一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提高太赫茲頻譜分辨率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及非平穩(wěn)信號處理領(lǐng)域，特別涉及太赫茲時頻信號的處理。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（terahertz，THz)波通常是指頻率在0.l~10THz范圍內(nèi)的電磁波，處于 宏觀電子學和微觀光子學之間的過渡區(qū)域。太赫茲時域信號通過傅里葉變換將變換到頻 域，計算出折射率和吸收系數(shù)等物理參數(shù)，可以表征和鑒別物品種類和質(zhì)量，并可得到其他 手段無法獲取的物理和化學信息。
[0003] 頻域分辨率是指頻域兩個相鄰頻率點之間的間隔，對于非周期信號，一般采樣時 間越長，頻域分辨率越高；如果頻域分辨率過低將不能反映頻域譜的精細程度，影響后續(xù)對 物質(zhì)的鑒別。太赫茲測量信號中反射峰的存在使得實際可利用的時域信號長度有限，從而 影響頻域分辨率，因此反射峰的處理是非常必要的。
[0004] 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EmpiricalModeDecomposition，EMD)是 1998 年由Huang提出的 自適應(yīng)時頻分析方法，經(jīng)過十幾年的研宄與發(fā)展，EMD算法逐步形成了獨立的理論體系；作 為一種新的數(shù)據(jù)分析方法，EMD在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號的分解，尤其在處理非 平穩(wěn)、非線性數(shù)據(jù)上具有非常明顯的優(yōu)勢，特別適合處理含有反射峰的太赫茲時域信號。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提高太赫茲頻譜分辨率的方 法，通過找出時域信號反射峰的上下包絡(luò)、求平均值、獲取本征模函數(shù)（Intrinsicmode functions，IMF)及用IMF替代反射峰來去除反射峰的影響，從而提高頻域分辨率。通過本 方法可以證明，基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的方法提高太赫茲頻譜分辨率是切實可行的。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提高太赫茲頻譜分辨率的方 法，主要包括六個步驟： 步驟1，獲取參考信號和測量信號主峰及反射峰起止點。分別獲取參考信號和測量信號 主峰及反射峰的起始點和終止點對應(yīng)的時間； 步驟2,提取出各個反射峰。分別提取參考信號和測量信號各個反射峰的起始點和終止 點的位置； 步驟3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF。對步驟2中獲得的各個反射峰，依次利 用EMD方法分解出與其對應(yīng)的MF; 步驟4,獲得處理后的THz時域信號。依次用分解出的各個MF替代處理前的反射信 號，獲得處理后THz時域信號； 步驟5,計算頻譜分辨率； 步驟6,比較處理前后的吸收譜。通過傅里葉變換獲得參考信號和測量信號幅度譜和相 位譜，計算處理前后的吸收系數(shù)，與真實的THz吸收譜進行比較。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發(fā)明的參考信號處理前后THz時域光譜比較圖 圖2為本發(fā)明的測量信號處理前后THz時域光譜比較圖 圖3為本發(fā)明的處理前的THz吸收譜圖 圖4為本發(fā)明的EMD處理后的THz吸收譜圖 圖5為本發(fā)明的真實的THz吸收譜圖 圖6為本發(fā)明的處理前、EMD處理后及真實的THz吸收譜比較圖。
【具體實施方式】
[0008] 以下將對本發(fā)明的基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提高太赫茲頻譜分辨率的方法結(jié)合實例作 進一步的詳細描述。為了更好的體現(xiàn)本發(fā)明，在本實例中僅以空氣中水蒸汽的透射頻譜分 辨率提高為例進行說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該熟知，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想可以實現(xiàn)多 種物質(zhì)的太赫茲頻譜分辨率的提高。以下對通過EMD提高太赫茲頻譜分辨率（以空氣中水 蒸汽的太赫茲吸收譜為例，參考樣本為空氣中8. 5%濕度時的水蒸汽，測量樣本為空氣中 49%濕度時的水蒸汽）的方法進行詳細說明。
[0009] 根據(jù)
【發(fā)明內(nèi)容】
可知道本發(fā)明一共包含6個步驟。
[0010] 步驟1，獲取參考信號和測量信號主峰及反射峰起止點。利用峰值查找方法得到 主峰谷點對應(yīng)時間tvO和峰值點對應(yīng)時間tpO,tvO往前推20個點即主峰起始點對應(yīng)時間tsO,tpO往后推20個點即主峰終止點對應(yīng)的時間teO。然后將主峰信號與后面的信號進行 互相關(guān)，可得到第一反射峰起始點對應(yīng)時間tsl、終止點對應(yīng)時間tel，第二反射峰起始點 對應(yīng)時間ts2、終止點對應(yīng)時間te2,以此類推。
[0011] 步驟2,提取出各個反射峰。根據(jù)步驟1得到的各個時間，利用時間除以采樣間隔 分別找到第一反射峰起始點nsl、終止點nel，第二反射峰起始點ns2、終止點ne2。nsl到 nel之間的信號為第一反射峰信號，ns2到ne2之間的信號為第二反射峰信號，以此類推。
[0012] 步驟3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF。根據(jù)步驟2中獲得的各個反射信號， 依次利用EMD方法分解出與其對應(yīng)的IMF; 以第一反射峰為例(其他反射峰所用方法與之相同)，具體步驟如下： (1) 尋找第一反射峰信號的所有局部極大值點、局部極小值點； (2) 通過三次樣條插值擬合極值點得到上包絡(luò)線和下包絡(luò)線人使得 滿足：
【主權(quán)項】
1. 一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解提高太赫茲頻譜分辨率的方法，主要包括六個步驟： 步驟1，獲取參考信號和測量信號主峰及反射峰起止點；分別獲取參考信號和測量信 號主峰及反射峰的起始點和終止點對應(yīng)的時間； 步驟2,提取出各個反射峰；分別提取參考信號和測量信號各個反射峰的起始點和終 止點的位置； 步驟3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF;對步驟2中獲得的各個反射峰，依次利用EMD方法分解出與其對應(yīng)的MF; 步驟4,獲得處理后的THz時域信號；依次用分解出的各個MF替代處理前的反射信 號，獲得處理后THz時域信號； 步驟5,計算頻譜分辨率； 步驟6,比較處理前后的吸收譜；通過傅里葉變換獲得參考信號和測量信號幅度譜和 相位譜，計算處理前后的吸收系數(shù)，與真實的THz吸收譜進行比較。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中提高太赫茲頻譜分辨率的對象包括水蒸汽、炸藥、 生物樣品等所有能夠測量太赫茲時域光譜的物質(zhì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟1中獲取各峰值對應(yīng)時間，主峰谷點對應(yīng)時 間為tvO,峰值點對應(yīng)時間為tpO,主峰起始點對應(yīng)時間為tsO,主峰終止點對應(yīng)的時間teO， 通過主峰與后面的信號進行互相關(guān)，得到第一反射峰起始點對應(yīng)時間tsl、終止點對應(yīng)時間 tel，第二反射峰起始點對應(yīng)時間ts2、終止點對應(yīng)時間te2,以此類推。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟2中提取出各個反射峰，需要反射峰的具體位 置，具體的方法是根據(jù)步驟1得到的各個時間，利用時間除以采樣間隔分別找到第一反射 峰起始點nsl、終止點nel，第二反射峰起始點ns2、終止點ne2 ;nsl到nel之間的信號為 第一反射峰信號，ns2到ne2之間的信號為第二反射峰信號，以此類推。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟3利用EMD方法分解出各反射峰的IMF，是對 步驟2中獲得的各個反射峰，依次利用EMD方法分解出與其對應(yīng)的IMF。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟4獲得處理后THz時域信號，是利用權(quán)利要求 1所述中步驟3分解出的最后一個頂F，來替代處理前的反射信號，從而獲得處理后的THz 時域信號。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）提高太赫茲頻譜分辨率的方法。通過找出太赫茲時域信號的反射峰上下包絡(luò)、求平均值和獲取本征模函數(shù)(Intrinsic mode functions，IMF)并替代反射峰來去除反射峰的影響，從而提高頻域分辨率。本方法包括如下步驟：步驟一，獲取各個峰起止點對應(yīng)的時間；步驟二，提取出各個反射峰；步驟三，利用EMD方法分解出各反射峰的IMF；步驟四，獲得處理后太赫茲時域信號；步驟五，計算頻譜分辨率；步驟六，比較處理前后的吸收譜。該方法能準確去除時域信號的反射峰，同時能夠有效提高太赫茲吸收譜的分辨率。
【IPC分類】G01N21-3586
【公開號】CN104764714
【申請?zhí)枴緾N201510181784
【發(fā)明人】李小霞, 盧敏, 尚麗平
【申請人】西南科技大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月17日