CN109115718B - 一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法及装置，通过对太赫兹信号进行两次的0:π相位调制，对相干噪声一次0:π相位调制，使得太赫兹信号先变为反相后再变为同相，而相干噪声变为反相，再通过多次平均，就可方便的消除的相干噪声，提高信噪比；本发明通过采用一个运算放大器和一个多路复用模块就实现了消除的相干噪声，提高信噪比的效果，该装置制造成本低廉，性能优异，为异步高速扫描太赫兹时域光谱系统进一步集成打下了坚实的基础。

Description

一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置
技术领域
本发明属于THz技术领域，具体涉及一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置。
背景技术
太赫兹是指频率段在0.1THz到10THz的电磁辐射波。这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。太赫兹波由于具有瞬态性、低能性和相干性等独特性质，在无损检测、无线通信、军用雷达、生化等众多领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。近年来，众多研究小组开展了太赫兹时域光谱领域的研究。太赫兹波由于其所属频段的特点，以及许多生物分子的振动和转动能级均坐落在此频段内。使得太赫兹光谱成为检测生物分子以及疾病的有效手段。因此研究太赫兹光谱系统正成为国内外研究的重点。
太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)作为一种有效的光谱检测手段，在未来的生物医学，无损检测及光谱成像领域中发挥越来越重要的作用。现阶段常见的太赫兹产生方法有光电导天线和光整流法，探测太赫兹的方法有光电导取样和电光取样法。
如图1所示，现阶段普遍应用的传统THz-TDS泵浦探测系统通过机械平移台的机械步进来实现对太赫兹信号的逐点扫描，机械电机每步进一次只会完成对太赫兹脉冲的某一点采样，因此，要想得到整个太赫兹脉冲，根据时域谱分辨率的需求步进电机需要移动几百到几千次，耗时几分钟到几十分钟甚至更长。所以，基于机械平移台的THz-TDS系统无法实现对太赫兹脉冲的快速采样。其具有如下缺点：
1)使用机械延迟装置，由于电机的机械弛豫时间，会导致扫描完所有的点要使用很长的时间，所以传统TDS系统得到一张太赫兹时域光谱一般需要几到几十分钟，时间很长。
2)机械平移台由于是利用电机产生运动，所以在移动的时候会产生振动，这种振动会对整个光学系统的光路结构产生影响，所以需要在光学平台上来进行试验，不易于集成，不利于制作可移动可便携的太赫兹时域光谱系统。
3)若平移台的搭建不够精确，光束会随着平移台的移动而产生微小的偏移，因此会对实验结果产生进一步的影响。
如图2所示，异步快速光学采样系统(ASOPS-THz-TDS)可以成功的避免由机械平移台引入的弊端。在ASOPS系统中有两台锁模飞秒激光器，其重复频率为几十兆赫兹到几G赫兹且可调，激光功率大约几百mW到几W，脉冲长度约为100fs，分别用作泵浦和探测激光，如图2所示。扫描过程中由高带宽反馈电子设备控制两激光器之间的重复频率差，其范围在小于1赫兹到几十K赫兹。由于重频差而实现自动扫描。与传统TDS系统不同，ASOPS系统需要产生一个触发信号来开始每次信号的采集。采样原理如图3所示。两台激光器分别产生泵浦(pump)脉冲和探测(probe)脉冲，其重复频率分别为f0和f1，两列脉冲对应的时间间隔为Δt＝Δf/(f0*f1)；Δt为探测脉冲对泵浦脉冲的瞬间相应取样的步进时间，即为时间分别率。
时间间隔1/f1内对太赫兹信号的探测是由f0/Δf个采样信号组成，所观测到的信号相比于时间轴被放大了p倍。
Figure GDA0002606236490000021
每一个泵浦和探测脉冲重合一次则产生一个触发信号。触发信号周期为1/Δf即采集一个太赫兹所需时间。采集到的信号要进行多次平均，来降低随机噪声，用以获得较高的信噪比。数据平均的误差取决于数据采集触发信号的抖动，因此得到稳定的触发信号至关重要。通过双光子相互作用可以实现～10fs的最小的触发抖动。对于激光器的重复频率在100MHz的情况下，最佳的差频Δf＝100Hz，此时信号的时间分辨率约等于触发信号的误差。通常需要采集至少1000个数据来实现较好的信噪比，因此，当Δf＝100Hz时，获取一个太赫兹信号需要10s左右的时间。
如图4和图5所示为典型的太赫兹异步扫描系统得到的信号以传统太赫兹时域光谱系统结合锁相放大器得到的信号做对比。在两幅图中，可以看到异步信号中存在严重的残留噪声。噪声的实质性质是相干噪声，这一点在图5中有更明显的体现。这是由于太赫兹异步扫描系统的信号要经过跨阻放大器的放大才能被采集到，而高增益(107-108)和宽带(>5MHz)的跨阻放大器会引入由高频电容耦合相干噪声。而此种噪声无法通过多次平均滤除，因此限制了信噪比的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法以及装置，能够滤除由多次平均无法消除的相干噪声，提高信噪比。
一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法，包括：
在太赫兹产生天线上加载频率为Δf/2的方波信号，其中，Δf表示太赫兹异步扫描系统中泵浦激光与探测激光的差频；该方波信号加载在太赫兹产生天线上的电压对产生的太赫兹信号进行第一次的0：π相位调制，使得产生的相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相反；
对于掺杂了相干噪声的太赫兹信号再一次进行0：π相位调制，使得相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相同，同时，使得相邻两个相干噪声信号的相位相反；
最后，将经过二次相位调制的太赫兹信号进行多次平均处理，由此消除相干噪声。
一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的装置，包括多路复用模块AD8170和运算放大器；多路复用模块AD8170的1号引脚接所述方波信号；3号引脚接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号；第13号引脚接地；第31号引脚接运算放大器的正向输入端；所述运算放大器的反向输入端接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号。
所述运算放大器的型号为ADA4851。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法，通过对太赫兹信号进行两次的0:π相位调制，对相干噪声一次0:π相位调制，使得太赫兹信号先变为反相后再变为同相，而相干噪声变为反相，再通过多次平均，就可方便的消除的相干噪声，提高信噪比；本发明通过采用一个运算放大器和一个多路复用模块就实现了消除的相干噪声，提高信噪比的效果，该装置制造成本低廉，性能优异，为异步高速扫描太赫兹时域光谱系统进一步集成打下了坚实的基础。
附图说明
图1为传统THz-TDS泵浦探测系统光路图；
图2为现有的异步快速光学采样系统(ASOPS-THz-TDS)光路图；
图3为异步扫描时域光谱系统ASOPS的采样原理图；
图4为两级放大异步扫描系统信号和传统时域光谱系统信号图；
图5为三级放大异步扫描系统信号和传统时域光谱系统信号图；
图6为本发明的0:π相位转换单位增益放大器原理图；
图7为本发明的0:π相位转换单位增益放大器在太赫兹异步扫描系统中应用原理图；
图8为太赫兹信号变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法，具体为：
在太赫兹异步扫描系统中的太赫兹产生天线上加载频率为Δf/2的方波信号，其中，Δf表示泵浦激光与探测激光的差频；由此，该方波信号加载在太赫兹产生天线上的电压会对产生的太赫兹信号进行第一次的0：π相位调制，相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相反。
对于经过跨阻放大器处理过的太赫兹信号，由于产生了相干噪声(相邻两相干噪声信号的相位为同相)，需要将噪声滤除；本发明对掺杂了噪声的太赫兹信号再一次进行0：π相位调制，使得相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相同，同时，使得相邻两个相干噪声信号的相位相反；
最后，将经过二次相位调制的太赫兹信号进行多次平均处理，保留了太赫兹信号，并同时消除相干噪声和系统随机噪声。
基于以上方法思路，本发明还提供了一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的装置，如图6所示，本发明的0:π相位转换单位增益放大器包括多路复用模块AD8170和运算放大器ADA4851；多路复用模块AD8170的1号引脚接Δf/2的方波信号；3号引脚接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号；第13号引脚接地；第31号引脚接运算放大器ADA4851的正向输入端；所述运算放大器ADA4851的反向输入端接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号。
其具体的工作原理为：当多路复用模块AD8170的端口1输入的方波信号为-1时，端口31将与端口13相连即接地。此时运算放大器ADA4851的正向输入端口输入信号为0，反向端口为输入的太赫兹信号，因此将对太赫兹信号进行单位增益的反相放大，即输出的太赫兹信号相对于输入信号产生一个大小为π的相位变化。当多路复用模块AD8170的端口1输入的方波信号为1时，多路复用模块AD8170的端口31将与端口3即太赫兹信号相连。这时运算放大器ADA4851在其正向和反向输入端接收到相同的太赫兹信号。反向输入端的增益为-1，正向输入端的增益为1+Rg/Rf＝2。因此，净增益为1且输出的太赫兹信号相对于输入的太赫兹信号没有相位变化。
本发明的“0:π相位转换单位增益放大器”在太赫兹异步扫描系统中的具体应用如图7所示。用一列频率为Δf/2的方波信号驱动太赫兹产生天线或者斩波器，同时作为“0:π相位转换单位增益放大器”的参考信号。在异步系统中，扫描频率由Δf决定，当驱动太赫兹天线的交流方波信号为Δf/2时，则可保证产生被扫描的两相邻信号有π的相位变化，如图8所示。一列被相位调制了的太赫兹信号经太赫兹探测器转变为电信号后经宽带高增益的跨阻放大器放大。在此过程中相干噪声同时被放大。由于两相邻太赫兹脉冲为反相，而相邻两噪声信号为同相，再经过“0:π相位转换单位增益放大器”，相当于相邻两个太赫兹脉冲信号和相邻两个噪声信号分别乘以1和-1，则太赫兹信号相位被调整为同相而同时相干噪声被转换成反相，经过多次平均以后，相干噪声将和系统随机噪声一起被有效的消除，以此来进一步提高系统信噪比。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法，其特征在于，包括：
在太赫兹产生天线上加载频率为Δf/2的方波信号，其中，Δf表示太赫兹异步扫描系统中泵浦激光与探测激光的差频；该方波信号加载在太赫兹产生天线上的电压对产生的太赫兹信号进行第一次的0：π相位调制，使得产生的相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相反；
对于掺杂了相干噪声的太赫兹信号再一次进行0：π相位调制，使得相邻两个太赫兹脉冲信号的相位相同，同时，使得相邻两个相干噪声信号的相位相反；
最后，将经过二次相位调制的太赫兹信号进行多次平均处理，由此消除相干噪声。
2.一种实现权利要求1所述滤除太赫兹异步扫描系统相干噪声的方法的装置，其特征在于，包括多路复用模块AD8170和运算放大器；多路复用模块AD8170的1号引脚接所述方波信号；3号引脚接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号；第13号引脚接地；第31号引脚接运算放大器的正向输入端；所述运算放大器的反向输入端接经过第一次0：π相位调制的太赫兹信号。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述运算放大器的型号为ADA4851。
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