CN216955713U - 一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其依次通过前置电流放大器单元、调偏电路单元、滤波器单元、ADC模数转换单元和FPGA单元对探测光电导天线产生的微弱的太赫兹电流信号进行放大、调偏、滤波、量化、采集和信号处理，最后将处理后的信号上传到上位机控制软件，实现太赫兹信号的采集。其能够动态的自适应调整滤波器的滤波带宽外，在线调节信号的放大倍数，实时降低噪声对太赫兹信号的干扰，提升系统的动态范围。

Description

一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置

技术领域：

本实用新型属于太赫兹时域光谱技术和太赫兹层析成像技术领域，具体涉及一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置。

背景技术：

太赫兹波是频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁波，介于微波和红外波之间。太赫兹波因具有独特的穿透性、高安全性和指纹谱特性，被广泛应用于物质识别、安全检查、材料与结构的无损探伤、生物组织的活体检查、无线通信等领域。

随着太赫兹技术在工业领域的逐渐应用，人们对太赫兹信号的获取速度提出了更高的要求，原有的步进电机方案延迟线获取太赫兹信号的速度已经不能满足工业应用的需求，越来越多的系统使用机械结构的振荡电机或旋转电机等方案来获取太赫兹信号，常用的锁相放大器的信号采集方案已不能满足系统采样速率的需求，故采用信号直接采集方案实现系统中太赫兹信号的采集。

受光电导探测天线自身材料和结构的影响，太赫兹光电流信号非常微弱，大小只有几十到几百pA量级，极易淹没在噪声中。为了实现对太赫兹信号的精确检测，我们需要从噪声中提取、恢复并增强被测信号。因此，对如此微弱的太赫兹信号的精确检测成为了太赫兹系统中的关键部分。

为提高太赫兹系统的动态范围，在信号直接采集电路中低通滤波器的带宽是根据采集信号的带宽进行设计的，而机械结构的延迟线的振荡或旋转频率决定了太赫兹系统中探测光电流的信号带宽。太赫兹系统在使用过程，用户通常会根据测试样品的特性来调整延迟线的扫描范围和振荡或旋转频率，为提升系统的动态范围，本实用新型提出了一种自适应调整滤波带宽的信号直接采集方法及装置。

实用新型内容：

本实用新型目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，包括信号输入接口、前置电流放大器单元、调偏电路单元、滤波器单元、ADC模数转换单元、FPGA单元、滤波带宽调节电路单元和上位机通信接口，其中，FPGA单元包括滤波带宽自适应配置模块、线性累加平均处理模块；所述信号输入接口输入端外接太赫兹光谱和成像系统的探测天线；所述前置电流放大器单元与输入接口的输出端连接，实现对太赫兹光电流信号的放大，并将其转为电压信号；所述调偏电路单元输入端与前置电流放大器单元输出端连接，用于对前置电流放大器单元输入的信号进行调偏；所述滤波器单元输入端与调偏电路单元输出端连接，滤波器单元的滤波带宽在系统工作后由滤波带宽自适应配置模块和滤波带宽调节电路单元两个单元模块自适应的动态配置，用于滤除输入信号的带外噪声，提高输入信号的信噪比；所述ADC模数转换单元输入端与滤波器单元输出端连接，用于实现对滤波器单元输入信号的采样、保持、量化、编码，并将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA单元输入端与ADC模数转换单元输出端连接，其中，滤波带宽自适应配置模块的输入端与ADC模数转换单元输出端连接，滤波带宽自适应配置模块根据输入信号的处理结果动态的调整滤波带宽调节电路单元的滤波带宽，为太赫兹系统选择最优的滤波带宽；所述FPGA单元中的线性累加平均处理模块的输入端与滤波带宽自适应配置模块的输出端连接，当系统适配出最优的滤波带宽后，线性累加平均处理模块通过线性累加平均算法对输入信号进行处理，用以滤除系统中白噪声对信号的干扰；所述上位机通信接口与FPGA单元输出端连接，通过上位机通信接口与上位机进行信息交互；所述滤波带宽调节电路单元与滤波带宽自适应配置模块和滤波器单元分别连接，滤波带宽调节电路单元根据滤波带宽自适应配置模块配置的带宽参数动态的调节滤波器单元的滤波带宽，实现对当前系统的最优滤波。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括增益调节电路单元，对应地，FPGA单元还包括增益配置模块，增益调节电路单元与增益配置模块和前置电流放大器单分别连接，增益配置模块用于配置增益参数，增益调节电路单元基于增益参数配置前置电流放大器单元的增益放大倍数。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，FPGA单元还包括调偏配置模块，调偏配置模块输出端与调偏电路单元连接，调偏配置模块用于配置调偏电路单元输出不同的调偏电压。

进一步说明，本实用新型涉及的FPGA单元还包括其他功能管理模块，其他功能管理模块605用于对太赫兹系统中偏置电压源模块和延迟线电路模块急性通信、监控、配置和管理。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括MCU单元，MCU单元用于对飞秒激光器模块进行配置和监控。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括电源单元，电源单元用于为信号直接采集装置提供电源和上电时序管理功能。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括模拟输出接口，模拟输出接口与滤波器单元输出端连接，用于输出采集到的太赫兹模拟信号。

进一步说明，本实用新型涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括外围电路接口，外围电路接口为飞秒激光器模块、延迟线电路模块、偏置电压源模块、状态监测模块、状态显示模块与信号直接采集装置的通信接口。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型信号直接采集电路除了能动态的自适应调整滤波器的滤波带宽外，还可以在线调节前置电流放大器增益的放大倍数，实时的通过线性累加算法降低噪声对太赫兹信号的干扰，提升系统的动态范围，信号直接采集电路支持模拟信号和数字信号双路输出，便于用户对信号的分析和处理，信号直接采集电路还具有对太赫兹系统中其他的功能部件进行控制和管理等功能。

附图说明：

图1为实施例1中所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集方法及装置结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

本实用新型利用信号直接采样原理实现对太赫兹电流信号的采集，飞秒激光激发光电导天线产生的光生载流子在太赫兹脉冲电场的作用下形成光电流，因太赫兹电流信号的大小与太赫兹信号强度线性相关，通过探测电流的变化即可实现对太赫兹脉冲强度的测量。

本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置对探测光电导天线产生的微弱的太赫兹电流信号进行放大、调偏、滤波、量化、采集和信号处理，最后将处理后的信号上传到上位机控制软件，实现太赫兹信号的采集。

如图1所示，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置(简称信号直接采集装置)，包括信号输入接口1、前置电流放大器单元2、调偏电路单元3、滤波器单元4、ADC模数转换单元5、FPGA单元6、滤波带宽调节电路单元7和上位机通信接口12，其中，FPGA单元6包括滤波带宽自适应配置模块603、线性累加平均处理模块604。

所述信号输入接口1输入端外接太赫兹光谱和成像系统的探测天线；

所述前置电流放大器单元2与输入接口1的输出端连接，实现对太赫兹光电流信号的放大，并将其转为电压信号；

所述调偏电路单元3输入端与前置电流放大器单元2输出端连接，用于对前置电流放大器单元2输入的信号进行调偏，确保输入到ADC模数转换单元5的信号在ADC转换芯片的输入阈值范围内，系统上电后会默认配置调偏电路单元3的偏置电压；

所述滤波器单元4输入端与调偏电路单元3输出端连接，滤波器单元4的滤波带宽在系统工作后由滤波带宽自适应配置模块603和滤波带宽调节电路单元7两个单元模块自适应的动态配置，用于滤除输入信号的带外噪声，提高输入信号的信噪比；

所述ADC模数转换单元5输入端与滤波器单元4输出端连接，用于实现对滤波器单元4输入信号的采样、保持、量化、编码，并将模拟信号转换为数字信号；

所述FPGA单元6输入端与ADC模数转换单元5输出端连接，其中，滤波带宽自适应配置模块603的输入端与ADC模数转换单元5输出端连接，滤波带宽自适应配置模块603根据输入信号的处理结果动态的调整滤波带宽调节电路单元7的滤波带宽，为系统选择最优的滤波带宽；

所述FPGA单元6中的线性累加平均处理模块604的输入端与滤波带宽自适应配置模块603的输出端连接，当系统适配出最优的滤波带宽后，线性累加平均处理模块604通过线性累加平均算法对输入信号进行处理，用以滤除系统中白噪声对信号的干扰，进一步提升系统的动态范围；

所述上位机通信接口12与FPGA单元6输出端连接，通过上位机通信接口12与上位机进行信息交互；

所述滤波带宽调节电路单元7与滤波带宽自适应配置模块603和滤波器单元4分别连接，滤波带宽调节电路单元7根据滤波带宽自适应配置模块603配置的带宽参数动态的调节滤波器单元4的滤波带宽，实现对当前系统的最优滤波；

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括增益调节电路单元8，对应地，FPGA单元6还包括增益配置模块601，增益调节电路单元8与增益配置模块601和前置电流放大器单元2分别连接，增益配置模块601用于配置增益参数，增益调节电路单元8基于增益参数配置前置电流放大器单元2的增益放大倍数，用户通过上位机软件可以对增益调节电路单元8的增益放大倍数进行自主调节；

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，FPGA单元6还包括调偏配置模块602，调偏配置模块602输出端与调偏电路单元3连接，调偏配置模块602用于配置调偏电路单元3输出不同的调偏电压，用户通过调偏配置模块602实现对调偏电路单元3输出的偏置电压的自主调控，进一步提高信号直接采集装置的系统适用性；

进一步说明，FPGA单元6还包括其他功能管理模块605，其他功能管理模块605用于对太赫兹系统中其他功能模块通信、监控、配置和管理，其他功能模块包括系统中的偏置电压源模块、延迟线电路模块等；

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括MCU单元9，MCU单元9用于对太赫兹系统中其他功能模块配置和监控，其他功能模块包括系统中的飞秒激光器模块等。

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括电源单元10，电源单元10用于为信号直接采集装置提供电源和上电时序管理功能。

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括模拟输出接口11，模拟输出接口11与滤波器单元4输出端连接，用于输出采集到的太赫兹模拟信号，方便用户进行数据分析和处理。

进一步说明，本实施例涉及的一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，还包括外围电路接口13，外围电路接口13为太赫兹系统中其他功能模块与信号直接采集装置的通信接口，其他功能模块包括飞秒激光器模块、延迟线电路模块、偏置电压源模块、状态监测模块、状态显示模块等，其他功能模块可通过FPGA单元6中的其他功能管理模块605和MCU单元9共同进行通信、监控、配置和管理；

具体地，前置电流放大器单元2可识别的最小信号为亚pA量级电流信号，前置电流放大器单元2默认的增益放大倍数为10^{^6}。

本实用新型一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集方法，具体包括以下步骤：

(1)太赫兹信号光电流通过信号输入接口1进入到前置电流放大器单元2，前置电流放大器单元基于增益放大倍数对信号进行放大并转为电压信号，设计的前置电流放大器单元2可识别的最小信号为亚pA量级电流信号。

增益配置模块601在太赫兹系统上电后会默认配置增益调节电路单元8的增益倍数，用户可在线(通过上位机)输入设置好的四种放大倍数，增益配置模块601将增益放大倍数转换成相应的参数对增益调节电路单元8进行配置，从而为前置电流放大器单元2配置放大倍数。具体地，前置电流放大器单元2默认的增益放大倍数为10^{^6}，增益调节电路单元8可配置的增益放大倍数分别为5x10^{^5}、10^{^6}、5x10^{^6}和10^{^7}。

太赫兹系统上电后，增益配置模块601向增益调节电路单元8输入默认的增益参数，使用时，增益配置模块601基于上位机的指令实时向增益调节电路单元8实时输入调整后的增益参数，增益调节电路单元8基于收到的增益参数实时向前置电流放大器单元2输入增益放大倍数。

(2)放大后的信号进入到调偏电路单元3，调偏电路单元3基于偏置参数对前置电流放大器单元输入的信号进行调偏。

太赫兹系统上电后会默认配置调偏电压，用户也可以在上位机中通过调偏配置模块602在线调节调偏电压。

偏配置模块602在太赫兹系统上电时，向调偏电路单元3输入默认的偏置参数，使用过程中，偏配置模块602基于上位机的指令实时向调偏电路单元3输入调整后的偏置参数。

(3)经过调偏后的信号进入到滤波器单元4，滤波单元4是基于Sallen-key电路设计的4阶巴特沃斯低通滤波器，滤波器单元4基于滤波带宽滤除被采样信号的带外噪声，可以提高信号的信噪比。

滤波器单元4的滤波带宽由滤波带宽自适应配置模块603和滤波带宽调节电路单元7两个单元模块通过轮询机制动态的自适应配置，根据目前系统中使用的机械结构的延迟线的振荡频率或旋转频率，配置的滤波带宽为10kHz、20kHz、30kHz、40kHz。

(4)滤波后的信号一路由模拟输出接口11输出，输出为模拟信号，可方便用户进行数据的分析和处理；

(5)滤波后的信号另一路输入到ADC模数转换单元5，ADC模数转换单元5实现对太赫兹信号的采样、保持、量化、编码，将模拟信号转换为数字信号；

(6)ADC模数转换单元5的输出信号进入到FPGA单元6时首先进入到滤波带宽自适应配置模块603，太赫兹系统开机后，在首次进行信号采集时或通过上位机更改延迟线的振荡或旋转频率后进行数据采集时，此时最优滤波带宽未确定时，信号在滤波带宽自适应配置模块603中进行数据处理，同时通过滤波带宽调节电路单元7自适应的配置出当前系统中最优的滤波带宽，此时的数据不会向下级模块传输；

(7)当最优滤波带宽确定后，ADC模数转换单元5上传的信号会经过滤波带宽自适应配置模块603透传进入到线性累加平均处理模块604，信号在线性累加平均处理模块604中通过线性累加平均算法进行处理，用以滤除系统中白噪声对信号的干扰，进一步提升太赫兹系统的动态范围。

(8)经过线性累加平均处理模块604处理后的信号通过上位机通信接口12将数据上传到上位机，用户可以选择通过上位机进行数据的分析和处理，也可以通过上位机将数据导出后自己进行分析和处理。

(9)外围电路接口13为系统中其他功能模块与自适应调整滤波带宽的信号直接采集电路的通信接口，系统中其他功能模块可通过FPGA单元6中的其他功能管理模块605和MCU单元9进行通信、监控、配置和管理；

进一步说明，ADC模数转换单元5采样后的信号进入到FPGA单元6时首先进入到滤波带宽自适应配置模块603。

进一步说明，在太赫兹系统开机后，在首次进行信号采集时或通过上位机更改延迟线的振荡或旋转频率后进行数据采集时，即此时最优滤波带宽未确定时，进入到滤波带宽自适应配置模块603中信号会先进行缓存，然后对缓存的完整的太赫兹信号进行累加平均处理，累加平均的次数为20次，并对最终结果和此时配置滤波带宽调节电路单元7的滤波带宽参数进行存储。

进一步说明，通过设计的滤波带宽轮询机制，滤波带宽自适应配置模块603会依次配置滤波带宽调节电路单元7中带宽参数，然后对采集到的信号进行累加平均处理并对最终结果和对应的带宽参数进行存储。

进一步说明，当设计的滤波带宽轮询机制被轮询完毕后，滤波带宽自适应配置模块603会根据存储结果中信噪比最优的带宽参数配置滤波带宽调节电路单元7，并将此带宽作为信号直接采集电路的最优滤波带宽。

进一步说明，当最优滤波带宽确定时，即当滤波带宽自适应配置模块603完成带宽配置后会抛弃之前存储的数据同时将新接收到的信号透传到线性累加平均处理模块604。

进一步说明，线性累加平均处理模块604利用线性累加平均算法对接收到的信号进行处理，滤除接收信号中叠加的系统中的高斯噪声，进一步提升系统的动态范围。

进一步说明，综合考虑系统工作的时效性和对信噪比的改善结果，根据系统仿真和实际的测试结果将线性累加平均处理模块604中的累加次数默认设置为50次，累加次数支持用户在线配置。

本实用新型信号直接采集电路除了能动态的自适应调整滤波器的滤波带宽外，还可以在线调节前置电流放大器增益的放大倍数，实时的通过线性累加算法降低噪声对太赫兹信号的干扰，提升系统的动态范围，信号直接采集电路支持模拟信号和数字信号双路输出，便于用户对信号的分析和处理，信号直接采集电路还具有对太赫兹系统中其他的功能部件进行控制和管理等功能。

Claims (8)

1.一种太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，包括信号输入接口、前置电流放大器单元、调偏电路单元、滤波器单元、ADC模数转换单元、FPGA单元、滤波带宽调节电路单元和上位机通信接口，其中，FPGA单元包括滤波带宽自适应配置模块、线性累加平均处理模块；所述信号输入接口输入端外接太赫兹光谱和成像系统的探测天线；所述前置电流放大器单元与输入接口的输出端连接，实现对太赫兹光电流信号的放大，并将其转为电压信号；所述调偏电路单元输入端与前置电流放大器单元输出端连接，用于对前置电流放大器单元输入的信号进行调偏；所述滤波器单元输入端与调偏电路单元输出端连接，滤波器单元的滤波带宽在系统工作后由滤波带宽自适应配置模块和滤波带宽调节电路单元两个单元模块自适应的动态配置，用于滤除输入信号的带外噪声，提高输入信号的信噪比；所述ADC模数转换单元输入端与滤波器单元输出端连接，用于实现对滤波器单元输入信号的采样、保持、量化、编码，并将模拟信号转换为数字信号；所述FPGA单元输入端与ADC模数转换单元输出端连接，其中，滤波带宽自适应配置模块的输入端与ADC模数转换单元输出端连接，滤波带宽自适应配置模块根据输入信号的处理结果动态的调整滤波带宽调节电路单元的滤波带宽，为太赫兹系统选择最优的滤波带宽；所述FPGA单元中的线性累加平均处理模块的输入端与滤波带宽自适应配置模块的输出端连接，当系统适配出最优的滤波带宽后，线性累加平均处理模块通过线性累加平均算法对输入信号进行处理，用以滤除系统中白噪声对信号的干扰；所述上位机通信接口与FPGA单元输出端连接，通过上位机通信接口与上位机进行信息交互；所述滤波带宽调节电路单元与滤波带宽自适应配置模块和滤波器单元分别连接，滤波带宽调节电路单元根据滤波带宽自适应配置模块配置的带宽参数动态的调节滤波器单元的滤波带宽，实现对当前系统的最优滤波。

2.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，还包括增益调节电路单元，对应地，FPGA单元还包括增益配置模块，增益调节电路单元与增益配置模块和前置电流放大器单分别连接，增益配置模块用于配置增益参数，增益调节电路单元基于增益参数配置前置电流放大器单元的增益放大倍数。

3.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，FPGA单元还包括调偏配置模块，调偏配置模块输出端与调偏电路单元连接，调偏配置模块用于配置调偏电路单元输出不同的调偏电压。

4.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，FPGA单元还包括其他功能管理模块，其他功能管理模块用于对太赫兹系统中偏置电压源模块和延迟线电路模块急性通信、监控、配置和管理，太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集方法及装置，还包括MCU单元和外围电路接口，MCU单元用于对飞秒激光器模块进行配置和监控，外围电路接口为飞秒激光器模块、延迟线电路模块、偏置电压源模块、状态监测模块、状态显示模块与信号直接采集装置的通信接口。

5.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，还包括电源单元，电源单元用于为信号直接采集装置提供电源和上电时序管理功能。

6.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，还包括模拟输出接口，模拟输出接口与滤波器单元输出端连接，用于输出采集到的太赫兹模拟信号。

7.根据权利要求1所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，还包括增益调节电路单元，配置的滤波带宽为10kHz、20kHz、30kHz、40kHz。

8.根据权利要求2所述的太赫兹系统中自适应调整滤波带宽的信号直接采集装置，其特征在于，还包括增益调节电路单元，前置电流放大器单元默认的增益放大倍数为10^{^6}，增益调节电路单元能够配置的增益放大倍数分别为5x10^{^5}、10^{^6}、5x10^{^6}和10^{^7}。

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