CN114295577B - 一种太赫兹检测信号的处理方法、装置、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太赫兹检测领域，具体涉及一种太赫兹检测信号的处理方法、装置、设备和介质。所述太赫兹检测信号的处理方法包括步骤：获取时间长度为T的时域信号；使用第一窗函数y1对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；通过FFT变换将所述时域信号变换为频域信号；所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数y1的定义域为[0，T]的非空子集，划分为相邻的A区间、B区间和C区间；所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；所述B区间内的函数值均为1；所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹检测领域，更具体地，涉及一种太赫兹检测信号的处理方法、装置、设备和介质。
背景技术
太赫兹波是一种电磁波，它的频率范围为0.1THz-10THz，对应的波长范围是0.03mm-3 mm。由于太赫兹波位于毫米波和红外线之间，是介于电子学向光子学的过渡区，因此太赫兹波具有一些独特的性质，例如高带宽、高透性、安全性、光谱分辨等特性，这使得太赫兹波在食品、药品、通信、军事、毒品检查、安全等多个重要领域都存在巨大的应用价值。太赫兹检测的光路系统一般分为两路，一路用于产生太赫兹波，另一路用于探测太赫兹波。测量的样品一般放在产生太赫兹波的光路中，太赫兹波与样品相互作用之后，就可以将样品信息调制到太赫兹波信号中，然后利用探测光来解调带有样品信号的太赫兹波，从而获得样品的信息。
在对太赫兹波进行物质的定性或定量分析时，一般是用太赫兹波的频域信号、吸收谱信息进行样品的定性或定量分析，但是频域信号或吸收谱信号不能直接测得，需要通过时域信号进行计算转换。由于太赫兹系统中的光学元器件、样品的结构以及测试环境的影响，会造成测量获得的时域信号的尾部存在很多干扰信号，使计算转换得到的频域信号中出现混叠的现象，无法辨识出物质的特征峰，降低检测结果的参考价值。现有技术通过三角窗、汉宁窗、布莱克曼窗、高斯窗等传统窗函数对尾部收到干扰大的时域信号进行处理，然而该些窗函数在处理尾部的同时，也减弱了主峰部分的强度和特征，仍然无法解决检测结果的参考价值低的问题。
发明内容
本发明提供一种太赫兹检测信号的处理方法、装置、设备和介质，用于处理太赫兹检测的时域信号，使通过时域信号变换得出的频域信号更多地表征出检测物质的特征信息。本发明采取的技术方案包括：一种太赫兹检测信号的处理方法，包括步骤：S1.获取时间长度为T的时域信号；S2.使用第一窗函数y1对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；S3.通过FFT变换将所述时域信号变换为频域信号；所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数的定义域为[0，T]的非空子集，划分为相邻的 A区间、B区间和C区间；所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；所述B区间内的函数值均为1；所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势。
频域信号为物质特性检测的重要依据，应用于物质定性或定量分析。频域信号不能通过测量仪器直接获得，需要测量时域信号，通过数学处理，将时域信号变换为频域信号。获取时间为0～T的一段时域信号，对该段时域信号进行部分或全部第一加窗修正处理，所述第一加窗修正处理具体为将该段时域信号与第一窗函数y1作乘积，修正时域信号曲线，减少频谱泄漏和干扰信号的影响，使时域信号更好地满足FFT变换(fast Fouriertransform，快速傅立叶变换)的周期性要求。
[0，T]的非空子集包括其本身和其真子集，当对所述时域信号的全部长度进行第一加窗处理，第一窗函数y1的定义域为[0，T]本身，当对所述时域信号的部分长度进行第一加窗处理，第一窗函数y1的定义域为[0，T]的真子集。所述第一窗函数y1为分段函数，在定义域内的不同的区间具有不同解析式，定义域内的A区间、B区间和C区间为相邻的、依次递增的区间，三者的并集等于定义域。同时，所述第一窗函数y1为连续函数，A区间与B区间的相接点的函数值，其左极限和右极限相等；B区间与C区间的相接点的函数值，其左极限和右极限相等，也即所述第一窗函数y1体现于坐标系上，为一条不中断的线。
所述A区间的下确界为0(最大下界为0)，即A区间可以是从0开始的左开区间，也可以是从0开始的左闭区间；同理，区间A对应的值域的下确界为0，即区间A内的最小函数值小于或等于0；区间C对应的值域的下确界为0，即区间C内的最小函数值小于或等于 0。
所述第一窗函数y1的B区间内的函数值均为1，有效保留太赫兹检测的时域信号中主峰特征，相较于主峰，时域信号的尾部易被干扰，失真程度高，并且影响整段时域信号的周期性，不利于进行FFT变换，而与B区间分别相邻的A区间和C区间的函数值从1过渡至0，有效降低了时域信号尾部的不良影响。如此，通过第一加窗修正处理，降低经FFT变换后的频谱信号的主峰的衰减，减少外部干扰，使频域信号更多地表征出检测物质的特征信息，提高检测结果的参考分析价值。
进一步，所述第一窗函数y1的定义域为[0，N]；所述A区间的上确界为所述B区间的下确界为/>上确界为/>所述C区间的下确界为/>上确界为N；其中， N小于或等于T，为预设的端点；σ为预设的控制因子，σ>0。
预设的N用于确定时域信号需要进行第一加窗修正处理的位置，预设的σ用于控制A区间和C区间的函数曲线的倾斜程度，检测人员可根据实际检测条件进行灵活调整，通过改变 N的值选择干扰较少、波形稳定、特征明显等长度位置进行加窗，以最大程度保留主峰，通过改变σ的值配合时域信号上的可测得离散点的数量，调节修正作用的变化程度，以避免加窗后的时域信号出现突变信号。
进一步，所述第一窗函数y1在A区间的解析式为：所述第一窗函数y1在C区间的解析式为：/>x为第一窗函数y1的自变量。
进一步，所述控制因子σ的值设置在0.1～0.5之间。
为了避免进行第一加窗处理后的时域信号出现突变信号，同时保证B区间的长度，σ宜在0.1～0.5的范围内选择。
进一步，所述步骤S2具体包括：S21.使用第一窗函数y1对所述时域信号的部分长度进行第一加窗修正处理；S22.删除所述时域信号未进行第一加窗修正处理的长度，并通过周期延拓第一加窗修正处理后的时域信号进行替换，或，使用第二窗函数y2对所述时域信号未进行第一加窗修正处理的长度进行第二加窗修正处理；所述第二窗函数y2为：y2＝0。
本发明采取的技术方案还包括：一种太赫兹检测信号的处理装置，包括接收模块、计算模块和变换模块。所述接收模块用于获取时间长度为T的时域信号；所述计算模块用于使用第一窗函数y1对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；所述变换模块用于通过FFT变换将所述计算模块处理后的时域信号变换为频域信号；其中，所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数的定义域为[0，T]的子集，划分为相邻的 A区间、B区间和C区间；所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；所述B区间内的函数值均为1；所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势。
本发明采取的技术方案还包括：一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的太赫兹检测信号的处理方法。
本发明采取的技术方案还包括：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的太赫兹检测信号的处理方法。
相较于现有技术，本发明的有益效果为：克服现有的三角窗、汉宁窗、布莱克曼窗、高斯窗等窗函数的缺陷，在减少尾部的时域信号干扰影响的同时，最大程度保留主峰的时域信号，使通过时域信号变换得到的频域信号更多地表征出检测物质的特征信息，提高检测结果的参考分析价值。
附图说明
图1为本发明的实施例1的太赫兹检测信号的处理方法的步骤图。
图2为本发明的实施例1的第一窗函数y1和第二窗函数y2的函数曲线图。
图3为本发明的实施例1的第一加窗修正处理的示意图。
图4为本发明的实施例2的多个第一窗函数y1的函数曲线图。
图5为本发明的实施例3的太赫兹检测信号的处理装置的示意图。
附图标号：接收模块1；计算模块2；变换模块3。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种太赫兹检测信号的处理方法，包括依次进行以下步骤：
S0.通过太赫兹检测设备检测得到多个离散点，并拟合所述多个离散点形成连续的时域信号曲线；
S1.从所述时域信号曲线中截取时间长度为T的曲线1；
T的取值根据太赫兹检测设备和检测的物质样品而定，本实施例的T取8000，曲线1如图3所示(其中长度为0～3316的部分已被第一加窗修正处理，未示出)；
S21.使用第一窗函数y1对曲线1的部分长度[0，N]进行第一加窗修正处理；
如图2和图3所示，曲线2为第一窗函数y1的函数曲线：
S22.使用第二窗函数y2对曲线1未进行第二加窗修正处理的长度(N，T]进行第二加窗修正处理；
如图2所示，曲线3为第二窗函数y2的函数曲线，y2＝0，其平行与x轴，与曲线2的尾部相连。如图3所示，曲线4为曲线1长度为0～3316的部分经过第一加窗修正处理的曲线，曲线1长度为3316～8000的部分经过第二加窗处理后曲线未示出；
S3.通过FFT变换将完成第一加窗修正处理和第二加窗修正处理的曲线1变换为频域信号。
本实施例N取3316，σ取0.1，第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数。第一窗函数y1的定义域为[0，3316]，属于[0，8000]的非空子集，划分为相邻的、依次递增的A区间、B 区间和C区间，A区间为开区间[0，168.5]，B区间为半开半闭区间[168.5，3150.2)，C区间为半开半闭区间[0，3316)，C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，均为168.5。而第二窗函数的处理长度为(3316，8000]。
需要说明的是，由于第一窗函数y1为连续函数，A区间与B区间的相接点的函数值，其左极限和右极限相等；B区间与C区间的相接点的函数值，其左极限和右极限相等，A区间、B区间和C区间的开闭不影响区间相接点的函数值，因此在其他实施方式中，可改变三个区间的开闭设置，保持第一窗函数y1的定义域与A区间、B区间和C区间的并集相等即可。区间A内的函数值呈上升趋势，B区间内的函数值均为1，区间C内的函数值呈下降趋势。
频域信号为物质特性检测的重要依据，应用于物质定性或定量分析。频域信号不能通过测量仪器直接获得，需要测量时域信号，通过数学处理，将时域信号变换为频域信号。获取时间为0～T的一段时域信号，对该段时域信号进行部分或全部第一加窗修正处理，所述第一加窗修正处理具体为将该段时域信号与第一窗函数y1作乘积，修正时域信号曲线，减少频谱泄漏和干扰信号的影响，使时域信号更好地满足FFT变换(fast Fouriertransform，快速傅立叶变换)的周期性要求。所述第一窗函数y1的B区间内的函数值均为1，有效保留太赫兹检测的时域信号中主峰特征，相较于主峰，时域信号的尾部易被干扰，失真程度高，并且影响整段时域信号的周期性，不利于进行FFT变换，而与B区间分别相邻的A区间和C区间的函数值从1过渡至0，有效降低了时域信号尾部的不良影响。如此，通过第一加窗修正处理，降低经FFT变换后的频谱信号的主峰的波动，减少外部干扰，使频域信号更多地表征出检测物质的特征信息，提高检测结果的参考分析价值。
预设的N用于确定时域信号需要进行第一加窗修正处理的位置，预设的σ用于控制A区间和C区间的函数曲线的倾斜程度，在其他实施方式中，检测人员可根据实际检测条件进行灵活调整，通过改变N的值选择干扰较少、波形稳定、特征明显等长度位置进行加窗，以最大程度保留主峰，通过改变σ的值配合时域信号上的可测得离散点的数量，调节修正作用的变化程度，以避免加窗后的时域信号出现突变信号。本实施例的取0.1，可有效避免进行第一加窗处理后的时域信号出现突变信号，同时保证B区间的长度。
需要说明的是，本领域技术人员可根据上文知悉本实施例步骤S22的其他实施方式，即对已完成第一加窗修正处理的时域信号进行后续处理，其他实施方式包括：删除所述时域信号未进行第一加窗修正处理的长度，并通过周期延拓第一加窗修正处理后的时域信号进行替换。
实施例2
如图4所示，本实施例提供N取不同值的多个第一窗函数y1，检测人员可根据实际检测条件进行灵活调整，通过改变N的值选择干扰较少、波形稳定、特征明显等长度位置进行加窗，以最大程度保留主峰的强度和特征。其中，曲线5为N取8000的第一窗函数y1的函数曲线，当对实施例1所述的曲线1使用曲线5进行第一加窗修正处理时，具体步骤如下：
A0.通过太赫兹检测设备检测得到多个离散点，并拟合所述多个离散点形成连续的时域信号曲线；
A1.从所述时域信号曲线中截取时间长度为8000的曲线1；
A2.使用曲线5对曲线1的全部长度进行第一加窗修正处理；
A3.通过FFT变换将进行第一加窗修正处理的曲线1变换为频域信号。
当对时域信号的全部长度进行第一加窗处理，第一窗函数y1的定义域为[0，T]的真子集，此时无需再对完成第一加窗修正处理的时域信号进行第二加窗修正处理。
实施例3
本实施例提供一种基于与实施例1相同构思的太赫兹检测信号的处理装置、计算机设备和计算机可读存储介质。
如图5所示，所述太赫兹检测信号的处理装置包括接收模块1、计算模块2和变换模块3。所述接收模块1用于获取时间长度为T的时域信号；所述计算模块2用于使用第一窗函数y1 对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；所述变换模块3用于通过 FFT变换将所述计算模块处理后的时域信号变换为频域信号；其中，所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数的定义域为[0，T]的子集，划分为相邻的A区间、 B区间和C区间；所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；所述B区间内的函数值均为1；所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势。
所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如实施例1所述的太赫兹检测信号的处理方法。
所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例1所述的太赫兹检测信号的处理方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种太赫兹检测信号的处理方法，其特征在于，包括步骤：
S1.获取时间长度为T的时域信号；
S2.使用第一窗函数y1对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；
S3.通过FFT变换将所述时域信号变换为频域信号；
所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数y1的定义域为[0，T]的非空子集，划分为相邻的A区间、B区间和C区间；
所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；
所述B区间内的函数值均为1；
所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势；
所述第一窗函数y1的定义域为[0，N]；
所述A区间的上确界为
所述B区间的下确界为上确界为/>
所述C区间的下确界为上确界为N；
其中，N小于或等于T，为预设的端点；σ为预设的控制因子，σ>0；
所述第一窗函数y1在A区间的解析式为：
所述第一窗函数y1在C区间的解析式为：
x为第一窗函数y1的自变量。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹检测信号的处理方法，其特征在于，
所述控制因子σ的值设置在0.1～0.5之间。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种太赫兹检测信号的处理方法，其特征在于，
所述步骤S2具体包括：
S21.使用第一窗函数y1对所述时域信号的部分长度进行第一加窗修正处理；
S22.删除所述时域信号未进行第一加窗修正处理的长度，并通过周期延拓第一加窗修正处理后的时域信号进行替换，或，使用第二窗函数y2对所述时域信号未进行第一加窗修正处理的长度进行第二加窗修正处理；
所述第二窗函数y2为：y2＝0。
4.一种太赫兹检测信号的处理装置，其特征在于，采用如权利要求1～3任一项所述的处理方法，包括：
接收模块，用于获取时间长度为T的时域信号；
计算模块，用于使用第一窗函数y1对所述时域信号的全部长度或部分长度进行第一加窗修正处理；
变换模块，用于通过FFT变换将所述计算模块处理后的时域信号变换为频域信号；
其中，所述第一窗函数y1为分段函数，且为连续函数；所述第一窗函数的定义域为[0，T]的子集，划分为相邻的A区间、B区间和C区间；所述A区间的下确界为0，区间A对应的值域的下确界为0，区间A内的函数值呈上升趋势；所述B区间内的函数值均为1；所述C区间的区间长度与所述A区间的区间长度相等，区间C对应的值域的下确界为0，区间C内的函数值呈下降趋势。
5.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～3任一项所述的太赫兹检测信号的处理方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～3任一项所述的太赫兹检测信号的处理方法。
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