时间-频率联合分析消除太赫兹光谱干涉

基于Fourier变换的传统太赫兹时域光谱分析技术从不同长度的太赫兹信号中产生了不一致的光谱结果,增加太赫兹时域采样长度又会造成光谱的干涉,不利于太赫兹光谱测量的研究和应用。应用小波变换方法对太赫兹波谱作时间—频率联合分析,将不同时刻的太赫兹波谱展开到二维的时间-频率平面,消除了光谱分析的不一致性和光谱干涉的影响。     

小波变换在太赫兹三维成像探测内部缺陷中的应用

采用Syn View Head 300对内部有胶和空气孔的样件进行了太赫兹二维扫描(xy轴方向),系统通过线性调频连续波技术得到样件内部的三维信息.检测薄层时,由于太赫兹源的波长在亚毫米量级,薄层的上下表面反射峰相距太近而难以辨别.为了提高太赫兹探测的纵向分辨率,采用小波变换对探测信号进行处理,对小波系数进行三维重构,获得的三维小波系数图像比原始三维探测信号更加精确.该方法有效提高了太赫兹成像的纵向检测精度,纵向分辨率可达1 mm.     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测

利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)晶体,通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测.高效生成了近红外上转换光,采集到其脉冲包络和光谱,获得了ns量级的时间分辨率,并换算太赫兹波的频率,实现了对太赫兹信息的全面表征.与商用高莱探测器相比,上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级;在可探测频率3.15—29.82 THz范围内,响应度普遍高2—3个数量级.结果表明:室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器,极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围,使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.     

基于太赫兹脉冲加速及扫描电子束的高时间分辨探测器

与传统条纹相机加速和偏转电子束的方法相比,太赫兹强场的加速梯度和扫描偏转梯度有明显优势,具备实现飞秒级超高时间分辨的能力.本文基于这一新技术设计了一款基于太赫兹场操控电子束的超小型高时间分辨探测器.从理论上分析了加速区的时间弥散与电子脉冲发射时刻以及初始时间弥散的关系,并讨论了空间电荷效应对时间弥散的影响;设计并优化了加速区和偏转区的太赫兹脉冲耦合增强装置,太赫兹脉冲电场在该装置中的增强系数最高可达9.39.最终通过计算和分析本探测器的时间弥散,得到了时间分辨率优于50 fs的结果.     

Hilbert-Huang变换分析THz脉冲信号的时频特性

提出一种基于Hilbert-Huang变换的THz时域光谱分析方法,将THz时域脉冲信号分解成有限数目的单分量信号之和,利用Hilbert变换求得瞬时频率来获得幅值的时频分布——Hilbert-Huang变换谱,实现了通过水蒸气的THz脉冲信号的时频分析,揭示了THz波与水蒸气相互作用的频谱时域分布特性,并与基于小波变换的时频图进行了对比分析。结果表明,该方法可以同时提高THz脉冲时频分布的时间分辨率和频率分辨率,具有局部化分析和自适应选择的特点,还能直观地表现出各频率成分之间的相对时间延迟。     

基于经验模态分解提高太赫兹频率分辨率的方法

太赫兹频率分辨率是影响物质鉴别的重要因素,但是由于太赫兹时域光谱系统中存在器件反射,使得参考信号和测量信号出现多个反射峰,时域信号长度截断导致频率分辨率很低。为了去除反射峰的影响,提出基于经验模态分解去除时域反射峰,从而提高太赫兹频率分辨率的方法。通过与太赫兹主峰的互相关定位时域反射峰,计算反射峰的上下包络和求平均值,获取本征模函数并代替反射峰,增加时域信号有效长度,提高太赫兹频域分辨率。空气中水蒸汽的太赫兹透射谱实验结果表明,该方法具有自适应去除多个反射峰的能力,对太赫兹时域信号修复效果良好,频率分辨率提高了12倍,而且未丢失有用的吸收谱信息,吸收峰的位置和个数与真实谱一致,很好地保留了太赫兹谱的鉴别能力。     

小波变换及其应用

傅里叶变换是信号分析的最基本工具和方法之一,但其本身仍然存在较大的缺陷,例如不能提供信号在时域上的特征.短时傅里叶变换虽然可以在一定程度上弥补该缺陷,但是它的频率分辨率和时间分辨率都十分有限,只是一种折衷的解决办法.小波变换是一种快速发展和比较流行的信号分析方法,它精确地揭示了信号在时间和频率方面的分布特点,可以同时分析信号在时域和频域中的特征,并可用多种分辨率来分析信号,实现信号的有损和无损传送.文章简要地回顾了小波变换的发展历史,介绍了小波变换的基本思想、主要概念、计算方法和计算流程.最后以四个典型的实例,展示了小波变换在现代工程中的应用和它独特的优势.     

相位补偿算法对提高太赫兹雷达距离像分辨率的研究

介绍了0.2 THz频率步进雷达系统以及获得一维距离像的方法,并利用0.2 THz雷达对角反射器进行距离像分辨率实验,分析了频率步进信号相位不一致对一维距离像以及分辨率的影响,提出了回波相位补偿的方法.经过相位补偿后,目标距离像分辨率和信噪比都显著提高,分辨率达到了厘米量级.仿真和实验结果表明,宽带太赫兹频率步进雷达经过相位补偿,可以对目标进行高分辨率成像,从而为太赫兹雷达二维和三维成像奠定了基础.     

0.14THz高功率太赫兹脉冲的频率测量

提出了采用截止波导法与谐波混频法相结合的方式,进行0.14THz高功率短脉冲的频率测量.首先将两个截止频率分别为0.125和0.15THz的非标准矩形波导作为接收端,通过截止波导滤波法获得了太赫兹辐射源的频率范围.然后根据已知的频率范围,将本振频率选择为15—20GHz,则谐波混频的谐波次数确定为8.随后的Ka波段的脉冲测试和0.14THz连续波测试表明,该8次谐波混频器可用于0.14THz脉冲的混频测量.最后,0.14THz脉冲频率测量实验给出了太赫兹辐射源的准确频率为0.1465THz.该方法大大降低了对本振信号的频率要求,且结果准确可信,为长波段太赫兹脉冲的频率测量提供了一种新的思路.     

Shape selection of wavelets for accurate chromatic dispersion measurement of white-light spectral interferograms

The group delay of chirped mirrors can be directly read from the ridge of wavelet-transform of white-light spectral interferograms. In this paper, we investigate the influence of Gabor wavelet shaping factor on the precision of the group-delay dispersion extraction. The rule of selection of shaping factor is given for accurate chromatic dispersion measurement of chirped mirrors.     

THz波的小波变换频谱分析

将小波变换引入THz波时域光谱技术.将水蒸气的THz波时域信号通过小波变换转化为二维的时间-频率平面，得到了和文献报道数据相一致的水蒸气的吸收谱线.同时发现了THz波频谱的时域分布特性，这将有利于进一步研究THz波与物质相互作用的内在机理. 关键词： THz波 频谱分析 小波变换     

基于太赫兹光谱技术的光学系统设计及应用

太赫兹脉冲信号在频域上具有“指纹频谱”特性,利用该性质可以对物质进行定性分析。借助Zemax软件的光学分析与优化功能,设计了二次非球面TPX平凸透镜,提高了透镜对太赫兹波束的聚集能力;采用平凸透镜设计了太赫兹波束整形光学系统,并将该光学系统用于太赫兹时域光谱系统中,对盐酸莫西沙星和左氧氟沙星进行太赫兹光谱测试,经过算法处理后得到二者在频域上的吸收系数与折射率曲线。测试结果表明:左氧氟沙星的折射率在0.1 THz～3.5 THz波段要比盐酸莫西沙星高,但是盐酸莫西沙星的折射率变化更加平缓;盐酸莫西沙星在1.03 THz、1.92 THz、2.58 THz、2.84 THz处具有明显的吸收峰,左氧氟沙星在1.35 THz、1.96 THz、2.52 THz、2.73 THz处具有明显的吸收峰。     

基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

太赫兹时域光谱在邮件隐匿危险品检测中的应用

随着电子商务的快速发展,邮件数量剧增,在邮件中隐匿危险品已经成为犯罪分子重要的犯罪手段,威胁公共安全和社会稳定。邮件的安全检查变得尤为重要,而常规的检测技术不能准确识别危险品。太赫兹波是介于红外和微波之间的电磁波,邮件中隐匿的爆炸物、毒品和有害生物因子等在太赫兹波段存在特征吸收光谱,而邮件常用的非极性包装材料可以被太赫兹波穿透。太赫兹波还具有低能性、相干性等特性,这些特性使得太赫兹技术可以实现邮件隐匿危险品高灵敏度的无损检测。文章介绍了太赫兹技术的特性,太赫兹时域光谱系统的组成和获取光学常数的菲涅尔公式解析法。该方法通过样品透射或反射信号和参考信号来获取包括吸收光谱在内的材料参数。将样品的太赫兹特征吸收光谱和已建立的各种危险品的光谱特征数据库进行比对,可以判断是否为危险品以及危险品种类。对爆炸物、毒品在太赫兹波段的特征吸收光谱的研究成果,及在各种非极性材料遮挡下吸收光谱的特异性的研究进展进行了总结。获取吸收光谱的解析法适用于较厚样品,针对薄样品,还介绍了一种P-谱法。该方法不需要参考信号就能准确获取覆盖物下样品的吸收光谱。除直接利用吸收光谱做检测外,近些年还提出了很多其他识别危险品的方法,如光谱动力学分析法,化学计量学方法和基于太赫兹时域光谱的成像分析法等。其中,光谱动力学分析法可以很好的区分吸收频率有重叠的物质;化学计量学方法可以对混合物进行成分的定性和定量分析;光谱成像法可以完成较大面积的隐匿危险品识别。分析了太赫兹时域光谱技术识别有害生物因子的可行性,以及针对有害生物因子携带量小的特点,总结了太赫兹时域光谱技术在提高生物因子检测灵敏度方面的研究进展。探讨了太赫兹技术在邮件安检应用中一些有待解决的问题,如太赫兹功率有限、受环境因素影响较大、缺乏统一的标准等,展望了未来的发展趋势。     

Determination of Gabor wavelet shaping factor for accurate phase retrieval with wavelet-transform

We examined the range of shape factor of the Gabor wavelet in the analysis of spectral phase retrieval with an interferogram. We demonstrated that for the pulses with moderate high order phase the accuracy of the retrieved phase is insensitive to the shaping factor in the range of 1∼20. Both simulated ideal Gaussian spectrum and actual non-Gaussian spectrum are applied in the analysis. PACS 42.65.Re; 42.30.Rx     

Suppression of spectral interferences due to water-vapor rotational transitions in terahertz time-domain spectroscopy

Absorption lines of atmospheric water vapor are commonly present in terahertz spectra measured in ambient air. These spectral interferences are caused by the rotational transitions of water molecules. In this study, we develop an effective method for suppression of the water-vapor effects by modeling the absorption lines using Lorentzian line shape and spectroscopic parameters extracted from the HITRAN database and then subtracting them iteratively in the frequency domain. The free-space terahertz pulse and the absorbance spectrum of an explosive material are restored successfully in the experimental verification.     

太赫兹时域光谱技术在流体包裹体研究中的应用

流体包裹体是研究矿物晶体演化的重要手段之一,它能反映矿物演化最原始的信息(温度、压力、pH值等)。在演化过程中,温度压力等外界因素直接影响包裹体的数量和大小,从而影响晶体的各种性质。本文利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS),对不同生长温度下KCl晶体内部的包裹体进行了检测,得到了样品的时域、频域和吸收系数曲线,并通过显微镜观察、计算得到了样品内部包裹体的面积,建立了包裹体面积和吸收系数的对应关系模型。通过对样品的吸收系数和样品内部包裹体面积的对比,可以看出二者具有相同的变化趋势,即晶体内部包裹体面积越大,THz吸收系数越大,说明THz吸收系数可以反映不同生长温度的晶体内部包裹体面积的变化情况,解析包裹体面积对太赫兹光学参数的影响,为流体包裹体的研究提供了一种新的有效途径。该研究创新点在于利用THz-TDS快速检测晶体内部包裹体面积的变化情况,说明了太赫兹技术完全可以用于包裹体的研究中,为包裹体的研究提供了一种全新的快速、无损的检测方法。     

All-semiconductor room-temperature terahertz time domain spectrometer

We report what we believe to be the first demonstration of an all-semiconductor room-temperature terahertz time domain spectrometer. An optical Stark mode-locked vertical-external-cavity surface-emitting laser with 480 fs pulses at 1044 nm was used to illuminate low-temperature-grown photoconductive antennae with 5 mum-gap bow-tie-shaped electrodes. The coherently detected spectrum has a bandwidth close to 1 THz, in which water absorption lines at 0.555 and 0.751 THz can be resolved.