数字延迟脉冲发生器的相位精度、再现性或抖动没有要求。AWG还可以与将对由样本发出的信号进行数字化的数字化器同步。例如，AWG可以将“捕获”信号发送到数字化器，以便数字化器有效地锁定到AWG的内部时基。可替代地，数字化器可以接收该触发信号，然后数字化器可以触发AWG以告知它发起波形生成。

系统100可以经由例如一个或多个网络与其它设备(未示出)通信，每个网络可以是被实现为有线网络和/或无线网络的任何类型的网络，诸如例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、虚拟网络、电信网络、数据网络和/或互联网。在一些实施例中，可以使用任何合适类型和/或方法的安全通信(例如，安全套接字层(SSL))和/或加密来保护任何或所有通信。在其它实施例中，任何或所有通信都可以是不被保护的。

直接倍增傅立叶变换毫米波光谱方法

图2图示了直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的方法200。在一些实施例中，方法200可以由系统100、其结构变体和/或其功能变体执行。方法200包括可选地在205处生成触发信号。这个触发信号可以被编程到信号发生器中，或者可以来自外部源(诸如分离的用户输入或感测光脉冲的光电检测器)。

方法200包括在210处利用合适的信号发生器生成一个或多个微波电磁能量脉冲。例如，信号发生器可以发射包括微波电磁能量的频率捷变脉冲(例如，频率扫描)的脉冲串。在一些实施例中，脉冲串包括在大约1GHz至大约3GHz的频率范围内的至少一个啁啾脉冲。

信号发生器可以是自由运行信号发生器，其响应于触发信号而生成(一个或多个)脉冲，而不等待来自外部频率参考的下一个时钟边缘或脉冲。换句话说，信号发生器可以异步地生成(一个或多个)脉冲，即，在接收到触发信号时立即产生脉冲而不等待当前时钟周期结束。相反，锁定到外部频率标准的信号发生器将同步地生成(一个或多个)脉冲，即，在信号发生器接收触发信号的时钟周期结束时。同步脉冲生成有时会在触发信号和脉冲之间产生不期望的滞后。如果触发信号不与信号发生器的外部频率标准同步，那么这种滞后可以变化最多一个时钟周期。异步信号生成不易受触发信号和脉冲之间的可变滞后的影响，因为信号发生器不会等待外部时钟以生成脉冲。

方法200还包括在220处将(一个或多个)脉冲倍频到指定频率，以生成一个或多个倍频脉冲。在一些实施例中，指定的频率是毫米波频率或者涵盖毫米波频率的频带，例如，在大约75GHz至大约110GHz的范围内。可以选择倍频脉冲的特定频率或频带，以匹配或涵盖样本的一个或多个已知或可疑的共振频率。

方法200还包括在230处从(一个或多个)倍频脉冲中过滤一个或多个杂散波，以生成一个或多个经滤波的脉冲。这些杂散波可以包括在步骤220中通过倍频产生的杂散互调产物、杂散谐波或两者。在一些实施例中，可以使用腔带通滤波器来执行这种过滤。

方法200还包括在240处使用(一个或多个)经滤波的脉冲来激发样本(例如，放置在样本腔130中)。例如，经滤波的脉冲传输可以经由天线(诸如喇叭天线)被发送到或发送通过样本保持器，以激发该样本。如果经滤波的脉冲与样本或样本的一个或多个成分共振，那么经滤波的脉冲可以诱导样本发射自由感应衰变(FID)发射或其它可观察的信号。

方法200还包括在250处检测来自样本的发射(诸如FID发射)，其至少部分地由经滤波的脉冲串引发。例如，步骤250可以由发射检测器140例如响应于在步骤205中产生的触发信号而执行。更具体而言，发射检测器140可以将FID发射与(一个或多个)经滤波的脉冲的另一个分量混合，以产生经下变频的FID发射。例如，第一毫米波脉冲可以用于在240处激发样本，并且第二毫米波脉冲可以在250处与发射混合，以生成经下变频的FID发射。发射检测器140可以放大经下变频的FID发射，然后对其进行倍频，以产生适于数字化和处理的频带中的信号。

在信号发生器响应于触发信号而生成脉冲串的实施例中，样本可以在脉冲串中每脉冲产生一个发射。如果脉冲串中的脉冲彼此相位相干，那么发射也将彼此相位相干。在这些实施例中，发射检测器140可以对发射进行累积或平均，以打击非相干噪声。通过打击非相干噪声，发射检测器进行更灵敏的测量、增加测量值SNR或两者。

在一些实施例中，脉冲串是第一脉冲串并且倍频脉冲串是第一倍频脉冲串，并且方法200还包括生成包括微波电磁能量的频率捷变脉冲的第二脉冲串。第二脉冲串与第一脉冲串协调，即，第二脉冲串和第一脉冲串具有良好地定义的频率和相位关系。方法200还可以包括(例如，经由信号处理器120的第二倍频器电路)将第二脉冲串倍频到指定频率，以生成倍频第二脉冲串。在这种实施例中，步骤250处的检测可以包括混合倍频第二脉冲串和接收到的发射，以生成在数字化器/模数转换器(ADC)的带宽内的经下变频的发射信号。

在一些实施例中，系统可以重复方法200的一个或多个步骤，例如，以进行更灵敏的测量、增加测量SNR或两者。例如，系统可以针对若干触发信号中的每一个重复整个方法200。再次，如果响应于触发信号而产生的脉冲是彼此相位相干的，那么发射也将是彼此相位相干的。在这些实施例中，发射检测器140可以对发射进行累积或平均，以改善测量灵敏度、增加测量SNR或两者。

用于光谱的微波到毫米波倍频

图3图示了用于直接倍增傅立叶变换毫米波光谱的示例系统300，其可以类似于系统100。在一些实施例中，系统300被配置为执行方法200。系统300是傅立叶变换毫米波光谱系统，其既生成毫米波激发脉冲(例如，第一脉冲串中的脉冲)又生成本地振荡器脉冲(例如，第二脉冲串中的脉冲)，以用于经由直接倍频从自由运行(非同步)微波频率源310(诸如这里所示的任意波形发生器、直接数字合成器或基于压控振荡器的合成器)对分子发射脉冲进行下变频。

系统300的一个特征是不存在用于上变频的任何混频器。(该系统确实在发射检测器340中包括毫米波混频器，以将高频分子信号转换成微波信号。)系统300的另一个特征是不存在用于同步的任何固定频率参考标准或源。时基仅由频率源310确定。(在一些实施例中，频率源310可以被锁定到频率参考(诸如铷时钟)，以增加其频率稳定性。)消除混频、本地振荡器以及用于生成并将本地振荡器锁定到频率源310的频率标准显著降低了系统的复杂性和成本。它还提供了如下所述的若干优点和新的操作模式。

使用频率源310(而不是诸如10MHz时钟之类的频率参考)确定时基使得将系统的操作(例如，频谱测量)与外部事件同步变得方便。这些事件的一些示例可以是但不限于脉冲激光、分子放电源、处理监视事件等。这些事件可以用作使发射检测器340开始进行捕获的触发，其可以由电信号(例如，电压尖峰)表示。因为时基是由频率源310定义的，所以这种触发事件不必为了维持从一次捕获到下一次捕获的相位再现性(这是执行时域信号求平均以提高灵敏度所需的)而被锁定到10MHz时钟或其它外部参考。以这种方式，系统300可以在没有频率参考或相位锁定本地振荡器的情况下执行相位相干外差检测。

在一些实施例中，系统300被配置为高分辨率仪器，其被设计用于测量和分析75-110GHz频率范围内(即，具有75-110GHz总仪器带宽)的宽带旋转光谱。在一些实施例中，系统300具有大约750MHz的瞬时带宽。在一些实施例中，源310包括12Gs/s、2通道AWG，其可以在大约2-4GHz的频带内产生脉冲。在一些实施例中，信号处理器包括倍频器电路320和固态有源倍增器链320b。在一些实施例中，发射检测器340包括被配置为执行实时累积或求平均的数字化器和外差接收器。

在一些实施例中，系统300被配置为用于多种操作模式，包括但不限于快速调查(例如，利用分段方法测量宽带频谱，每个片段中覆盖720MHz带宽)、高动态范围(HDR)调查(动态范围高达10⁵)、章动(nutation)曲线(用于确定用于高级脉冲序列的pi/2和pi脉冲的持续时间)、宽带双共振(用于找到频谱中不同过渡之间的量子状态连接)，以及同步HDR调查(以允许同步耦合到脉冲样本源，诸如脉冲喷嘴或脉冲激光源)。在一些实施例中，脉冲的持续时间和带宽取决于测量模式。在一些实施例中，使用倍频电路320a对脉冲进行倍频，倍频电路320a可以包括一个或多个二倍频器和滤波器，并且利用有源倍增器链(AMC)320b乘以因子6，以达到大约75-110GHz的测量带宽。

将倍频信号施加到样本，样本可以是经由脉冲喷嘴引入样本腔330的气体。在一些实施例中，样本腔330与系统300分离，并且与系统300一起被包括在套装(kit)中。

在一些实施例中，AWG 310的第二通道用于毫米波混频器(340的一部分)中的外差检测。使用倍频电路320a和检测器340中的mixAMC以将通过AWG 310生成的第二组脉冲倍频并放大到适当的频率范围和功率电平，以为混频器提供本地振荡器。这些本地振荡器脉冲与施加到样本的激发脉冲是相位相干的，因为它们是利用同一个信号发生器310生成的。本地振荡器脉冲也可以相对于激发脉冲频移(例如大约720MHz至大约1440MHz)，用于外差检测。

在具有实时信号累积能力的高速数字化器上记录小于2GHz的经下变频的信号。在一些实施例中，发射检测器包括用于连接到更高带宽的检测器(例如，示波器)以测量更高瞬时带宽(诸如例如高达11GHz)的端口(未示出)。

用于毫米波光谱的异步触发

图4示出了触发信号410和异步啁啾脉冲440的时域图，其将由图1和3中所示的系统根据图2中所示的方法生成。图4还示出了如将由外部频率源生成并在常规光谱系统中使用的时钟信号420，以及由常规光谱系统基于触发信号410和时钟信号420生成的同步啁啾脉冲430。

在图4的示例中，根据示例实施例，异步啁啾脉冲440响应于触发信号410而由信号发生器(例如，信号发生器110)产生。在这里，触发信号440包括方波脉冲，触发信号440中的每个脉冲的下降沿触发信号发生器的操作。在其它实施例中，触发信号可以具有另一种形状和/或信号发生器可以由另一个事件(诸如脉冲的上升沿)触发。

响应于触发信号410中的第一脉冲412的下降沿，信号发生器产生三个啁啾脉冲的脉冲串442。在任意时间段之后(例如，脉冲串的载波频率的周期的非整数倍)，触发信号410中的第二脉冲414再次触发信号发生器，信号发生器产生单个啁啾脉冲444，等等。在一些实施例中，信号发生器还被配置为跨由不同触发生成的脉冲维持脉冲特点(例如，每个脉冲具有相同的相位，如图4中所示)。

图4示出了由信号发生器生成的异步脉冲440响应于触发信号410的对应脉冲而立即发生。(在实践当中，由于信号传播和处理时间，在触发脉冲的下降沿和对应异步脉冲的上升沿之间可能存在轻微的延迟。)图4还示出了在触发脉冲与对应同步脉冲430之间存在可变滞后(被描绘为δ₁、δ₂和δ₃)。这些可变滞后表示触发脉冲410的下降沿与来自外部频率参考的时钟信号420的后续下降沿之间的时间。

在这个示例中，第一触发脉冲412的前沿与时钟信号420中的脉冲对齐，因此第一触发脉冲412的下降沿与对应同步脉冲串432的前沿之间的滞后δ₁等于第一触发脉冲412的宽度与(对于具有50％占空比的时钟的)时钟周期的一半之间的差。第二触发脉冲414与第二同步脉冲434以及第三触发脉冲416与第三同步脉冲436之间的滞后δ₂和δ₃分别不同(在这里，分别更小和更大)，因为触发信号410未同步到时钟信号420。这种可变延迟使得(如果不是不可能的话)难以基于任意发生的事件触发样本发射捕获。这种事件的示例包括但不限于来自脉冲阀(诸如脉冲喷嘴阀)、计量/感测仪器(诸如压力计、温度计等)的信号。例如，这种事件(例如，样本满足预定的温度阈值)可以指示需要如本文所述的那样对样本运行傅立叶变换光谱测量。

虽然图4图示了相继的触发信号之间的持续时间大于脉冲串的持续时间，但并非总是如此。如果信号发生器在脉冲串结束之前接收到另一个触发，那么它可以忽略该另一个触发、重新开始分析、丢弃上一次运行并用新的触发替换它，或者完全继续进行不同的分析。将理解的是，取决于用于生成触发信号的处理的性质，从系统100的角度来看，触发信号的周期性可以是确定性的或者是不确定的。

图4还图示了在一些实施例中每个脉冲或脉冲串可以具有独立于其它脉冲串的特点(例如，脉冲数、脉冲持续时间、脉冲重复频率、脉冲载波频率等)。例如，脉冲串446包括四个周期的单个啁啾脉冲，其可与五周期的单个啁啾脉冲444、以及包括三个各自包括四个周期的脉冲的啁啾脉冲串442区分开。在一些实施例中，信号发生器还被配置为跨由不同触发生成的脉冲改变脉冲特点，诸如例如跨频率带宽进行扫描。在一些实施例中，信号发生器还被配置为跨由不同触发生成的脉冲改变脉冲特点，诸如例如，在用于第一脉冲/第一组脉冲的第一组脉冲特点和用于第二脉冲/第二组脉冲的第二组脉冲特点之间切换。

从倍频信号中过滤杂散波

图5A-5E示出了根据示例实施例的由图1的信号发生器110发射的正弦调制音调在由系统100的各种部件处理时频率分布/频谱的改变。图5A示出了由信号发生器100生成的调制音调的频谱。音调处于中心频率f，其具有由处于频率f-Δ和f+Δ处的边带表示的调制。一般而言，由信号发生器(诸如任意波形发生器)生成的任何音调将可能具有不同信号电平的若干杂散分量。

图5B示出了诸如经由倍频器电路120的二倍频器的二倍频之后的音调和边带。二倍频将中心频率移位到2f并且将调制移位到2f-Δ和2f+Δ。此外，二倍频产生在频率f和3f处的杂散谐波，其具有在f-Δ和f+Δ以及在3f-Δ和3f+Δ处的调制边带，并且(未示出)也可以在f+2Δ和f-2Δ处产生附加的混频产物。图5B还图示了滤波器(例如，滤波器125)的通带502，该滤波器随后被施加到经二倍频的啁啾，以移除谐波及其边带。

图5C示出了在f和3f处的谐波以及它们各自的边带被过滤掉之后的经二倍频的调制音调。以这种方式，在倍频器电路120和(可选地)滤波器125进行的信号处理期间可以移除不期望的谐波和其它杂散信号。图5D图示了通过将图5C中所示的信号进行二倍频而生成的啁啾，从而得到中心频率是从信号发生器发射的信号的四倍(4f)的信号，并且再次包括频率在2f和6f处的谐波加上相关联的边带。应用另一个滤波器以移除这些谐波及其相关联的杂散波，以生成图5E的信号，其中心频率为4f并且在4f-Δ和4f+Δ处有相关联的杂散波。

图6A-6E图示了信号发生器发射的啁啾在被系统100的各种部件处理时频率分布/频谱的改变。图6A示出了啁啾具有从大约f₁到大约f₂(例如，1.5GHz至2.0GHz)的频率范围，带宽为f₂-f₁(例如，500MHz)。图6B示出了二倍频之后频谱的改变。经二倍频的啁啾具有从大约2f₁至大约2f₂(例如，3GHz至4GHz)的频率范围，其中一个杂散谐波啁啾跨越从f₁到f₂的频率范围，并且杂散的三次谐波啁啾跨越从3f₁至3f₂的范围(例如，4.5GHz到6GHz)。

图6C图示了在使用具有滤波器通带602的滤波器过滤掉杂散谐波f₁-f₂和3f₁-3f₂之后的经二倍频的调制音调。滤波器通带602的形状部分地取决于基频的最高频谱分量(f₂)与二倍频脉冲的最低频谱分量(2f₁)之间的差异，以及二倍频脉冲的最高频谱分量(2f₂)与杂散三次谐波的最低频谱分量(3f₁)之间的差异。差异越小，滤波器截止就需要越尖锐，以有效地移除杂散谐波。例如，如果f₁为大约1.56GHz并且f₂为大约2.28GHz，那么基频的频率f₂与倍频脉冲的频率2f₂之间的差异为大约0.84GHz，而二倍频脉冲的频率2f₂与三次谐波的频率3f₁之间的差异为大约0.12GHz。令人满意的滤波器可以具有相对尖锐的衰减特点，以高效地使二倍频脉冲通过同时过滤掉附近的杂散三次谐波，并且本公开的各方面通过在倍频器电路120中使用一个或多个腔带通滤波器来提供这种能力。

图6D图示了对在图6B和6C中所示的二倍频啁啾脉冲进行二倍频之后的频谱，从而得到跨4f₁至4f₂的二倍频脉冲以及跨2f₁至2f₂和6f₁至6f₂的频带的杂散谐波。如上所述，利用具有滤波器通带604的滤波器来过滤这些杂散谐波，滤波器通带604的形状部分地取决于基频的频率2f₂与二倍频脉冲的频率4f₁之间的差异，以及二倍频脉冲的频率4f₂与杂散三次谐波6f₁-6f₂之间的差异。作为示例，如果f₁为大约1.56GHz并且f₂为大约2.28GHz，那么杂散谐波2f₁-2f₂的频率2f₂与二倍频脉冲的频率4f₁之间的差异为大约1.68GHz，而二倍频脉冲的频率4f₂与杂散谐波6f₁-6f₂的频率6f₁之间的差异为大约0.24GHz。因此，滤波器604可以比滤波器602具有相对不太尖锐的衰减特点，以有效地过滤掉2f₁-2f₂和6f₁-6f₂处的谐波(参见图6E)。以这种方式，通过在倍频电路120中较早地使用诸如腔带通滤波器之类的高性能带通滤波器，对后续/下游滤波器提出不太严格的要求。

虽然各种创造性实施例已经在本文中进行了描述和图示，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或优点中的一个或多个的各种其它装置和/或结构，并且这些变化和/或修改当中每一个都被认为在本文所述的创造性实施例的范围内。更一般而言，本领域技术人员将容易认识到的是，本文所述的所有参数、维度、材料和配置都意在是示例性的，并且实际的参数、维度、材料和配置将取决于本创造性教导所用于的具体应用(一个或多个)。本领域技术人员将认识到，或者能够仅仅使用常规实验来确定，本文所描述的具体创造性实施例的许多等价物。因此，应当理解的是，前述实施例仅仅是作为示例给出的，并且，在所附权利要求及其等价物的范围内，创造性实施例可以如不同于具体描述并要求保护的那样来实践。本公开的创造性实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件、和/或方法。此外，如果这种特征、系统、制品、材料、套件、和/或方法不相互不一致，那么两个或更多个这种特征、系统、制品、材料、套件、和/或方法的任意组合包括在本公开的创造性范围内。

结论

上述实施例可以以多种方式中的任何一种来实现。例如，设计并产生本文公开的技术的实施例可以使用硬件、软件或其组合来实现。当用软件实现时，软件代码可以在无论在单个计算机中提供或者在多个计算机之间分布的任何合适的处理器或处理器集合上执行。

本文概述的(例如，设计和制造上面公开的技术的)各种方法或处理可以被编码为可在采用各种操作系统或平台中的任何一种的一个或多个处理器上执行的软件。此外，这种软件可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。

本文使用的术语“程序”或“软件”在一般意义上指任何类型的计算机代码或处理器可执行指令集，该计算机代码或处理器可执行指令集可以用来对计算机或其它处理器编程以实现如以上讨论的实施例的各个方面。此外，应当认识到的是，根据一方面，当被执行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序无需驻存在单个计算机或处理器上，而是可以以模块方式分布在多个不同的计算机或处理器当中以实现本发明的各个方面。

计算机可执行指令可以以许多形式，诸如由一个或多个计算机或其它设备执行的程序模块。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。通常，在各个实施例中可以如所期望地组合或分布程序模块的功能。

而且，数据结构可以存储在任何合适形式的计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可以被示为具有通过数据结构中的位置相关的字段。这种关系同样可以通过以下方式来实现–在计算机可读介质中为具有位置的字段指派存储空间以传达字段之间的关系。但是，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签或建立数据元素之间关系的其它机制。

而且，各种创造性概念可以被体现为已经提供了示例的一个或多个方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，实施例可以被构造为其中动作是以不同于图示的次序执行的，其可以包括同时执行一些动作，尽管在说明性实施例中示出为顺序的动作。

如本文所定义和使用的，所有的定义都应该被理解为优先于字典的定义控制通过引用被结合的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。

如本文在说明书和在权利要求中所使用的，除非明确地指示为相反，否则不定冠词“一”和“一个”应当被理解为意在“至少一个”。

如本文在说明书和在权利要求中所使用的，短语“和/或”应当被理解为意在如此连接的元素的“任一个或两者”，即，在一些情况下结合存在并且在另一些情况下分离存在的元素。利用“和/或”列出的多个元素应该以同样的方式进行解释，即，如此结合的元素的“一个或多个”。除由“和/或”子句具体识别的元素之外，其它元素也可以可选地存在。因此，作为非限制性的示例，当结合诸如“包括”的开放式语言使用时，对“A和/或B”的引用可以，在一个实施例中，仅仅指A(可选地包括除B之外的元素)；在另一个实施例中，仅仅指B(可选地包括除A之外的元素)；在还有的另一个实施例中，指A和B两者(可选地包括其它元素)；等等。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当被理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项时，“或”或“和/或”应当被解释为包括性的，即，包括多个元素或元素列表当中至少一个，但也包括一个以上，以及可选地，附加的未列出的项目。只有明确地指示相反的术语，诸如“仅…之一”或者“确切地…之一”，或者当在权利要求中使用时的“由…组成”，将指包括多个元素或元素列表当中确切一个元素。一般而言，如本文所使用的，当前面有排他性术语(诸如“任意一个”、“…之一”、“仅…之一”或者“确切地…之一”)时，如本文中使用的术语“或”将只被解释为指示排他性的替代(即“一个或另一个但不是两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由…组成”将具有其如在专利法领域中使用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“至少一个”在引用一个或多个元素的列表时应当理解为意味着从元素列表中的元素中的任何一个或多个元素中选择的至少一个元素，但是未必包括在元素列表内具体列举的每一个元素中的至少一个元素并且未排除元素列表中的元素的任意组合。这一定义也允许可以可选地存在除了在短语“至少一个”所引用的元素列表内具体识别的元素之外的、无论是与具体识别的那些元素有关还是无关的元素。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等价地，“A或B中的至少一个”，或等价地，“A和/或B中的至少一个”)可以，在一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个A，其中不存在B(并且可选地包括除B之外的元素)；在另一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个B，其中不存在A(并且可选地包括除A之外的元素)；在还有的另一个实施例中，指至少一个，可选地包括多于一个A，和至少一个，可选地包括多于一个B(并且可选地包括其它元素)；等等。

在权利要求中，以及在上述说明书中，所有过渡短语(诸如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等)被理解为是开放式的，即，意味着包括但不限于。只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才将分别是封闭或半封闭过渡短语，如在美国专利局专利审查程序手册2111.03节中所阐述的。

Claims

1.一种方法，包括：

生成微波电磁能量的至少一个脉冲；

对所述至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲；

过滤所述至少一个倍频脉冲的至少一个杂散谐波，以生成至少一个经滤波的脉冲，所述至少一个杂散谐波是通过对所述至少一个脉冲进行倍频而生成的；

使用所述至少一个经滤波的脉冲来激发样本；以及

检测来自所述样本的发射，该发射是至少部分地通过所述至少一个经滤波的脉冲被引发的。

2.如权利要求1所述的方法，其中生成所述至少一个脉冲包括生成在从大约1GHz至大约3GHz的频率范围内的至少一个啁啾脉冲。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个倍频脉冲具有在从大约75GHz至大约110GHz的范围内的频率。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述过滤包括使用腔带通滤波器来过滤所述至少一个杂散谐波。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述生成包括响应于触发信号而生成所述至少一个脉冲。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述检测包括响应于所述触发信号而检测所述发射。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个脉冲包括第一脉冲，所述方法还包括：

生成微波电磁能量的第二脉冲，所述第二脉冲与所述第一脉冲同相；以及

对第二脉冲进行倍频以生成第二倍频脉冲，

所述检测包括混合所述第二倍频脉冲和所述发射，以生成在模数转换器(ADC)的带宽内的经下变频的发射信号。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述检测包括外差检测。

9.一种装置，包括：

信号发生器，被配置为生成微波电磁能量的至少一个脉冲；

倍频器电路，可操作地耦合到所述信号发生器，所述倍频器电路被配置为对所述至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲；

滤波器电路，可操作地耦合到所述倍频器电路，所述滤波器电路被配置为过滤所述至少一个倍频脉冲的至少一个杂散谐波，以生成至少一个经滤波的脉冲，所述至少一个杂散谐波是通过对所述至少一个脉冲进行倍频而生成的，所述滤波器电路还被配置为使用所述至少一个经滤波的脉冲来激发样本；以及

发射检测器，被配置为检测来自所述样本的发射，该发射是至少部分地通过所述至少一个经滤波的脉冲被引发的。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述信号发生器还被配置为将所述至少一个脉冲生成为在从大约1GHz至大约3GHz的频率范围内的至少一个啁啾脉冲。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述至少一个倍频脉冲具有在从大约75GHz至大约110GHz的范围内的频率。

12.如权利要求9所述的装置，所述滤波器电路包括腔带通滤波器。

13.如权利要求9所述的装置，其中所述信号发生器还被配置为响应于触发信号而生成所述至少一个脉冲。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述发射检测器还被配置为响应于所述触发信号而检测所述发射。

15.如权利要求9所述的装置，其中所述至少一个脉冲包括第一脉冲，

其中所述信号发生器还被配置为生成微波电磁能量的第二脉冲，所述第二脉冲与所述第一脉冲同相，

其中所述倍频器电路还被配置为对所述第二脉冲进行倍频，以生成第二倍频脉冲，以及

其中所述发射检测器还被配置为混合第二倍频脉冲和所述发射，以生成在模数转换器(ADC)的带宽内的经下变频的发射信号。

16.如权利要求9所述的装置，其中所述发射检测器还被配置为经由外差检测来进行检测。

17.一种方法，包括：

利用自由运行的信号发生器，生成微波电磁能量的至少一个脉冲；

对所述至少一个脉冲进行倍频，以生成至少一个倍频脉冲；

使用所述至少一个倍频脉冲来激发样本；以及

检测来自所述样本的发射，该发射是至少部分地通过所述至少一个倍频脉冲被引发的。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：过滤所述至少一个倍频脉冲的至少一个杂散谐波以生成至少一个经滤波的脉冲，所述至少一个杂散谐波是通过对所述至少一个脉冲进行倍频而生成的，

其中所述激发包括使用所述至少一个经滤波的脉冲来激发样本。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述至少一个倍频脉冲具有在从大约75GHz至大约110GHz的范围内的频率。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述过滤包括使用腔带通滤波器来过滤所述至少一个杂散谐波。

21.如权利要求17所述的方法，其中所述生成包括响应于来自所述信号发生器的内部导出时基的触发信号而生成所述至少一个脉冲。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述检测包括响应于所述触发信号而检测所述发射。

23.如权利要求17所述的方法，其中所述生成包括响应于来自所述信号发生器外部的可变频率源的触发信号而生成所述至少一个脉冲。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述检测包括响应于所述触发信号而检测所述发射。

25.如权利要求17所述的方法，其中所述生成包括生成在从大约1GHz至大约3GHz的频率范围内的至少一个啁啾脉冲。

26.如权利要求17所述的方法，其中所述检测包括外差检测。

27.一种装置，包括：

信号发生器，被配置为响应于触发信号而生成微波电磁能量的至少一个脉冲；

倍频器电路，耦合到所述信号发生器，所述倍频器电路被配置为对所述至少一个脉冲进行倍频以生成至少一个倍频脉冲，所述倍频器电路还被配置为使用所述至少一个倍频脉冲来激发样本；以及

发射检测器，被配置为检测来自所述样本的发射，该发射是至少部分地通过所述至少一个倍频脉冲被引发的。

28.如权利要求27所述的装置，其中所述信号发生器还被配置为将所述至少一个脉冲生成为在从大约1GHz至大约3GHz的频率范围内的至少一个啁啾脉冲。

29.如权利要求27所述的装置，其中所述发射检测器还被配置为响应于所述触发信号而检测所述发射。

30.如权利要求27所述的装置，其中所述至少一个脉冲包括第一脉冲，

31.如权利要求27所述的装置，其中所述发射检测器还被配置为经由外差检测来进行检测。

32.如权利要求27所述的装置，所述信号发生器包括被配置为生成所述触发信号的内部导出时基。

33.如权利要求27所述的装置，所述发射检测器被配置为响应于所述触发信号而检测所述发射。

34.如权利要求27所述的装置，所述信号发生器被配置为从所述信号发生器外部的可变频率源接收所述触发信号。

35.一种方法，包括：

利用自由运行的信号发生器，响应于第一触发信号而生成第一微波脉冲和第二微波脉冲；

对第一微波脉冲进行倍频以形成第一毫米波信号，第一毫米波信号包括第一毫米波脉冲和第一杂散发射；

从第一毫米波信号中过滤第一杂散发射谐波，以产生第一毫米波脉冲；

对第二微波脉冲进行倍频以形成第二毫米波信号，第二毫米波信号包括第二毫米波脉冲和第二杂散发射；

从第一毫米波信号中过滤第二杂散发射谐波，以产生第一毫米波脉冲；

用第一毫米波脉冲激发样本，以产生第一样本发射；

将第一样本发射与第二毫米波脉冲混合，以产生第一经下变频的样本发射；

检测第一经下变频的样本发射，以产生第一电子信号；

利用所述自由运行的信号发生器，响应于第二触发信号而生成第三微波脉冲和第四微波脉冲，第三微波脉冲和第四微波脉冲与第一微波脉冲和第二微波脉冲是相位相干的；

对第三微波脉冲进行倍频以形成第三毫米波信号，第三毫米波信号包括第三毫米波脉冲和第三杂散发射；

从第三毫米波信号中过滤第三杂散发射谐波，以产生第三毫米波脉冲；

对第四微波脉冲进行倍频以形成第四毫米波信号，第四毫米波信号包括第四毫米波脉冲和第四杂散发射；

从第四毫米波信号中过滤第四杂散发射谐波，以产生第四毫米波脉冲；

用第三毫米波脉冲激发所述样本以产生第二样本发射，第二样本发射与第一样本发射是相位相干的；

将第二样本发射与第四毫米波脉冲混合，以产生第二经下变频的样本发射；

检测第二经下变频的样本发射，以产生第二电子信号；以及

将第一电子信号和第二电子信号求平均。

36.如权利要求35所述的方法，其中第一毫米波脉冲的频率从第二毫米波脉冲的频率偏移大约720MHz至大约1440MHz。