一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法

本发明属于太赫兹脉冲信号采样，特别涉及一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法。

背景技术：

1、太赫兹(thz)波(或称太赫兹辐射)通常是指频率介于0.1thz-10thz(波长处于30μm-3mm之间)之间的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是电子学向光子学的过渡区域。由于太赫兹波在电磁波谱的特殊位置，因此太赫兹技术在工业、基础研究、军事、医学等众多领域展现出了巨大的科研价值及应用前景。

2、典型的太赫兹时域光谱(thz-tds)系统主要由飞秒脉冲激光器、thz波脉冲产生装置、thz波脉冲探测装置以及时间延迟装置四部分组成。飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲经由分束镜分为泵浦光和探测光，利用光电导探测技术得到一个正比于太赫兹辐射场的瞬变电流。由于太赫兹时域信号大约在皮秒量级甚至更短，电流响应时间上升沿基本都在亚皮秒量级。因此，需要利用等效时间采样技术提取太赫兹时域电场信号的横纵轴，其横轴是通过可变时间延迟装置改变探测光和泵浦光的光程差，经光程差计算得到一系列的等效采样间隔(太赫兹波在不同时刻的飞行时间)。其纵轴是太赫兹辐射的瞬变电流幅值。

3、对于普通的机械延迟线可以利用上述方式进行横轴匹配，但是对于渐开线式、高速旋转式等时间延迟装置，其结构较为复杂，难以通过光程差计算公式获得太赫兹时域信号的横轴实现横轴匹配。因此，本发明提出一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法。

技术实现思路

1、为了解决复杂时间延迟装置获得的太赫兹时域信号横轴难以匹配的问题，本发明提供了一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，减少太赫兹时域信号采集的横轴匹配难度，可以实现多种不同时间延迟系统的太赫兹时域信号采集，提高了太赫兹时域信号横轴匹配的精度。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，包括以下步骤：

4、步骤一、利用太赫兹时域光谱系统获得待测材料的太赫兹时域信号，获得太赫兹时域信号采样点数；

5、步骤二、从太赫兹标准数据库中获取待测材料的标准频域信号，获得材料的多个吸收峰以及各吸收峰位置；对实测太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换获得测试的频域信号；

6、步骤三、设定时域信号的等效采样间隔为优化目标，将测试的频域信号与标准频域信号的全部吸收峰差值的和作为误差函数并设定误差函数收敛条件；

7、步骤四、通过随机优化算法优化误差函数，直至误差函数达到收敛条件，输出优化后的时域等效采样间隔；

8、步骤五、通过优化后的时域等效采样间隔，计算获得频域等效采样范围，结合采样点数，获得匹配后的时、频域横轴。

9、进一步地，所述步骤二的具体过程为：

10、从太赫兹标准数据库中获取待测材料的标准频域信号，获得材料的m，m＞3个吸收峰位置psta(m)；利用以下公式对实测太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换获得测试的频域信号：

11、e(f)＝f(e(t))

12、其中，f为快速傅里叶变换；e(t)为待测材料的太赫兹时域信号。

13、进一步地，所述步骤三的具体过程为：

14、3.1根据时域等效采样间隔τsample和采样点数n，获得频域等效采样范围为τs′ample＝1/(2·τsample)，同时可获得频域横轴为

15、3.2获得测试频域信号m个对应吸收峰位置的对应采样点数并获取其吸收峰横轴位置ptest(m)；

16、3.3利用以下公式计算测试频域信号和标准频域信号的m个对应吸收峰差值的和，作为误差函数，设定误差函数收敛条件：

17、

18、更进一步地，所述步骤五的具体过程为：

19、通过优化后的时域等效采样间隔τbest，计算获得频域等效采样范围τb′est＝1/(2·τbest)，结合采样点数n，利用以下公式计算获得匹配后的时域横轴xtime-domain和频域横轴xfrequency-domain：

20、xtime-domain＝(0,τbest,2τbest,3τbest,...,nτbest)

21、

22、在此基础上获得吸收峰匹配后的时域信号及频域信号。

23、本发明具有以下有益效果：

24、本发明利用标准数据库的材料吸收峰进行太赫兹时域信号横轴匹配，解决了复杂时间延迟系统采集的太赫兹时域信号横轴难以配准的问题，减少太赫兹时域信号采集的横轴匹配难度，可以实现多种不同时间延迟系统的太赫兹时域信号采集，为太赫兹时域信号相干探测提供基础。

25、本发明利用随机优化算法对时域等效采样间隔进行优化，解决了人为匹配等效采样间隔的问题，通过误差函数的设置，减少了人为误差的引入，提高了太赫兹时域信号横轴匹配的精度。

26、本发明不仅可利用材料(包括硅、石英等材料)进行太赫兹时域信号横轴匹配，也可利用气体的吸收峰(包括水蒸气、一氧化碳等气体)进行横轴匹配，可在多种太赫兹系统中使用，实用性强，适用范围广。

技术特征：

1.一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

3.如权利要求1所述的一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

4.如权利要求3所述的一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：

技术总结
本发明公开了一种基于材料吸收光谱的太赫兹时域信号横轴匹配方法，利用太赫兹时域光谱系统获得待测材料的太赫兹时域信号，获得太赫兹时域信号采样点数；从太赫兹标准数据库中获取待测材料的标准频域信号，获得材料的多个吸收峰以及各吸收峰位置；对实测太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换获得测试的频域信号；设定时域信号的等效采样间隔为优化目标，将测试的频域信号与标准频域信号的全部吸收峰差值的和作为误差函数并设定误差函数收敛条件；通过随机优化算法优化误差函数，直至误差函数达到收敛条件，输出优化后的时域等效采样间隔；通过优化后的时域等效采样间隔，计算获得频域等效采样范围，结合采样点数，获得匹配后的时、频域横轴。

技术研发人员：张霁旸,陈奇,薛竣文,李丽娟,任姣姣,顾健,张丹丹,牟达
受保护的技术使用者：长春理工大学中山研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12