TW201015608A - System and method for suppressing noise by frequency dither - Google Patents
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Description
201015608 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明之範例實施例大體上關於傳播電磁信號的系統 及方法，更特定言之係關於藉頻率抖動抑制傳播電磁信 號中之雜訊的系統及方法。 [先前技術] [0002] 使用具備窄譜線寬及長相干長度之連續波（CW)可調 源的頻譜測定術廣為人知具有與高頻譜對比度、頻率選 擇性及優異靈敏度相關的優點。掃描式CW兆赫（THz)頻 譜儀為此種技術之一主要實例。但長相干長度之一負面 後果可為由來自亂真共振腔之反射造成的傳輸調變。一 顯著且經常是主要的雜訊源可巧由與這些亂真腔之駐波 傳輸調變（強度梯度）相關的源頻率隨機顫動及重複誤 差造成的隨機振幅變動a 亂真腔可為由來自傳輸器與接收器電磁波傳播路徑間之 任何表面的菲淫耳（Fresne_l_)___、·反谢形成》這些表面的反 射率可能因為THz頻譜儀中涵蓋之寬大頻率範圍使得抗反 射（AR)塗層無效而難以抑制。因此會想要設計一種有 效地抑制因來自亂真腔之隨機振幅變動而造成之雜訊的 裝置及方法。 【發明内容】 [0003] 鑑於以上發明背景，本發明之實施例提出一種藉頻率 抖動抑制雜訊的改良系統及方法。依據本發明之一觀點 ，該系統包含一傳輸器、接收器（例如一頻譜儀系統之 光電混頻傳輸器和接收器）及一頻率抖動電路。此外， 098129852 表單編號A0101 第4頁/共39頁 201015608 該系統可在該傳輸器與接收器之間沿一電磁信號傳播路 徑包含一腔穴（亂真腔）。該傳輸器經構形以用一或多 個可選頻率之每一頻率傳輸一電磁信號給該接收器。該 頻率抖動電路經構形以向用該等可選頻率之每一頻率從 該傳輸器傳輸給該接收器之該電磁信號施加一頻率抖動 。就此而論，該外加頻率抖動具有以該系統中一預期駐 波之一最小頻率週期之一函數選擇的跨距，且具有以用 於對一包含該等可選頻率的頻譜取樣之一信號處理帶寬 之一函數選擇的速率。然後，該接收器可被構形以求其 所接收處於該抖動頻率之電磁信號的平均。 更特定言之，舉例來說，該頻率抖動電路可經構形以 施加具有已被選擇為至少該最小頻率週期之一跨距的頻 率抖動。在此等案例中，該最小頻率週期已由該腔穴之 一自由頻譜範圍之一函數，或從該系統之一傳輸函數之 測量決定。此外，舉例來說，該跨距亦可為已基於該預 期駐波之一調變深度選擇。 ' 該系統可進一步包含一經構形以產生一用於偏置該傳 輸電磁信號之已調變信號的傳輸器偏壓調變器。在此等 案例中，該信號處理帶寬可為已基於該已調變信號決定 ，譬如像用最小衰減處理該已調變信號所需那樣。然後 ，該頻率抖動電路可經構形以用一已被選擇為大於該信 號處理帶寬的速率施加該頻率抖動。 該系統可包含一通往該傳輸器之電磁信號的第一傳播 路徑及一通往該接收器之其他電磁信號的第二傳播路徑 。就此而論，該系統可進一步包含一沿著分別通往該傳 輸器或接收器之第一或第二信號傳播路徑或是沿著該第 098129852 表單編號A0101 第5頁/共39頁 0983409045-0 201015608 一和第二傳播路徑每一者定位用以改變相應傳播路徑之 長度的裝置。 該預先選定的速率可包括一被選擇為該電磁信號傳輸 所用之頻率之一函數的速率。更特定言之，該預先選定 的速率可包括一經選擇以橫跨於一停頓時間（dwell time)當中用一相應頻率傳輸之電磁信號之一或多個週 期的速率。舉例來說，在一實例中，該預先選定的速率 可包括一經選擇以在一頻率實現一路徑長度調變的速率 [0004] [0005] [0006] 辦 FS = 在上式中，λ (譬如λ THz)代表在一相應頻率之電磁信 號的波長，\代表傳播路徑之一傳播介質之折射係數， Γ 且Sp代表該預先選定的速率。 F 依據本發明之其他觀點，提出一種藉頻率抖動抑制雜 訊的方法。因此本發明之範例實施例提出一種藉頻率抖 動抑制雜訊的改良系統及方法。如前所述，且詳見下文 ，本發明之範例實施例可解決習知技術確知的問題且提 供額外優點。
[0007] 098129852 【實施方式】 以下參照示出本發明之較佳實施例的隨附圖式更詳細 地說明本發明。然本發明亦可以許多不同形式實施且不 應解釋為侷限於本說明書所述實施例；事實上這些實施 例係用來使本說明書透徹完整，且會將本發明之範圍完 表單編號A0101 第6頁/共39頁 0983409045-0 201015608 玉傳達給熟1此技藝者。就此而論，文中可能提及許多 子& & + 1 ’其可能以等式相關。但應理解到此 等式可能關於—料或近似等式，致使本發明之範例實 施例可納入可能發生於系統及方法中之變動，譬如因設 Μ 1文中以相同數字指涉相同元件。 第1圖和第2®例示可從本發明之顧實施例獲益之一 頻4儀系統及方法。·fs應理解到在此例示及下文說明的 git π ϋ為可從本發明之範例實施例獲益的 ❹ 系統及方法之一種類型的範例，且因此不應用以限制本 發明之範圍。就此而綸，儘管例示頻譜儀系統及方法之 多個實施例且為作實例而在&下-文說明類型傳播電 磁说之系統及方法可輕易運吊;表梦'明W此外，本發 明之系統友方法將主要就電磁頻^:之)區域 中的信號說明。然本發明之實施例的系统及方法可搭配 各式各樣其他應用運用，不管是在電磁頻譜之THz區以内 和以外。inieliecfuai
如圓所示，本發明之一頻譜儀系統ίο包 含一經構形以用二给定頻磁輻射束的傳輸器 12。該傳輸器可包括熟習此技藝者已知之多種不同傳輸 器的任一者。在一範例實施例中’舉例來說’該$輸器 包括一光電混頻傳輸器。在此等案例甲’傳輸器包含一 高速光電導二極體（亦即光電混頻器）’其可用二個雷 射源14a、14b經由一射束組合器/分離器I6及一光耦合 第一光學路徑18 (例如光纖）抽運。就此而論，該等雷 射源可經構形以發出具備有著處於6^和0 2之偏移頻率之 098129852 電場的信號。 表單編號A0101 第7頁/共39頁 0983409045-0 201015608 交叉間隙吸收之固有二次本質在傳輸器丨2之二極體中 誘發的光電流中產生一差（亦即傳輸）頻率（亦即ω — ω〗）。傳輸器12可耦接於一傳輸器偏壓調變器2〇,該調 變器包含一經構形以產生一正弦調變電壓（信號）的電 壓源22，該傳輸器之光電混頻器可被該正弦調變電壓偏 置"藉由將該光電混頻器定位在一天線譬如螺旋、雙極 或槽形天線之驅動點，差頻率電流被轉換成差頻率先子 。成果是一以一單一（準高斯）空間模式包容的高可調 性、連續波（CW)、高相干性輻射源◊此一傳輸器之更 多資訊參見2002年2月.19日授證之發明名稱為如35卜 Optical Transceiver Ha^-r^g an,Aatenna with Time Vanring Voltage的;資國:争知穿6, 348, 683號。 因此，一實施例之麼法包含選擇—κ頻率，然後從 傳輸器12用該頻率傳輸一電磁輻射束（亦即源射束）， 如第2圖之方塊42和所示。該傳輸頻率得以多種不同方 式之任一者選擇。但為了基於一者加吸收塒徵偵測一樣 本，該傳㈣率㈣賴!徵已被定義的 頻率範圍内選取。然後，备is左|氧頻傳輪器中，光電 混頻器可由一處於一頻率的雷射源及一處於一頻率^2 的雷射源抽運，該等頻率經調整以藉此選擇該差（或傳2 輸）頻率（亦即ω2—ωρ。 來自傳輸器12的輻射束可通過一準直透鏡⑽產生一 準直輻射束。然後該射束可通過一樣本室以，該樣本室 可為由該射束通過的反射器26a*26b限界，且該樣本室 098129852 可包含-待分析樣本介質及―基底讀譬如環境空氣。 應理解賴樣林基齡質得具有_射束至少部分地 表單編號A0101 第8頁/共39頁 0983409045-0 201015608 透射通過之多種不同形式的任一者。舉例來說，該樣本 和基底介質可包括一固體、液體、氣體、電漿或氣溶膠 。更特定言之，在各有利實施例中，環境空氣之基底介 質可為呈氣體形式，而一樣本可為呈氣體或氣溶膠形式 〇 當該輻射束通過樣本室26時，該樣本室内的樣本和基 底介質吸收該射束之至少一部分，或更特定言之係吸收 該射束之電場之至少一部分。然後該輻射束之剩餘未被 吸收的部分（亦即被接收的信號）離開該樣本室。然後 該樣本信號傳播至一聚焦透鏡28，已聚焦的信號被從該 聚焦透鏡拾取或是被一接收器30接收。 該接收器獲得接收電場之一測量代表ERP，如第2圖之 方塊54所示。類似於傳輸器12，該接收器可包括一電場 偵測器譬如一光電混頻接收器（零拍接收器）。該光電 混頻接收器可包含一經構形以接收該電場並回應於該電 場產生一對應電壓的天線，.該.蜜麈可:被。導往一高速光電 導體。該光電導鱧亦電耦合於Η第、二光學路徑32以用來 自向光電混頻傳輸器12抽運之相同二個雷射源14a、14b 的射束抽運給該光電導體。就此而論，射束組合器/分離 器16可將來自該等雷射源之每一信號分離到前述第一光 學路徑18以及另一第二光學路徑（例如光纖）内以抽運 給該接收器光電混頻器。然後，這些信號可調變該光電 混頻器之電導。由該接收器天線產生的電壓可被施加至 光電混頻器有源材料，且產生一通過該已調變電導的電 流，該電流係該接收信號與該接收器光電混頻器電導之 乘積。關於此一接收器的更多資訊參見前述第’ 683號專 098129852 表單編號A0101 第9頁/共39頁 0983409045-0 201015608 經向下轉換的信號電流及/或電場（或信號） 可施加 於接收器信號調節電路34，該電路舉例來說包含一去鑛 齒化濾波器36。然後該信號調節電路之輸出可輸入到一 處理器38，譬如詩在其上進行數位信號處理作業。就 此而論，該處理器可包括能夠依據本發明之範例實施例 運作的多種不同處理器件之任—者。舉例來說，該處理 器可包括一電腦（例如個人電腦、筆記型電膜、伺服器 電腦、工作站電腦），微處理器，協處理器，控制器，
。錄.J· 一專門數位信號處理器及/或包含積體電路譬如ASIC (特 殊應用積體電路）、FPGA C.現場巧Γ餐.式:閉::Π.陣列）或類 似物之各種其他處理器件。 象率範圍（頻 在f作一頻譜儀運作時 s 講）中之多個傳輸頻率，譬如藉由用一處於頻率ω1的雷 射源及一處於頻率ω的雷射源抽運給傳輸器12及接收器 2 ¥ I, t 30之光電混頻器進行，該第頻率H調:整，，以'掃描多個頻率 ’如第2圈之方塊56和58解某對:¾率範圍内之每一
.· .：：： -ί..... i m Φ 傳輸頻率且因此針對具有不，]$輸^率之每一輻射束， 處理器38可測量該向下轉換信號電流之振幅及/或相位/
Down。傳輸振幅及/或相位之所得集合以及相關傳輪頻率 可為樣本室26中之樣本定義一實測吸收或色散特徵，可 由此特徵識別樣本，如第2圖之方塊6〇所示。 如發明背景中所述’頻譜儀系統之泵源（源14a、14b )之長相干長度的一負面後果為此等系統可能呈現由來 自亂真共振腔之反射造成的傳輸調變。一顯著且經常是 主要的雜訊源可為由與這些亂真腔之駐波傳輸調變（強 098129852 表單編號A0101 第10頁/共39頁 0983409045-0 201015608 度梯度）相關的源頻率隨機顫動及重複誤差造成的隨機 振幅變動。亂真腔可為由來自傳輸器12與接收器30電磁 波傳播路徑間之任何表面譬如來自透鏡24、28、反射器 26a、26b或類似物的菲涅耳反射形成。這些表面的反射 率可能因為THz頻譜儀中涵蓋之寬大頻率範圍使得抗反射 (AR)塗層無效而難以抑制。 因此本發明之範例實施例提出一種減少由與系統傳輸 調變（駐波）相關且為頻率之一函數的源頻率隨機顫動 造成之雜訊的裝置及方法。依據範例實施例，頻譜儀系 統10進一步包含一可調變源14a、14b之一者或二者之頻 率的頻率抖動電路40。該頻率枓動電路可經構形以向在 光學路徑18、32之一者或二者中傳播的财東施加一頻率 抖動，藉此用一超過接收用電子系統之截止頻率的速率 從駐波產生振幅調變。然後，信號調節電路34或處理器 38可經構形以求該駐波結構當中被接收且向下轉換的信
' ' Λ I 號ER之平均，譬如藉由選取:一明顯丨高於信號處理帶寬之 抖動調變頻率進行，該信號處噠:帶寬傺經設計以對傳輸 信號取樣而沒有鋸齒現象或信i振i之明顯損失。所得 實測信號可產生系統駐波人為現象（artifacts)之一 衰減隨機分量。 舉例來說，設想反射器26a、26b在頻譜儀系統10中 創造一亂真腔。由反射表面產生之傳輸調變週期可為與 該等表面間之有效分隔距離成反比，且可被表示為： 098129852 表單編號A0101
第11頁/共39頁
0983409045-0 201015608 [0008] 其中c代表光速（ c « 3 X 10sm/5 )，η代表有效傳播介質之折射係數，F代表以Hz為單位 p 的調變週期，且L代表反射器間之分隔距離。此調變週期 亦可被稱為腔自由波譜範圍（FSR)。為高靈敏度設計的 頻譜儀系統10可能具有幾公尺的路徑長度，其中一10公 尺路徑長度樣本室26 (L==10 m)可產生短如15 MHz之 亂真調變週期（F =15 MHz)。
P
調變深度可被視為一信號之波峰-波谷振幅。亂真腔 . 之調變深度可能取決於造成此等腔穴之表面的反射率， 其中一組平行平坦反射表面的沣輸函數可能是廣為人知 的法布理-珀羅（Fabry-Perol )標準具傳輸函數。一簡 單平坦-平坦腔穴中以直角入射之調變的場振幅深度Md可 被呈現為近似下式： [0009] ,—， '
SSS (η — l)2(»蒎 + 1)
[0010] 就高達3. 5之折射係數來說（如用於光電混頻器透鏡24、 28之矽中的情況），可達到47%調變深度。一般見於任 何頻譜儀設計中之多個反射表面可能經由多個腔穴當中 之干擾而在傳輸函數之調變深度產生更高複雜度及變動 ，且這些波譜特徵通常被稱為駐波圖案。 [0011] 示於第4圖來自一掃描式CW頻譜儀之實測傳輸比例示 098129852 表單編號 A0101 第 12 頁/共 39 頁 0983409045-0 201015608 駐波之複函數。如圖所示’ 4 MHz之取樣間隔可提供充分 的頻率解析度以允許駐波調變之最短週期的觀察。第5圖^ 所示測量係以1 GHz取樣且顯示在一較大頻率範圍當中之 一鑛齒化或取樣不足的傳輸函數。因此該高解析度資料 可能正合需要以便確認等式（1)且確定允許—可被用來 減少本發明每個實施例中之雜訊的抖動頻率跨距選擇。 依據本發明之範例實施例’然後在雷射源14a、Ub向 光電混頻傳輸器12抽運以藉此用一選定頻率傳輸一輕射 ❹ 束（見第2圖’方塊52)之前’可選取—頻率抖動以供頻 率抖動電路40施加於來自該等雷射源在光學路徑18、32 之一或二者中傳播的射束（.亦即偉號备沐_界率抖動可 為依據多種不同方法選擇’一範:例方丨秦示辦¥3圖。如方 塊4 4所:示’一:種選釋一頻率'決定一預 ：：： .. " 期駐波最小頻率週期（亦即FSR)。此最小頻率週期可為 依據等式（1)及/或用超過奈奎斯特（Nyquist)速率 一依據等式（1)每週期至^丨：|6^穠绿頻譜儀傳輸函
數之測量決定。 . Pr〇pvy 如方塊46所示’該方法定用來對頻譜（系 統10所掃描之頻率的頻譜）取樣之信號處理帶寬。此帶 寬可用多種不同方式決定，然在一範例實施例中係決定 為如將傳輸器偏壓調變器2〇信號處理為具有最小衰減所 需。在一實例中，此調變可因關於接收電子系統之1/f雜 訊表現的理由而被選擇為1〇〇 KHz。然後此實例中接收器 之信號處理帶寬可被選擇為3〇〇 KHz以達成在1〇〇 KHZ小 於1 dB之損失。 在決定駐波最小頻率週期（亦即FSR)後，可以該駐波最 098129852 表單編號 A0I01 g ίο -s/u „„„ 界干 * 頁/共39頁 098: 201015608 小頻率週期之一函數選擇抖動頻率跨距，以便掃描駐波 最小頻率週期之至少一週期，如方塊48所示《舉例來說 ，抖動頻率跨距可被選擇為就15 MHz FSR來說至少15 MHz。此外，調變深度Md可在選擇該抖動頻率跨距時被納 入考量。就此而論，該抖動頻率跨距可經選擇以不僅掃 描駐波最小頻率週期之至少一週期更掃描深調變深度之 多個週期以便減小預期駐波之波峰-波谷振幅。 ❹ 且在決定該彳s號處理帶寬後，抖動頻率可依該信號處 理帶寬之一函數選擇。就此而論，該抖動頻率可被選擇 為大於該信號處理帶寬.以促進由該信號處.理帶寬獲得之 雜訊抑制效果:，如方塊50^^^多^、同方式之任 -者蚊、選擇料認高於_齡_、辦之信號處 理帶賴位準::，譬如基於動調變信 〆. 號之一期望衰減。就此而論，該信號處理帶寬及傳輸函 數可被用來判定該抖動調變信號在該選定調變頻率之衰 減。舉例來說，::就―階信¥·嫿函數而言， 十的調變頻率乘上―3 dB尜降考沣奇提;供_2〇 dB的調變 衰減。更高的抖動頻率可造嘁更大;知衰減。 雜訊表現改善度可由傳輸器12之頻率顫動頻譜、抖動 頻率跨距、及頻譜儀系統1〇之傳輸駐波函數判定。抖動 頻率跨距可掃掠駐波圖案之週期之一或更高整數倍之跨 距°傳輸調變最小逍期（抖動頻率跨距）可為從等式 )評估或是從一高解析度掃描譬如示於前述4 MHz取樣傳 輸中的掃描評估。可達成的改善之一實例示於顯示在第 6a圖和6b中之實測資料（第6a圖例示無抖動之情況，且 第6b圖例示3〇 mhz抖動之情況）。第6a圖和6b呈現多次 098129852 表單編號A0101 第14頁/共39頁 0983409045-0 201015608 掃描之平均值，其係GHz解析度對於3〇〇 GHz至430 ❹ GHz的頻譜取樣。在此實例中，傳輸的頻率有一外加抖動 調變頻率，其用標稱設定頻率+/_3() MHz線性地頻率調 變該傳輸器。已知頻譜儀接收器電子系統帶寬，該抖動 調變頻率係以1 MHz速率施加。同樣在此例示實例中，每 —被取樣的頻率之停頓時間為0. 03秒，這可能允許藉由 30 Hz的接收器有效信號帶寬有效地均化抖動調變。第6a 圖和6b亦包含該組掃描之歸一化標準差（用點線表示） 。在施予科動時’歸一化標準差之減小（亦即雜訊減少 的改善）可能在一較低值為顯著》 ：|ϊϊ' If ililli . 駐波頻率顏動雜訊之減少矜.估計亦可藉3由儀器資料之 統計分析或更明確地舉例來芩透過板本點間之傳輸梯度 (駐波^SR)之量值的分佈展現、第7圖示:出有和沒有頻 率抖爲施如的條件下儀器表現之分佈》在此實例中，可 達成預期雜訊之50%減少。 依據其他範例實施例，b-遍f®lual進一步沿第一
光學路徑18或第二光學路示沿該第一和第 ' /^£0 _.. 二光學路徑每一者包含一 變裝置41 »範例實 施例可向該等光學路徑之任一者或二者施用路徑長度調 變，且係等量或不等量調變，藉此實現一總系統路徑長 度伸長。就此而論，當同時命兩光學路徑施用調變時’ 所得系統路徑調變或伸長量町相當於施用於該第一和第 二光學路徑之調變的差，能薷要在該等路徑之一者 被伸長（加大長度）時使另一路徑縮減（減小長度）。 路徑長度調變裝置41可包括經構形以動態地伸長或縮 減一光學路徑長度之多種裝置的任一者。在一光學路徑 098129852 表單編號Α0101 第15頁/共39筲 0983409045-0 201015608 包含光纖的範例實施例中，該路徑長度調變裝置可包括 一可供光纖捲繞的線轴及一耦接於該線轴且經構形以伸 長該線軸之直徑且因此伸長捲繞於該線轴之光纖之長度 的致動器（例如壓電致動器）。在此等案例中，光纖之 縮減可藉由減小先前施加於該線轴和光纖之伸長量實現 〇 依據本發明這些範例實施例，然後在雷射源14a、14b 向光電混頻傳輸器12抽運以藉此用一選定頻率傳輸一輻 射束（見第2圖，方塊52)之前，及在選取頻率抖動之前 或之後，可選擇一路徑長度比率表係數SF，譬如由處理 器38選擇，如第8圖之方塊47所示。該路徑長度比率係數 代表在被掃描頻譜之每一頻率樣本點之停頓時間（亦即 系統在每一頻率樣本點運作到移至下一個點之前的時間 量）期間施加一系統伸長（一或二個光學路徑之伸長， 或一路徑之伸長連同另一路徑之縮減）的比率。 該路徑長度比率可依多種不同方式之任一者選擇以實 現一期望路徑長度調變，譬如用一會在每一頻率樣本之 停頓時間當中橫跨光學路徑18、32内之抽運信號（處於 差頻率）之一或多個波的方式選擇。更特定言之，舉例 來說，該路徑長度比率可被選擇為抽運信號之週期的整 數倍，譬如依據下式： [0012]
SF =
[0013] 其中a代表一可選的整數倍（例如3)，λΤΗζ代表該 098129852 表單編號Α0101 第16頁/共39頁 0983409045-0 201015608 抽運信號在該差頻率之波長’且D代表停頓時帛（例如 0.03秒）。以差頻率fTHz改寫，該路徑長度比率可依下 式選擇： [0014] = a 'c
[0015] ❹ [0016] ❹ 其中^代表光學路徑之傳播介質之折射係數（以光纖為 例係大約1.5)。舉例來說考慮a = 3、D=〇 〇3秒、f * THz = 650 61^且11广1. 5的案例。在此例中，已知c = 3x 108m/s，路徑長度比率係^^^|^^纟約3〇.77 _ /s。 由於路程長度調變芩相對較低頻单致頻譜儀系 統10中之雜訊增加’在選擇該路徑長摩比率係數之前、 之時或之後，可選擇一傳輸器調變頻率以便將信號載 波升高至接收器電子系統，如方塊45所 示。此調變頻率遴禪可地避免路徑長 度調
變之相對較低的漏P 該傳輸器調變頻率 可用多種不同方式選擇，譬如從接收器之一實測雜訊密 度頻譜之分析選擇。實測雜訊密度頻譜之一實例示於第9 圖。如圖所示，接收器電子系統之Ι/f雜訊區係在大約1 kHz。且由此範例雜訊密度頻譜可看出可能需要一處於或 高於10 kHz的傳輸器調變頻率以至少部分地避免過量 Ι/f雜訊。 已選擇路徑長度比率係數SF及傳輸器調變頻率’ 098129852 此方法可類似前文所述前進’包含用一選定傳輸頻率傳 表單編號Α0101 第17頁/共39頁 0983409045-0 201015608 輸一輻射束（亦即源射束），如第8圖之方塊52所示。由 於該輻射束係在該選定傳輸頻率之停頓時間期間傳送， 處理器38可控制路徑長度調變裝置41 (或更特定言之例 如此等裝置之致動器）以伸長及/或縮減第一光學路徑18 及/或第二光學路徑32藉以實現一總系統路徑長度伸長。 在此例中，傳輸的信號E 9可被表示如下： ω 1 ω 2 [0017]
[0018] [0019] 其中E1*E2*別代表來自第一和第二源之射束的電場振 幅；且 Φιτ Τ代表由於該等射束通過第一光學路徑之傳播導入的相位 常數。同樣在以上各式中，0FS代表在差頻率之路徑長度 調變頻率，其可被表示如下： [0020] ^FS = nF^F (7)
Am 進一步註明頻可被表示為角頻率或者是對應瞬 時頻率（ί=ω/2ττ)。然後，在傳輸器12之二極體中誘 098129852 表單編號Α0101 第18頁/共39頁 0983409045-0 [0021] 201015608 [0022] [0023] ❹ [0024] [0025]❹ [0026] 發之光電流的差（亦即傳輸）頻率（亦即ω2—)可有 一對應電場： 五^⑶地似勘 + + ψ12Γ) (8) 其中7?7代表光電混頻傳輸器轉換效率ω =ω —ω ， I I Hz L 1 且 Φητ = Φζτ ~ Ψυ ο 類似前述，傳輸器12可被耦接於一包含一電壓源22的 傳輸器偏壓調變器20，該電壓源經構形以ά生一正弦調 變電壓，該傳輸器之光電混頻器可被該正弦調變電壓偏 置，該調變器產生一電場£„ = 丫 cos(o t)。然後該傳輸 Mm nn 電場可被表示為£1_與£4{之乘積，如下： S3 $ g S ^ ί ' 1 1 I £ψ^ 'Ψί 1 I . ·. 1 霸 11 ^#·議霞 _ %β %~Α 1 丑枷=+ ^FS)，+ _Γ)傳 {c〇s{(辯伽 + + )i + ^r) + cosi(如彻 + ωΒ — ω树)i + Φ r)] (J{〇 [0027] 在等式（9)和（10)中， 代表 Φί Ψΐ2Τ 098129852 及一些與光電混頻器和天線傳輸函數有關之相位延遲的 表單編號Α0101 第19頁/共39頁 0983409045-0 201015608 總和。 如前所述，來自傳輸器的輻射束可能通過準直透鏡24 及樣本室26。該輻射束之一部分可能離開該樣本室，通 過聚焦透鏡28 ’且被接收器3〇拾取或接收，如方塊50所 示。此接收信號ERP可被表示如下： [0028] [0029] ~2 ' (Π) 其中λΤΗζ +和λΤΗ，在此例中分別代表在頻率^^ + THz THz 〇FS+ ω·η&ωΤΗΖ+分Μ 一似-丨之信號邊帶（較高和較低 〇 F« ~ ml^ V.；' [0030] [0031] [0032] [0033] )的波長。 接收器ta可接收該電場並回表於此產生一纣應電壓 由該接敗器產生的電壓可施加於光:電混頻·^有源材料， 且產生一通過已調變電導的電流，其為等式（11)與下 式之乘積：; - ^mcertvC/rp - nTE, Ε2〇〇4^ΊΒΐί( ^Φ mi 0¾ ' ： ·： =： '-W%s·· 其中77 ^戈表光電混頻接收器轉換效率，且 ❹ 且 代表由於射束通過第二光學路徑之傳播導入的相位常數 。乘積之差頻率結果為向下轉換信號電流/ ，其可被 D.〇wn p 098129852 表單煸號A0101 第20頁/共39頁 0983409045-0 201015608 表示如下： [0034] [0035] [0036] 其中 及 j(ww + wFS)f-H Φτ--+ 期—wra)i- +2ϊΓγ』一+ 爭似 五 RP_ =. 2 (13) ^RPmp = Ο 依據下式計 [0037] 然後，對應的向下轉換電場（或信號）£]?可 售Γ · .......
[_ ER=IDownRLoad (⑷ [0039] 其可被簡化如下：
Q
[0040] = ^ofco^w^, + «Ups) t + φ) + cos((wM — Oips) t + Φ)] (15) [0041] 在上式中， ♦ 可被表示如下： [0042] 098129852 表單編號A0101 第21頁/共39頁 0983409045-0 [0043] 201015608 WMMI ^
♦ m [0044] 其中Ri〇ad代表接收器30電子負載電阻》此結果為如第1〇 圖波譜圖中所示接收器光電混頻器之混合產物。 098129852 [0045] 亦如前述，向下轉換的信號電流及/或電場（或 信號）ER可施加於接收器信號調節電^n4然後輸入給— 處理器38 ’且可包含向下轉換信_之信號的復原。在 等式（1 5 )中，怪定相位項 Φ 可以溫度及機械擾動之一A數 由依據本發明之範例實施例‘以 號振幅7能在遠高於影響信％ 率被擷取。可能可細於本發明之範例實施例的進—步 觀點的更多資訊參見與本申請案同時申請之發明名稱為 '藉路徑調變梅取信號之細曲磁國專利申請 案第12/234, 121號其完整内餐以引^的方式併入本文中 〇 . u 1:Ι^I ' M «-§£ -.-¾ I I Ί-. 類似前述’系統10可掃描一頻率範圍中之多個傳輪頻 率’如第8圓之方塊56和58所示。由於路徑長度比率係數 SF可依傳輸頻率之-函數選擇（見等式⑷）’該路徑 I度比率係數可就每-傳輸頻率重新選擇且可為-傳輪 率门於下一個傳輸頻率。針對該頻率範圍内之每— 傳輸頻率且因此針對具有不同傳輸頻率之每-輻射束， 處理器38可琪，j量向下轉換信號電流之振幅及/或相 位。所得傳輪振幅及/或相位之所得集合以及相關傳輪頻 表單編號Α0101
笫22頁/共39頁 0983409045-0 201015608 率可為樣本室26中之樣本定義一實測吸收或色散特徵’ 可由此特徵識別樣本，如第8圖之方塊60所示。 熟習本發明之相關技藝的人會想出具有以上說明及相 關圖式中呈現之教示之益處的本發明許多修改及其他實 施例。因此，應理解到本發明不侷限於本文揭示之特定 實施例，且意料中其他實施例中會被包含在隨附申請專 利範圍項之範圍内。儘管文中使用專門用語，其係僅以 —廣義且說明性的方式使用且非用來設限。 [0046] [0047]
【圖式簡單說明】 以已用一般用語氣述本發明，今將參照隨附圖式， 這些圖式不一定按比例繪製，且其中： 第1圖是一依據本發明了||年|^^變1^^譜儀系統的
方塊簡圖； 、 I
Propc^ V 第2圖、第3圖和第8圖表背 1舜本發明之範例實施 例在一透過一頻譜掃描一頻譜儀系統之方法中之各步驟 的流程圖； 第4圖和第5圖是例示依據本發明之範例實施例分別用 4 MHz解析度及1 GHz解析度測得之一掃描式頻譜儀系統 之傳輸的曲線圖； 第6a圖和第6b圖是例示依據本發明之範例實施例分別 就沒有和有抖動之情況進行多次掃描的平均和歸一化標 準差的曲線圖’證明在歸一化標準差有大約28%的減低 098129852 表單编號A0101 第23頁/共39頁 0983409045-0 201015608 第7圖是一例示分別在有和沒有頻率抖動施加時之儀 器表現分佈的曲線圖； 第9圖是一例示依據本發明之範例實施例一光電混頻 接收器之實測雜訊密度頻譜的曲線圖；且 第10圖例示在本發明之範例實施例之接收器中例示降 頻轉換的波譜圖。 【主要元件符號說明】 [0048] 10頻譜儀系統 [0049] 12傳輸器 [0050] 14a、14b 雷射源 [0051] 16射束組合器/分離器 [0052] 18光學路徑 [0053] 20傳輸器偏壓調變器 [0054] 22電壓源 [0055] 42、44、46、47、48、50、52、54、56、58、60 方塊 [0056] 24準直透鏡 [0057] 26 本室 [0058] 26a、26b 反射器 [0059] 28聚焦透鏡 [0060] 30接收器 098129852 表單編號A0101 第24頁/共39頁 0983409045-0 201015608 [0061] [0062] [0063] [0064] [0065] [0066] 32光學路徑 34信號調節電路 36去鋸齒化濾波器 38處理器 40頻率抖動電路 41路徑長度調變裝置 ❹ 098129852 表單編號A0101 第25頁/共39頁 0983409045-0
Claims (1)
- 201015608 七、申請專利範圍： 1 . 一種系統，包括： 一傳輸器及接收器，該傳輸器經構形以用一或多個可選頻 率之每一頻率傳輸一電磁信號給該接收器，該系統在該傳 輸器與該接收器之間沿該電磁信號的一傳播路徑包含一腔 穴；及 一頻率抖動電路，其經構形以向用該一或多個可選頻率之 每一頻率從該傳輸器傳輸給該接收器之該電磁信號施加一 頻率抖動，該外加頻率抖動具有一選定跨距及速率，該跨 距以該系統中一預期駐波之一最小頻率週期之一函數而被 選擇，且該速率以一信號處理帶寬之一函數而被選擇，用 於對包含該一或多個可選頻率的一頻譜的取樣。 2.如申請專利範圍第1項之系統，其中該頻率抖動電路經構 形以施加具有已被選擇為至少該最小頻率週期之一跨距的 該頻率抖動，該最小頻率週期已依該腔穴之一自由頻譜範 圍之一函數之決定，或從該系統之一傳輸函數之測量決定 〇 3 .如申請專利範圍第1項之系統，其中該頻率抖動電路經構 形以施加具有亦基於該預期駐波之一調變深度選擇之一跨 距的該頻率抖動。 4.如申請專利範圍第1項之系統，進一步包括： 一傳輸器偏壓調變器，其經構形以產生用於偏置該傳輸電 磁信號之一已調變信號，其中該頻率抖動電路經構形以用 已被選擇為大於該信號處理帶寬的一速率施加該頻率抖動 ，該信號處理帶寬已基於該已調變信號決定。 098129852 表單編號A0101 第26頁/共39頁 0983409045-0 201015608 ❹ 8 . ❹ 9 . 10 . 如申請專利範圍第1項之系統，其中該接收器經構形以求 其所接收處於該抖動頻率之該電磁信號的平均。 如申請專利範圍第1項之系統，其中該傳輸器及接收器包 括一頻譜儀系統之一光電混頻傳輸器及一光電混頻接收器 〇 如申請專利範圍第1項之系統，其中該系統包含通往該傳 輸器之該電磁信號的一第一傳播路徑及通往該接收器之其 他電磁信號的一第二傳播路徑，且其中該系統進一步包括 沿著該第一或第二信號傳播路徑之任一者或是沿著該第一 和第二傳播路徑之每一者定位的一裝置，該裝置經構形以 改變一相應傳播路徑之長度而使該第一和第二傳播路徑之 長度的差於該電磁信號從該傳輸器到該接收器之傳輸及在 該接收器處該電磁信號及其他電磁信號之接收期間被以一 預先選定速率改變。 » . _ I I 如申請專利範圍第7項之系統？:其5中泰預定速率包括 以傳輸該電磁信號所用之頻率之一函彭^而被選擇的速率。 如申請專利範圍第8項之系統，其中該預先選定速率包括 經選擇以橫跨於一停頓時間當中用一相應頻率傳輸之該電 磁信號之一或多個週期的一速率。 如申請專利範圍第7項之系統，其中該預先選定速率包括 經選擇以在一頻率實現一路徑長度調變的速率〇FS : 2贫 ^FS ^ 其中λ代表在一相應頻率之該電磁信號的波長，nF代 098129852 表單編號A0101 第27頁/共39頁 0983409045-0 % 201015608 表該等傳播路徑之一傳播介質的折射係數，且SF代表該預 先選定速率。 11. 一種方法，包括： 選擇一頻率抖動，包含： 以一系統中之一預期駐波之一最小頻率週期之一函數而選 擇該頻率抖動之一跨距，該系統在一傳輸器與一接收器之 間沿一電磁信號的一傳播路徑包含一腔穴；及 以用於對包含一或多個可選頻率的一頻譜取樣之一信號處 理帶寬之一函數選擇談頻率抖動之一速率；及 ◎ 向用該一或多個可選頻率之每一頻率從該傳輸器傳輸給該 接收器的電磁信號施加該頻率枓動，該施加頻率抖動具有 該選定跨距及速率。 12 .如申請專利範圍第11項之方法，其中選擇一跨距包括選擇 至少該最小頻率週期之一跨距，該最小頻率週期以該腔穴 之一自由頻譜範圍之一函數決定，或為從該系統之一傳輸 函數之測量決定。 13 .如申請專利範圍第11項之方法，其中選擇一跨距包括亦基 _ Q 於該預期駐波之一調變深度選擇一跨距。 14 .如申請專利範圍第11項之方法，進一步包括： 產生用於偏置該傳輸電磁信號之一已調變信號，其中選擇 一速率包括選擇大於該信號處理帶寬之一速率，該信號處 理帶寬係基於該已調變信號決定。 15 .如申請專利範圍第11項之方法，進一步包括求在該接收器 接收之該電磁信號的平均。 16 .如申請專利範圍第11項之方法，其中施加該頻率抖動包括 向從該傳輸器傳輸到一頻譜系統的該接收器的一電磁信號 098129852 表單編號A0101 第28頁/共39頁 0983409045-0 201015608 施加該頻率抖動，該頻譜儀系統包含一光電混頻傳輸器及 一光電混頻接收器。 17 .如申請專利範圍第11項之方法，進一步包括：❹ 選擇改變第一和第二傳播路徑之長度之差的一速率，該第 一傳播路徑有送往該傳輸器之一電磁信號，該傳輸器經構 形以向該接收器傳輸該電磁信號，該接收器經構形以接收 該電磁信號及另一電磁信號而使二者混合，且該第二傳播 路徑有送往該接收器之該另一電磁信號；及 在該電磁信號從該傳輸器傳輸給該接收器，且在該接收器 接收該電磁信號及另一電磁信號時改變該第一或第二傳播 路徑之任一者或二者的長度，該等傳播路徑之任一者或二 者經改變而使該第一和第二傳播路徑之長度之差被以該選 定速率改變。 18 .如申請專利範圍第17項之方法，其中選擇一速率包括以傳 輸該電磁信號所用之頻率之一函數選擇速率。 19 .如申請專利範圍第18項之方法，其中:選擇:一速率包括選擇. 橫跨於一停頓時間當中用一相應頻率傳輸之該電磁信號之 f Ί Aa 4» 3 一或多個週期的速率。 20 .如申請專利範圍第17項之方法，其中選擇一速率包括選擇 一速率wFS而在一頻率實現一路徑長度調變： 其中；I代表在一相應頻率之該電磁信號的波長，nF代表該 等傳播路徑之一傳播介質的折射係數，且Sp代表該選定速 Γ 098129852 表單編號A0101 第29頁/共39頁 0983409045-0 201015608 率。098129852 表單編號A0101 第30頁/共39頁 0983409045-0
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