CN110108665A - 高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，采取可连续往返高速扫描的延迟线电机代替原有的步进扫描电机的平移台，并设计了直接采集式的数据采集方案来代替了传统的锁相放大器采集方案本发明中，针对太赫兹时域光谱系统，通过在太赫兹时域光谱系统中安装高速扫描光学延迟线替代传统的步进电控平移台作为延迟线，其中配置的直线电机可实现连续高速的移动，配合以例如Labview语言编写的适合快速扫描方的控制程序，实现了时域光谱系统的扫描速度的提高，使时域光谱系统更加实用。

Description

高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱系统扫描技术，尤其涉及太赫兹时域光谱系统的快速扫描方法。
背景技术
太赫兹时域光谱系统可采集违禁化学药品诸如各类单质炸药、毒品，在太赫兹波段的特征指纹谱，将被检样品的太赫兹频段吸收谱与标准数据库内的违禁化学药品的指纹吸收谱数据比对，可有效识别被检物的种类。
通常，太赫兹(THz)时域波形的采集需要采集以步进扫描电机实现的平移台的位置，并将采集的平移台的位置转化为时间作为横坐标，锁相放大器读取太赫兹天线的差分光电流作为纵坐标，并基于所获得的横坐标和纵坐标值描绘处太赫兹时域波形。在采集过程中，平移台所经过的位置是通过计算机预先设定好的，并且将预先设定的位置指令传给平移台控制器，平移台控制器移动到指定位置并停在该位置，等待在该位置读取信号电流；之后，再移动到下一个位置，再读取下一个位置的信号电流。显然，这种一步一停、一停一读的数据采集方式导致了扫描速度的低效、无法适应实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的是：提高太赫兹时域光谱系统的扫描速率，使太赫兹时域光谱系统更加适应实际应用的需要。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数据采集板卡响应于来自控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点同时从高速光学延迟线读取延迟线的位置驱动信号和从太赫兹探测天线读取与太赫兹电场强度成正比的太赫兹电流信号，其中：光学高速延迟线内的延迟线电机输出A、B、Z三相信号给到数据采集板卡作为位置驱动信号来标明延迟线电机现在所处的位置并作为太赫兹时域光谱成像的横轴数据依据；太赫兹电流信号作为太赫兹时域光谱成像的纵轴数据依据；
步骤2、m个时间点中每个时间点采集到的位置驱动信号和对应的太赫兹电流信号作为一个数据元，由控制装置将数据采集板卡采集的m个数据元依次缓存入预先创建的数据队列中；
步骤3、控制装置从数据队列中提取缓存的m个数据元，将提取的数据元中的太赫兹电流信号作为太赫兹时域波形的纵坐标，将提取的转换为太赫兹脉冲的持续时间t作为太赫兹时域波形的横坐标，进行实时显示太赫兹时域波形，并在处理之后从数据队列中删除提取的该数据元，其中：t＝2Δx/c，式中，Δx表示延迟线电机移动的距离，c表示光速。
优选地，所述数据元为二维数组，该二维数组的第一列为所述位置驱动信号，第二列为所述太赫兹电流信号的时域波形的幅值。
优选地，所述高速光学延迟线采用非对称三角波运动方式，则所述数据采集板卡同时从所述高速光学延迟线的延迟线电机中读取所述位置驱动信号和从所述太赫兹探测天线中读取所述太赫兹电流信号的步骤具体为：
在非对称三角波的负最大值到正最大值的上升时间段的m个时间点的每个时间点处，数据采集板卡同时从高速光学延迟线中读取位置驱动信号和从太赫兹探测天线读取太赫兹电流信号，其中，在非对称三角波的正最大值到负最大值的下降时间段中，数据采集板卡停止读取位置驱动信号和太赫兹电流信号。
优选地，所述读取时间段包括所述非对称三角波的N个周期，每一个周期中包含k个时间点，k＝m/n，k、n、N均为自然数。
优选地，步骤3中，进行实时显示太赫兹时域波形前，还包括以下步骤：
步骤301、将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动电压累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压，i＝1,2,3,…,k；
步骤302、将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的差分电流累加后除以N，作为第i个时间点的差分电流；
步骤303、如果读取时间段包括非对称三角波的H个周期，且H大于N，H为自然数，则步骤301之前，控制装置进一步将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除，基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行步骤301和步骤302。
优选地，在所述步骤3之后，还包括：将所述太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹的频域波形数据，根据频域波形数据绘出太赫兹信号随频率变化的曲线并进行显示。
本发明中，针对太赫兹时域光谱系统，通过在太赫兹时域光谱系统中安装高速扫描光学延迟线替代传统的步进电控平移台作为延迟线，其中配置的直线电机可实现连续高速的移动，配合以例如Labview语言编写的适合快速扫描方的控制程序，实现了时域光谱系统的扫描速度的提高，使时域光谱系统更加实用。
附图说明
图1为高速直采式太赫兹时域波谱系统图；
图2为单次扫描时域谱图像；
图3为单次扫描频域谱图像。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明实施例的技术方案中，针对太赫兹时域光谱系统，通过在太赫兹时域光谱系统中安装高速扫描光学直线电机替代传统的步进电控平移台作为延迟线，高速扫描光学延迟线可实现连续高速的移动，配合适合快速扫描测量控制程序，例如，以Labview语言编写的扫描测量控制程序，实现了太赫兹时域光谱系统的扫描速度的提高，使时域光谱系统更加实用。
下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。
如图1所示，示出了太赫兹时域光谱系统。如图1所示，本发明中使用高速扫描光学直线电机替代传统的电控平移台作为延迟线，安装于泵浦光路中。除了高速扫描光学直线电机替换了传统的电控平移台之外，图1的太赫兹时域光谱系统为已知的，在此略去详述。在图1的太赫兹时域光谱系统中，通过高速扫描光学延迟线的高速移动完成太赫兹波和探测激光脉冲之间的光程差的改变，实现太赫兹时域波形的扫描。其中，探测激光脉冲由太赫兹探测天线进行检测，并输出太赫兹电流信号。
将高速的后面板的输出电压接口连接至数据采集板卡的AUX接口，用于读取高速扫描光学延迟线的位置驱动信号，从而确定延迟线的瞬时位置。高速扫描光学延迟线的运动方式可以预先设置，例如可以将高速扫描光学延迟线的运动方式设置为非对称三角波的方式。太赫兹探测天线连接至数据采集板卡的信号输入端口以读取太赫兹电流信号。数据采集板卡将读取的数据通过USB(通用串行总线)通信端口连接至控制装置，用于将数据采集板卡的读取的数据传给控制装置。控制装置包括采集单元和处理单元。采集单元将读取的数据形成一个二维数组，其中，第一列为高速扫描光学延迟线的不同时刻的位置信息，第二列为高速扫描光学延迟线处于不同位置时的太赫兹电流信号值，该值正比于太赫兹时域波形的电场幅值。
控制装置向数据采集板卡发出读取命令后，数据采集板卡响应于来自控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点，数据采集板卡从高速扫描光学延迟线读取所述高速扫描光学延迟线的位置驱动信号，并且同时从太赫兹探测天线读取太赫兹电流信号，该电流信号与太赫兹信号电场强度成正比，其中m为自然数。
接下来，数据采集板卡将读取的m个时间点中的每一个时间点的位置驱动信号和太赫兹电流信号发送给控制装置，作为一个数据元。控制装置的采集单元将接收的m个数据元依次缓存入由所述采集单元预先创建的数据队列中。
控制装置的处理单元从数据队列中提取缓存的数据元。将提取的数据元中的太赫兹探测天线的太赫兹电流信号作为太赫兹时域波形的纵坐标和将高速扫描光学延迟线的位置驱动信号转换成太赫兹脉冲的持续时间作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示，并在处理之后从数据队列中删除该提取的数据元，其中，t＝2Δx/c，Δx为扫描振镜移动的距离，c为光速。
控制装置的处理单元将太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹的频域波形数据，其横坐标为频率，纵坐标为差分电流在各频率上的分量，根据该波形数据进行频域曲线的显示。之后，流程结束。
另一种可行的太赫兹时域光谱系统是，在上述的“控制装置的处理单元从数据队列中提取缓存的数据元”与“将提取的数据元中的太赫兹探测天线的太赫兹电流信号作为太赫兹时域波形的纵坐标和将高速扫描光学延迟线的位置驱动信号转换成太赫兹脉冲的持续时间作为太赫兹时域波形的横坐标进行实时显示”之间还包括：
考虑到波形的快速采样过程中，缩短了数据采集板卡的积分时间，会造成噪声的增加，因此针对太赫兹时域光谱系统的扫描采取多个时域波形进行叠加的设计。换言之，可以预先设N个时间周期，例如非对称三角波的N个时间周期，在这N个时间周期中进行数据采集。在这种情况下，在每一个时间周期中，均采集k个时间点的数据(包括位置驱动信号和太赫兹电流信号)，其中k为自然数并且k＝m/n。
处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动信号累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压。处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的太赫兹电流累加后除以N，作为第i个时间点的太赫兹电流信号，其中i＝1,2,3,…,k。
可选地，如果实际采集了H个时间周期，H为自然数并且大于N,那么当采集的波形超出N个，第一次采集的数据将被删除，第N+1组的数据被加入；第二次采集的数据被删除，第N+2组的数据被加入，依次类推，处理单元总保持采用N个数据元进行平均。即，将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除；基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行“处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动信号累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压。处理单元将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的太赫兹电流累加后除以N，作为第i个时间点的太赫兹电流信号”。显然，如果H与N相同，则不存在上述步骤。
本发明提供了一种太赫兹时域光谱系统的快速扫描方法，采取可连续往返高速扫描的延迟线电机(扫描频率为20spectra/s)代替原有的步进扫描电机的平移台，并设计了直接采集式的数据采集方案来代替了传统的锁相放大器采集方案，这样一来，提高了太赫兹时域光谱系统的扫描速率，使太赫兹时域光谱系统更加适应实际应用的需要。

Claims (6)

1.一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、数据采集板卡响应于来自控制装置的读取命令，在读取时间段中的m个时间点同时从高速光学延迟线读取延迟线的位置驱动信号和从太赫兹探测天线读取与太赫兹电场强度成正比的太赫兹电流信号，其中：光学高速延迟线内的延迟线电机输出A、B、Z三相信号给到数据采集板卡作为位置驱动信号来标明延迟线电机现在所处的位置并作为太赫兹时域光谱成像的横轴数据依据；太赫兹电流信号作为太赫兹时域光谱成像的纵轴数据依据；
步骤2、m个时间点中每个时间点采集到的位置驱动信号和对应的太赫兹电流信号作为一个数据元，由控制装置将数据采集板卡采集的m个数据元依次缓存入预先创建的数据队列中；
步骤3、控制装置从数据队列中提取缓存的m个数据元，将提取的数据元中的太赫兹电流信号作为太赫兹时域波形的纵坐标，将提取的转换为太赫兹脉冲的持续时间t作为太赫兹时域波形的横坐标，进行实时显示太赫兹时域波形，并在处理之后从数据队列中删除提取的该数据元，其中：t＝2Δx/c，式中，Δx表示延迟线电机移动的距离，c表示光速。
2.如权利要求1所述的一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，所述数据元为二维数组，该二维数组的第一列为所述位置驱动信号，第二列为所述太赫兹电流信号的时域波形的幅值。
3.如权利要求1所述的一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，所述高速光学延迟线采用非对称三角波运动方式，则所述数据采集板卡同时从所述高速光学延迟线的延迟线电机中读取所述位置驱动信号和从所述太赫兹探测天线中读取所述太赫兹电流信号的步骤具体为：
在非对称三角波的负最大值到正最大值的上升时间段的m个时间点的每个时间点处，数据采集板卡同时从高速光学延迟线中读取位置驱动信号和从太赫兹探测天线读取太赫兹电流信号，其中，在非对称三角波的正最大值到负最大值的下降时间段中，数据采集板卡停止读取位置驱动信号和太赫兹电流信号。
4.如权利要求3所述的一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，所述读取时间段包括所述非对称三角波的N个周期，每一个周期中包含k个时间点，k＝m/n，k、n、N均为自然数。
5.如权利要求4所述的一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，步骤3中，进行实时显示太赫兹时域波形前，还包括以下步骤：
步骤301、将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的位置驱动电压累加后除以N，作为第i个时间点的位置驱动电压，i＝1,2,3,…,k；
步骤302、将N个周期中的k个时间点中第i个时间点的差分电流累加后除以N，作为第i个时间点的差分电流；
步骤303、如果读取时间段包括非对称三角波的H个周期，且H大于N，H为自然数，则步骤301之前，控制装置进一步将读取的H-N个周期中的数据元予以剔除，基于从第H-N+1个周期到第H个周期，执行步骤301和步骤302。
6.如权利要求1所述的一种高速直采式太赫兹时域波谱扫描方法，其特征在于，在所述步骤3之后，还包括：将所述太赫兹时域波形进行傅里叶变换，得到太赫兹的频域波形数据，根据频域波形数据绘出太赫兹信号随频率变化的曲线并进行显示。
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