CN109459611A - 基于干涉仪的太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极弱太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法。它以干涉法傅里叶频谱测量方法为基础，针对太赫兹短脉冲不稳定弱信号难以准确测量其频谱的问题，提出直接对干涉仪后探测器输出的模拟信号进行高速数据采集和处理。根据信号的稳定情况控制电机在每个光程差段的停留时间，当该段内信号达到设定的稳定程度之后进行求平均和取特征峰值的操作并移动到下一个光程差段，对达不到信号稳定度要求的光程差段做插值处理；然后以零光程差点处信号幅值超大的特征做数据分割；将得到的平均值、特征峰值序列关于零光程差段做相位校正，最后进行频谱提取。本发明能够探测自由电子激光太赫兹源产生的相位抖动很大、束流能量不稳定太赫兹波段频谱。

Description

基于干涉仪的太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法

技术领域

本发明属于频谱测量技术领域，更具体地，涉及一种基于干涉仪的极弱太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法，极弱太赫兹短脉冲信号具体是指脉冲幅值小于500Mv，脉冲宽度小于250us的脉冲信号。

背景技术

自由电子激光太赫兹源是当前太赫兹源研究的一大主流方向；其要求同时发展太赫兹波段频谱测量技术。当前自由电子激光太赫兹源调试过程中产生的太赫兹波具有短脉冲、噪声干扰大的特点。因此，要求一种能够在弱信噪比、能量抖动的情况下探测太赫兹波段频谱的方法。利用电机步进改变两路等功率太赫兹波束光程差的方法得到随波长周期性变化的干涉波形图；然后通过平均法、峰值法将同光程差内的探测器脉冲输出信号序列用一个有效单脉冲幅值来表征；最后将提取到的不同光程差对应的有效脉冲幅值进行快速傅里叶变换并对比平均法、峰值法处理的结果。

目前发表的相关文献上都是通过电机步进移动配合干涉法产生强弱变化的相干信号，经探测器输出后再经锁相放大器等硬件方法先行提高信噪比，然后利用计算机进行傅里叶光谱测量。如，文献1[李正锋.太赫兹傅里叶光谱系统的研究[D].电子科技大学，2017]提出基于迈克尔逊干涉仪加锁相放大器抗干扰的方法、文献2[卢铁林，袁慧，吴同，张存林，赵跃进.干涉法测量连续太赫兹波频谱[J].激光与光电子学进展，2016，53(04):124-129]提出的利用惠特曼双臂干涉法产生干涉信号传入锁相放大器后再经过计算机进行频谱测量的方式。现有弱信号的频谱测量都是通过锁相放大器将宽带噪声转换成窄带噪声以提高信噪比，然后将锁相放大器的输出采样后直接进行傅里叶变换；这对锁相放大器的输入信号提出了要求，它要求输入信号的相位抖动维持在比较小的范围之内并且由于锁相放大器在参考频率附近的动态范围很小，这就要求输入脉冲频率附近不能有超过0dB的干扰信号，否则锁相放大器将会产生错误的输出。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于干涉仪的太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法，旨在解决现有技术中对自由电子激光太赫兹源未饱和时产生的太赫兹波频谱进行探测时，由于束流能量抖动、噪声干扰导致探测精度低的问题。

本发明提供了一种基于干涉仪的太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法，包括下述步骤：

S1：采集数据的同时，提取每一个脉冲周期内的脉冲幅值；

S2：根据所述脉冲幅值计算当前光程差段内各脉冲幅值的实时样本方差D_x和实时脉冲幅值平均值；

S3：当前光程差段内的累积脉冲幅值数量N大于4*f_n且小于20*f_n时，判断所述实时样本方差D_x是否小于方差阈值，若是，则将当前光程差段内的各脉冲幅值序列进行降序排列；分别去除首尾10％的数据，再对剩下数据取峰值X_max和求平均值X_mean，进入步骤S5；若否，则返回至步骤S2；

S4：当前光程差段内的累积脉冲幅值数量N大于等于20*f_n，且所述实时样本方差仍大于所述方差阈值时，将当前光程差段内的峰值X_max和平均值X_mean均取0，进入步骤S5；

S5：根据当前光程差段内的峰值X_max和平均值X_mean判断当前光程差段是否为零光程差段，若是，则对该光程差段进行标记后转入步骤S6；若否，则转入步骤S6；

S6：电机移动到下一段，并判断电机移动总步数是否大于设定步数，若是，则转入步骤S7；若否，则返回至步骤S2；

S7：通过分别丢弃两个序列中的零值并标记零值在两个序列中的位置来对序列进行更新，并对更新后的序列进行拟合处理，最后对处理后的序列进行快速傅里叶变换获得待测频谱。

其中，在步骤S1之前还包括：根据所采集的数据中的脉冲数获得脉冲重复频率f_n。

在本发明实施例中，实时样本方差所述实时脉冲幅值平均值其中N为当前时刻累积提取到当前光程差段的脉冲数量、X_i为当前光程差段对应第i个脉冲的幅值。

更进一步地，在步骤S5中，若当前光程差段内的X_mean、X_max值是上一个非零X_mean、X_max幅度的k倍以上，则当前光程差段被认为是零光程差段。

更进一步地，步骤S7具体为：

S71：对更新后的序列进行最小二乘法拟合，并采用曲线中对应位置的最小二乘法拟合值替代序列中的零值，再插入X_mean、X_max序列的对应位置处；

S72：分别对峰值法、平均法处理后的脉冲幅值序列关于零光程差点做相位校正和镜像对称，使数据长度增加为原来的两倍；再进行快速傅里叶变换；

S73：对傅里叶变换后的谱图X轴进行还原后获得待测频谱。

其中，当傅里叶变换前时间域的数据长度为M时，快速傅里叶变换后的频域数据长度为M/2+1。

本方法具有以下优点：

(1)方法简单，易于实现，避免通用方法中使用锁相放大器预先提高信噪比的步骤，从而放宽了对输入信号的能量以及频率稳定度的要求。

(2)实时计算当前光程差段内实时提取到的各脉冲幅值的实时样本方差，判断信号稳定程度，以确保平均法和峰值法处理的数据是有效、可靠的；

(3)不再对预定时间内的实时样本方差仍然大于阈值的电机移动段进行不可靠的平均和取峰值处理，转而采用最小二乘法拟合后插值的方式确保不对数据整体造成严重干扰；

(4)避免偶然的异常脉冲信号对峰值法、平均法造成严重的影响，从而不能正确反映当前光程差段内信号的整体特征；将所得到的脉冲幅值序列进行降序排列后去除首尾10％的数据之后再进行求平均和取峰值可有效解决此问题；

(5)对峰值法和平均法处理后的数据做关于零光程差点做相位校正和镜像对称，处理将频谱分辨率提高一倍。

附图说明

图1是本发明实施例提供的抗干扰太赫兹波段频谱测量方法的流程图；

图2中(a)是本发明实施例提供的时域特征峰值序列；(b)是本发明实施例提供的时域特征平均值序列；

图3中(a)是本发明实施例提供的特征峰值序列的频谱；(b)是本发明实施例提供的特征平均值序列的峰值。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及太赫兹波段信号处理中的频谱测量技术，具体涉及一种基于特征提取、快速傅里叶变换频谱测量方法，用于探测太赫兹波段的频率成分。本发明提供的抗干扰太赫兹波段频谱测量方法主要用于自由电子激光太赫兹源未饱和时产生的太赫兹波频谱探测，能够有效应对束流能量抖动、噪声干扰。

在本发明中，首先，同方向步进改变两路等功率太赫兹波束的光程差，根据当前光程差段内信号稳定程度控制电机停留时间，得到随波长周期性变化的干涉波形图；然后通过平均法、峰值法分别处理同光程差内的探测器脉冲输出信号；最后对处理后的信号进行快速傅里叶变换，对比平均法、峰值法处理的结果。

本发明利用电机步进改变波束的光程，将同一个光程差内采集到的多个受噪声、能量抖动干扰的脉冲信号进一步求平均和取峰值处理。

下面结合附图来阐述本发明的具体实施方式。

两个含有光程差的波束发生干涉之后，通过太赫兹弱信号探测器bolometer辐射热测量计测量所得干涉波束的能量。bolometer辐射热测量计的输出为脉冲波；其中，脉冲幅度正比于其输入的干涉光强度。

主控计算机高速采集bolometer探测器输出数据并检测脉冲周期内的脉冲幅值；计算当前信号稳定程度并用以控制电机在当前电机移动段的停留时间；接着对零光程差点后的同一光程差内的脉冲序列分别求平均和取峰值，最后将数据关于零光程差点做相位校正和镜像对称后进行快速傅里叶变换。

如图1所示，本发明所公开的抗干扰太赫兹波段频谱测量方法，包括以下步骤：

(1)平衡数据量、采样精度、同光程差内脉冲数量，参数设置如下：

电机步进设置为5μm，即光程差为10μm，一共移动250步，电机停留时间下限阈值和上限阈值分别为4s和20s；设置数据采集模块的采样率为100k/s。

(2)预先采集t时间段内的数据，判断时间段为t的数据里面的脉冲数n即可确定脉冲重复频率f_n，f_n＝n/t；(t为大于待探测脉冲频率的2倍；可以取值为10s)

(3)在采集的同时提取每一个脉冲周期内的脉冲幅值，并计算当前光程差段内各脉冲幅值的实时样本方差；

当前光程差段内各脉冲幅值的实时样本方差：

实时脉冲幅值平均值：其中4*f_n＜N＜20*f_n；当前光程差段内的累积脉冲幅值数量N小于等于4*f_n时，只更新实时方差和实时平均值，而不进行比较；N大于4*f_n且小于20*f_n时，开始比较D_x和方差阈值的大小；如果D_x<方差阈值，将当前光程差段内的各脉冲幅值序列进行降序排列；分别去除首尾10％的数据，再对剩下数据取峰值X_max和求平均值X_mean；如果N≥20*f_n，D_x仍然大于方差阈值，那么将当前光程差段内的X_max、X_mean取为0，待后面插值处理。其中，方差阈值与测量时要求达到的信号稳定程度相关；可以根据多次测量结果调整方差阈值以确保X_max和X_mean中0值的数量小于总数量的20％。

(4)判断当前光程差段是否为零光程差段：

每一频率的光在不同时刻的相位表达式为：

其中t＝l/c；l为光路的长度。

设各频率成分(f_n,初始相位为)的光在光路A中相位改变同理，各频率成分(f_n,初始相位为)的光在光路B中相位改变

两束光发生干涉时的振幅与成正相关关系，如果两束光是同相叠加，则叠加后的振幅最大。

在零光程差处，所有频率成分的光都是同相叠加，因此若当前光程差段内的X_mean、X_max值是上一个非零X_mean、X_max幅度的k倍以上(如1.5<k<2.5)，那么当前光程差段被认为是零光程差段。

(5)控制电机移动到下一个光程差段，重复(3)、(4)步骤；

(6)电机移动步数达到设定步数之后，分别丢弃平均值和峰值序列中的零值并标记零值在两个序列中的位置；对更改后的序列进行最小二乘法拟合，用曲线中对应位置的最小二乘法拟合值替代序列中的零值，再插入X_mean、X_max序列的对应位置处。其中，步数的设定将根据待测太赫兹频谱范围和电机移动步进来决定。

(7)分别对峰值法、平均法处理后的脉冲幅值序列关于零光程差点做相位校正和镜像对称，使数据长度增加为原来的两倍；再进行快速傅里叶变换。

(8)对傅里叶变换后的谱图X轴进行还原：

如果傅里叶变换前时间域的数据长度为M，那么快速傅里叶变换后的频域数据长度为M/2+1；

此处进行傅里叶变换的数据点之间的间隔是固定光程差步进(10μm)，变换后的频谱单位取为波数(cm^-1)；这里的波数表示为：其中λ的单位选取为cm；根据奈奎斯特采样定律可知，若采集频率为Fs，则频谱变换后能够还原的最高频率为Fs/2。

在本处，取样间隔为固定光程差步径Δl＝10μm，所以能够分辨的最小光程差为2*Δl；因此取样率为能够分辨的最高波数为频谱图X轴的最低波数为0，最高波数为根据频谱图点数M/2+1，进行线性映射即可画出频谱图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于干涉仪的太赫兹短脉冲信号的抗干扰频谱测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集数据的同时提取每一个脉冲周期内的脉冲幅值；

S2：根据所述脉冲幅值计算当前光程差段内各脉冲幅值的实时样本方差D_x和实时脉冲幅值平均值

S3：当前光程差段内的累积脉冲幅值数量N大于4*f_n且小于20*f_n时，判断所述实时样本方差D_x是否小于方差阈值，若是，则将当前光程差段内的各脉冲幅值序列进行降序排列；分别去除首尾10％的数据，再对剩下数据取峰值X_max和求平均值X_mean，进入步骤S5；若否，则返回至步骤S2；

S4：当前光程差段内的累积脉冲幅值数量N大于等于20*f_n，且所述实时样本方差仍大于所述方差阈值时，将当前光程差段内的峰值X_max和平均值X_mean均取0，进入步骤S5；

S5：根据当前光程差段内的峰值X_max和平均值X_mean判断当前光程差段是否为零光程差段，若是，则对该光程差段进行标记后转入步骤S6；若否，则转入步骤S6；

S6：电机移动到下一段，并判断电机移动总步数是否大于设定步数，若是，则转入步骤S7；若否，则返回至步骤S2；

S7：通过分别丢弃两个序列中的零值并标记零值在两个序列中的位置来对序列进行更新，并对更新后的序列进行拟合处理，最后对处理后的序列进行快速傅里叶变换获得待测频谱。

2.如权利要求1所述的抗干扰频谱测量方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：根据所采集的数据中的脉冲数获得脉冲重复频率f_n。

3.如权利要求1或2所述的抗干扰频谱测量方法，其特征在于，所述实时样本方差所述实时脉冲幅值平均值其中N为当前时刻累积提取到当前光程差段的脉冲数量、X_i为当前光程差段对应第i个脉冲的幅值。

4.如权利要求1-3任一项所述的抗干扰频谱测量方法，其特征在于，在步骤S5中，若当前光程差段内的X_mean、X_max值是上一个非零X_mean、X_max幅度的k倍以上，则当前光程差段被认为是零光程差段。

5.如权利要求1-4任一项所述的抗干扰频谱测量方法，其特征在于，步骤S7具体为：

S71：对更新后的序列进行最小二乘法拟合，并采用曲线中对应位置的最小二乘法拟合值替代序列中的零值，再插入X_mean、X_max序列的对应位置处；

S72：分别对峰值法、平均法处理后的脉冲幅值序列关于零光程差点做相位校正和镜像对称，使数据长度增加为原来的两倍；再进行快速傅里叶变换；

S73：对傅里叶变换后的谱图X轴进行还原后获得待测频谱。