CN112881447B - 一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法。该消除方法采用的主动降噪技术能够实时检测外界引入的干扰信号,当干扰信号中存在与工频信号不一致的干扰信号时,利用嵌入式系统内置的信号发生器发出与干扰信号频率相同、传播方向相同、且相位相差180°的干涉波,叠加干涉波以及干扰信号,以消除干扰信号。本发明能够实时消除真空腔室内的干扰信号,在提高图像信噪比、改善图像质量的同时,不影响扫描电镜使用寿命和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及电磁干扰消除领域,特别是涉及一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法。
背景技术
扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜)应用领域越来越广泛,为了在扫描电镜中能原位观测多场环境的试样变化,通常会在扫描电镜中加入多种特殊的设备和仪器来达到目的,如力学拉伸台、高温加热器、蠕变测试系统等。这些设备都是通过各种电缆与扫描电镜腔体外部的控制器进行连接,有传感器信号线、功率控制线等。扫描电镜工作时,与外界相连接的电缆会把外部相关的仪器或设备控制器中的电磁干扰和传输过程中所受到的干扰带入电镜,进而干扰扫描电镜的成像,降低图像信噪比,主要表现在扫描图片上出现水波纹、干扰条纹和图片斑点等,且成像距离越远越容易受到电磁的干扰。目前主要采用的解决方法是:(1)增加从试样上发出的信号量,如采用更高亮度的电子枪、提高加速电压、增大光阑孔径等;(2)增长采集照片的扫描时间,让电子束在每个扫描点上停留的时间适当延长,从而增加该点的信息量,提高信噪比,改善图像质量。但这些方法都是在被动地接受外部的干扰信号后,以损伤扫描电镜使用寿命或降低工作效率为代价提高图像信噪比而改善图像质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法,以解决被动接受外部的干扰信号以改善图像质量的技术方案导致损伤扫描电镜使用寿命或降低工作效率的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统,包括:扫描电镜腔室、内部工频采集模块、外部信号采集模块、嵌入式系统以及信号放大器;
所述嵌入式系统分别与所述内部工频采集模块、所述外部信号采集模块和所述信号放大器电性连接;所述内部工频采集模块的传感器放置在所述扫描电镜腔室中,所述外部信号采集模块的传感器放置在外接设备中,所述信号放大器的输出端放置在所述扫描电镜腔室中;
将所述内部工频采集模块采集的工频信号和所述外部信号采集模块将采集到的干扰信号传输至所述嵌入式系统,所述嵌入式系统分析所述工频信号以及所述干扰信号,若所述干扰信号中存在与所述工频信号不一致的干扰信号,输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号,经过所述信号放大器放大后发出,在所述扫描电镜腔室内生成干扰信号源的干涉波,叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号;所述干涉波用于消除所述与所述工频信号不一致的干扰信号。
一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法,包括:
获取内部工频采集模块采集的工频信号以及外部信号采集模块将采集到的干扰信号;
判断所述干扰信号中是否存在与所述工频信号不一致的干扰信号,得到第一判断结果;
若所述第一判断结果表示为所述干扰信号中存在与所述工频信号不一致的干扰信号,输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号;
根据所述次级源信号在扫描电镜腔室内生成干扰信号源的干涉波,并叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号。
可选的,所述获取内部工频采集模块采集的工频信号以及外部信号采集模块将采集到的干扰信号之后,还包括:
将所述工频信号作为误差信号e(n),将所述干扰信号作为参考信号x(n)。
可选的,所述次级源信号为:
其中,y(n)为次级源信号;WT(n)为嵌入式系统内集成的滤波器的权向量W(n)的转置矩阵;X(n)为n时刻输入至所述滤波器的干扰信号;wl(n)为权系数;x(n-1)为n-1时刻输入至所述滤波器的干扰信号;n为任一时刻;l为任一个权系数;l∈[0,L];L为权系数个数。
可选的,所述输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号,之后还包括:
采用最小均方算法求解所述次级源信号,并使得均方误差最小化。
可选的,所述采用最小均方算法求解所述次级源信号,并使得均方误差最小化,具体包括:
均方误差信号为:J(n)=E[e2(n)]=E[d2(n)]-2PTW+WTRW;其中,J(n)为均方误差信号;E[e2(n)]为均方误差;E[d2(n)]为对d(n)平方后求取的数学期望值;P为L阶互相关列矢量,R为L×L阶的自相关矩阵,P=E[d(n)X(n)],R=E[X(n)XT(n)],d(n)为n时刻的期望信号,XT(n)为n时刻输入至所述滤波器的干扰信号的转置矩阵;
求解所述均方误差信号,使得均方误差最小化。
可选的,所述求解所述均方误差信号,使得均方误差最小化,具体包括:
下一时刻的权矢量W(n+1)最终的迭代公式为:W(n+1)=W(n)+μe(n)X(n);
根据所述下一时刻的权矢量W(n+1)最终的迭代公式求解所述均方误差信号,使得均方误差最小化。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供了一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法,采用的主动降噪技术,实时检测外界引入的干扰信号,并利用嵌入式系统内置的信号发生器发出与干扰信号频率相同、传播方向相同、且相位相差180°的干涉波,以实时消除真空腔室内的干扰信号,提高图像信噪比、改善图像质量显著优于现有技术,且不影响扫描电镜使用寿命和工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统结构图;
图2为本发明所提供的波形相互抵消原理示意图;
图3为本发明所提供的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法流程图;
图4为本发明所提供的自适应滤波器结构示意图;
图5为本发明所提供的嵌入式系统算法信号处理示意图。
符号说明:扫描电镜腔室1、内部工频采集模块2、外部信号采集模块3、嵌入式系统4、信号放大器5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统及方法,不影响扫描电镜使用寿命和工作效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统结构图,如图1所示,一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统,包括:扫描电镜腔室1、内部工频采集模块2、外部信号采集模块3、嵌入式系统4以及信号放大器5;所述嵌入式系统4分别与所述内部工频采集模块2、所述外部信号采集模块3和所述信号放大器5电性连接;所述内部工频采集模块2的传感器放置在所述扫描电镜腔室1中,所述外部信号采集模块3的传感器放置在外接设备中,所述信号放大器5的输出端放置在所述扫描电镜腔室1中;将所述内部工频采集模块2采集的工频信号和所述外部信号采集模块3将采集到的干扰信号传输至所述嵌入式系统4,所述嵌入式系统4分析所述工频信号以及所述干扰信号,若所述干扰信号中存在与所述工频信号不一致的干扰信号,输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号,经过所述信号放大器5放大后发出,在所述扫描电镜腔室1内生成干扰信号源的干涉波,叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号;所述干涉波用于消除所述与所述工频信号不一致的干扰信号,波形相互抵消原理如图2所示。
具体工作原理为:外部信号采集模块3实时采集干扰信号,将其作为参考信号x(n);同时在扫描电镜腔室1放置传感器与内部工频采集模块2电性连接,以采集腔室内部工频信号,将其作为误差信号e(n);由嵌入式系统4对采集的x(n)和e(n)信号进行分析计算,对x(n)中与e(n)一致的信号进行信号提取,不进行干涉;对x(n)中与e(n)不一致的信号进行干涉,输出频率相同、传播方向相同、且相位相差180°的次级源信号y(n),该次级源信号经过信号放大器5放大后发出,在扫描电镜腔室1中产生干扰信号源的干涉波,使其与干扰信号叠加,以减弱干扰信号。从而减小多种干扰电磁信号对扫描电镜扫描成像的影响,使扫描电镜能够高清、远工作距离成像。
图3为本发明所提供的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法流程图,如图3所示,一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法,包括:
步骤301:获取内部工频采集模块采集的工频信号以及外部信号采集模块将采集到的干扰信号。
步骤302:判断所述干扰信号中是否存在与所述工频信号不一致的干扰信号,若是执行步骤303,若否,执行步骤304。
步骤303:输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号。
步骤304:根据所述次级源信号在扫描电镜腔室内生成干扰信号源的干涉波,并叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号。
叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号以减弱干扰信号,从而减小多种干扰电磁信号对扫描电镜扫描成像的影响,达到主动降噪的目的,使扫描电镜的成像距离更远,成像更加清晰。
步骤305:提取所述干扰信号,确定不进行干涉。
本发明中的嵌入式系统集成自适应滤波器和系统算法。
(1)自适应滤波器:
由于有限冲击响应滤波器的鲁棒性较好,因此本发明采用抽头延迟做成的横向滤波器,该滤波器的抽头加权系数集正好等于其冲击响应,结构如图4所示。
(2)嵌入式系统算法:
如图5所示,x(n)为干扰信号,d(n)为期望信号,y(n)为自适应滤波器输出信号,e(n)为误差信号。该算法可以调节其自身的滤波系数从而得到最优的滤波性能,适用于实时信号的处理。
本发明采用最小均方(Least Mean Square,LMS)算法,该算法不涉及相关矩阵和矩阵求逆,采用最速下降法获得权系数的递推公式。
定义n时刻滤波器的输入为:
X(n)=[x(n),x(n-1),x(n-2),...,x(n-l+1)]T (1)
定义滤波器的权向量为:
W(n)=[w0,w1,w2,...,wL]T (2)
则滤波器的输出可以表示为:
第n时刻的误差信号为:
e(n)=d(n)-y(n)=d(n)-WT(n)X(n) (4)
假设干扰信号和期望信号的统计值是广义平稳和遍历的,则可以尽量减少均方误差(Mean Squared Error,简称MSE)信号:
J(n)=E[e2(n)]=E[d2(n)]-2PTW+WTRW (5)
其中P为L阶互相关列矢量,R为L×L阶的自相关矩阵:
P=E[d(n)X(n)] (6)
R=E[X(n)XT(n)] (7)
自适应滤波的最终目的就是寻求最优权矢量W0,使得均方误差最小化。式(5)获得的J(n)是权矢量W的二次函数,因此J(n)只有一个最小值。通过对权矢量进行求导可得到梯度矢量:
μ表示收敛因子,该参数的大小直接影响了算法的稳定性及收敛速度。在实际算法的应用中,一般取单个误差样本的平方e2(n)的梯度作为均方误差E[e2(n)]的梯度的估计值,这样便于算法实现,即:
W(n+1)=W(n)+μe(n)X(n) (11)
为了保证系统的稳定性,需要对收敛因子μ的取值进行限定,其取值范围为:
其中λmax是定义在式(7)中的自相关矩阵R的最大特征值。
本发明采用主动降噪技术,避免了现有技术难以去除的缺点,即在被动接受外部的干扰信号后,提高图像信噪比而改善图像质量要以损伤扫描电镜使用寿命或降低工作效率为代价。在保障扫描电镜使用寿命和工作效率的同时,有效降低外部干扰信号对扫描电镜成像的影响,改善图像质量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统,其特征在于,包括:扫描电镜腔室、内部工频采集模块、外部信号采集模块、嵌入式系统以及信号放大器;
所述嵌入式系统分别与所述内部工频采集模块、所述外部信号采集模块和所述信号放大器电性连接;所述内部工频采集模块的传感器放置在所述扫描电镜腔室中,所述外部信号采集模块的传感器放置在外接设备中,所述信号放大器的输出端放置在所述扫描电镜腔室中;
将所述内部工频采集模块采集的工频信号和所述外部信号采集模块将采集到的干扰信号传输至所述嵌入式系统,所述嵌入式系统分析所述工频信号以及所述干扰信号,若所述干扰信号中存在与所述工频信号不一致的干扰信号,输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号,经过所述信号放大器放大后发出,在所述扫描电镜腔室内生成干扰信号源的干涉波,叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号;所述干涉波用于消除所述与所述工频信号不一致的干扰信号;若所述干扰信号中不存在与所述工频信号不一致的干扰信号,则对所述干扰信号进行提取,不进行干涉。
2.一种扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法,其特征在于,所述扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法应用于权利要求1所述的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除系统,所述扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法包括:
获取内部工频采集模块采集的工频信号以及外部信号采集模块将采集到的干扰信号;
判断所述干扰信号中是否存在与所述工频信号不一致的干扰信号,得到第一判断结果;
若所述第一判断结果表示为所述干扰信号中存在与所述工频信号不一致的干扰信号,输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号;
根据所述次级源信号在扫描电镜腔室内生成干扰信号源的干涉波,并叠加所述干涉波以及所述与所述工频信号不一致的干扰信号;
若所述干扰信号中不存在与所述工频信号不一致的干扰信号,则对所述干扰信号进行提取,不进行干涉。
3.根据权利要求2所述的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法,其特征在于,所述获取内部工频采集模块采集的工频信号以及外部信号采集模块将采集到的干扰信号之后,还包括:
将所述工频信号作为误差信号e(n),将所述干扰信号作为参考信号x(n)。
5.根据权利要求4所述的扫描电子显微镜真空腔室内电磁干扰消除方法,其特征在于,所述输出与所述干扰信号频率相同、传播方向相同且相位相差180°的次级源信号,之后还包括:
采用最小均方算法求解所述次级源信号,并使得均方误差最小化。
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