CN111006764B - 基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法及系统，将调制编码加到现有太赫兹光谱系统的调制偏压上，产生以调制编码信号为副载波的太赫兹信号，进而在探测端产生与经过编码调制的太赫兹信号强度成正比的电流信号。通过编码调制太赫兹信号，增加了太赫兹信号的内在相关性，提高了其在传输过程中的干扰能力，可在不增加实际累加次数的前提下带来良好的编码增益，显著提高系统的信噪比水平。
Description
技术领域：
本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法及系统。
背景技术：
基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统是当前最为成熟的太赫兹光谱产品。其基本原理为：在发射端，使用飞秒脉冲激光器激发光电导天线产生自由载流子(电子空穴对)，自由载流子在发射天线外加100V左右偏压高电压下迅速迁移，产生了电流的瞬态变化，变化周期在亚ps量级，进而辐射出与飞秒激光脉冲相同重复频率的太赫兹脉冲。在探测端，同步飞秒脉冲照射到探测天线，激发自由载流子，与发射端不同的是，此时的外加偏置电压为太赫兹信号感应电场，自由载流子在太赫兹电场的驱动下产生迁移，在探测天线两极即产生与太赫兹信号强度成正比的电流信号。
目前，太赫兹信号探测方式主要有两种：一种是基于步进电机光学延迟线延迟采样和太赫兹信号逐点取样积分方式，同时结合周期幅度调制和锁相放大检测，可以获得比较高的信噪比，但是这种方式将耗费大量的时间来获得长周期太赫兹时域脉冲信号。第二种方式为基于快速扫描光学延迟线结合同步信号采集，通过周期信号累加的方式来获得信号信噪比的提升，这种方式有相对更高的信号获取速率，但很难获得较高的信噪比水平，一般用于对光谱范围和分辨率要求不高的光谱成像领域。
发明内容：
本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法及系统，解决了当前基于光电导天线进行太赫兹信号产生和探测上存在的信噪比和时效性无法兼顾以及信噪比水平整体有待提高问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法，将调制编码加到现有太赫兹光谱系统的调制偏压上，产生以调制编码信号为副载波的太赫兹信号，进而在探测端产生与经过编码调制的太赫兹信号强度成正比的电流信号。
基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法，具体包括以下步骤：(1)飞秒激光器输出的一路信号经过一段延迟光纤注入到太赫兹发射传输接收单元的光电导发射天线，产生自由载流子，自由载流子在光电导发射天线外具有一定编码方式的偏置电压下迅速迁移，产生以编码调制信号为副载波的的太赫兹信号；
(2)步骤(1)得到的经过编码调制的太赫兹信号依次经过准直透镜和聚焦透镜，最终照射到太赫兹发射传输接收单元的光电导探测天线上，为光电导探测天线施加了偏置电场；
(3)快速光学延迟线在信号发生和采集处理单元的同步精确控制下，控制飞秒激光器的另一路输出光按时到达光电导探测天线，该过程产生的自由载流子在步骤(2)偏置电场的作用下，产生与经过编码调制的太赫兹信号强度成正比的电流信号；
(4)电流信号经过后续放大后进入信号发生和采集处理单元进行模数转换采集，转化为数字信号后，按照编码矩阵格式逐行存放在内部存储器中，并参照编码调制信号进行同步对齐，待多次累加后将累加后逐行数据发送至上位机；(5)上位机依次存储编码矩阵各行的数据，待全部编码数据汇总后形成完整的信号矩阵，信号矩阵与编码矩阵的逆矩阵进行乘法运算，再进行移位和纵向累加，即可得到一组解码后的太赫兹时域信号数据。
其中，步骤(1)中的编码方式包括但不限于simplex码，Golay互补码等，码元周期一般设置为百微秒量级，即码元重复频率为数千赫兹。光电导发射天线在飞秒脉冲和调制偏压的共同作用下，将产生以编码调制信号为副载波的的太赫兹信号。
进一步说明，步骤(3)中提及快速光学延迟线与信号发生和采集处理单元同步，是指由信号发生和采集处理单元控制光学延迟线的周期扫描信号与输出编码调制信号的同步，方式为编码矩阵一行总编码时间长度不超过延迟线的扫描周期，且相邻两组(两行)编码信号的编码间隔与延迟线扫描信号保持同步。换一种说法，延迟线从0延迟开始扫描的时刻即为一组(编码矩阵中的一行)编码信号输出的起点，二者保持严格的同步。
本发明涉及的基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善系统，包括飞秒激光器、光学延迟线，调制偏压源、信号发生和采集处理单元、太赫兹发射传输接收单元和上位机，其中，太赫兹发射传输接收单元为太赫兹信号发生、准直、聚焦和探测的部件，包括光电导发射天线、光电导探测天线、准直透镜和聚焦透镜；飞秒激光器与光电导发射天线连接，飞秒激光器通过光学延迟线与光电导探测天线连接，作用为产生高重频飞秒脉冲激光信号，用作光电导天线的激发源；光学延迟线2用于控制系统的扫描延迟，实现对太赫兹信号的波形取样；调制偏压源用于产生高电压调制信号，并施加到光电导发射天线上；信号发生和采集处理单元4作为系统的主控单元，分别与光学延迟线、调制偏压源、光电导探测天线、上位机连接，用于调制编码调制信号的产生，太赫兹信号的同步、采集、处理以及与上位机单元的通信；上位机用于与信号发生和采集处理单元进行通信，接收太赫兹时域脉冲信号数据并进行时频转换等后续处理。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：首次将编码调制引入到基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统中，通过编码调制太赫兹信号，增加了太赫兹信号的内在相关性，提高了其在传输过程中的干扰能力，可在不增加实际累加次数的前提下带来良好的编码增益，显著提高系统的信噪比水平；首次完整阐述了基于编码调制的太赫兹时域光谱系统信噪比改善方案，并举例说明了进行编码后信噪比预期改善效果。
附图说明：
图1是实施例1涉及的基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善装置结构原理框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及的基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善装置，包括飞秒激光器1、光学延迟线2，调制偏压源3、信号发生和采集处理单元4、太赫兹发射传输接收单元5和上位机6，其中，太赫兹发射传输接收单元5为太赫兹信号发生、准直、聚焦和探测的部件，包括光电导发射天线、光电导探测天线、准直透镜和聚焦透镜；飞秒激光器1与光电导发射天线连接，飞秒激光器1通过光学延迟线2与光电导探测天线连接，作用为产生高重频飞秒脉冲激光信号，用作光电导天线的激发源；光学延迟线2用于控制系统的扫描延迟，实现对太赫兹信号的波形取样；调制偏压源3用于产生高电压调制信号，并施加到光电导发射天线上；信号发生和采集处理单元4作为系统的主控单元，分别与光学延迟线、调制偏压源3、光电导探测天线、上位机6连接，用于调制编码调制信号的产生，太赫兹信号的同步、采集、处理以及与上位机单元的通信；上位机6用于与信号发生和采集处理单元4进行通信，接收太赫兹时域脉冲信号数据并进行时频转换等后续处理。
本实施例涉及的基于编码调制的太赫兹时域光谱系统信噪比改善方法，其工作原理如下：
飞秒激光器1输出的一路信号经过一段延迟光纤注入到太赫兹发射传输接收单元5的发射天线，由于光电效应，将在光电导天线内部产品自由电子和空穴对，即自由载流子。同时，调制偏压源3将按照严格的编码规则为光电导发射天线提供偏置电压，调制偏压源3的编码调制信号来自信号发生和采集处理单元4，编码方式包括但不限于simplex码，Golay互补码等，码元周期一般设置为百微秒量级，即码元重复频率为数千赫兹。光电导发射天线在飞秒脉冲和调制偏压的共同作用下，将产生以编码调制信号为副载波的的太赫兹信号。经过编码调制的太赫兹信号(如图1)依次经过准直透镜和聚焦透镜最终照射到太赫兹发射传输接收单元5的光电导探测天线上，为光电导探测天线施加了偏置电场。同时，飞秒激光器1的另一路输出光经过光学延迟线2精确控制到达光电导探测天线的时间，保证与编码调制的太赫兹信号在探测天线上相遇时有严格的时间延迟，按照程序控制光学延迟线2的延迟实现对太赫兹脉冲的全局扫描。光电导探测天线输出的光电流信号经过后续放大后进入信号发生和采集处理单元4进行模数转换采集，转化为数字信号后，按照编码矩阵格式逐行存放在内部存储器中，并参照编码调制信号进行同步对齐，待多次累加后将累加后逐行数据发送至上位机单元6，上位机6依次存储编码矩阵各行的数据，待全部编码数据汇总后形成完整的信号矩阵。信号矩阵与编码矩阵的逆矩阵进行乘法运算，再进行移位和纵向累加，即可得到一组解码后的太赫兹时域信号数据。
进一步说明，信号发生和采集处理单元4作为编码调制的信号发生器，编码格式可根据需求进行调整。以Golay互补码编码为例，由于调制偏压源3输出均为非负高电平，需要对Golay互补码进行非极性转换，即将编码中的-1变为0，对应调制偏压源4的低电平输出。根据Golay码编码原理，由于码元的相关性，在进行解码运算时，进行N次累加后信号幅度增强了N/4倍，而噪声只增加了
倍，即信噪比改善为
倍。以64位Golay码编码为例，编码增益位可达14dB。
Claims (4)
1.基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法，其特征在于，其特征在于，包括以下步骤：
(1)飞秒激光器输出的一路信号经过一段延迟光纤注入到太赫兹发射传输接收单元的光电导发射天线，产生自由载流子，自由载流子在光电导发射天线外具有一定编码方式的偏置电压下迅速迁移，产生以编码调制信号为副载波的太赫兹信号；
(2)步骤(1)得到的经过编码调制的太赫兹信号依次经过准直透镜和聚焦透镜，最终照射到太赫兹发射传输接收单元的光电导探测天线上，为光电导探测天线施加了偏置电场；
(3)快速光学延迟线在信号发生和采集处理单元的同步精确控制下，控制飞秒激光器的另一路输出光按时到达光电导探测天线，该过程产生的自由载流子在步骤(2)偏置电场的作用下，产生与经过编码调制的太赫兹信号强度成正比的电流信号；
(4)电流信号经过后续放大后进入信号发生和采集处理单元进行模数转换采集，转化为数字信号后，按照编码矩阵格式逐行存放在内部存储器中，并参照编码调制信号进行同步对齐，待多次累加后将累加后逐行数据发送至上位机；
(5)上位机依次存储编码矩阵各行的数据，待全部编码数据汇总后形成完整的信号矩阵，信号矩阵与编码矩阵的逆矩阵进行乘法运算，再进行移位和纵向累加，即可得到一组解码后的太赫兹时域信号数据。
2.根据权利要求1所述的基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法，其特征在于，步骤(1)中的编码方式为simplex码或Golay互补码，码元周期一般设置为百微秒量级，即码元重复频率为数千赫兹。
3.根据权利要求2所述的基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善方法，其特征在于，步骤(3)中提及快速光学延迟线与信号发生和采集处理单元同步，是指由信号发生和采集处理单元控制光学延迟线的周期扫描信号与输出编码调制信号的同步，方式为编码矩阵一行总编码时间长度不超过延迟线的扫描周期，且相邻两组编码信号的编码间隔与延迟线扫描信号保持同步。
4.基于编码调制的快速太赫兹光谱系统信噪比改善系统，其特征在于，包括飞秒激光器、光学延迟线，调制偏压源、信号发生和采集处理单元、太赫兹发射传输接收单元和上位机，其中，太赫兹发射传输接收单元为太赫兹信号发生、准直、聚焦和探测的部件，包括光电导发射天线和光电导探测天线；飞秒激光器与光电导发射天线连接，飞秒激光器通过光学延迟线与光电导探测天线连接，作用为产生高重频飞秒脉冲激光信号；光学延迟线用于控制系统的扫描延迟，实现对太赫兹信号的波形取样；调制偏压源用于产生高电压调制信号，并施加到光电导发射天线上；信号发生和采集处理单元作为系统的主控单元，分别与光学延迟线、调制偏压源、光电导探测天线和上位机连接，用于调制编码调制信号的产生，太赫兹信号的同步、采集、处理以及与上位机单元的通信；上位机用于与信号发生和采集处理单元进行通信，接收太赫兹时域脉冲信号数据并进行时频转换等后续处理。
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