太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术.pdf

文章编号：1002-2082(2023)05-1068-05太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术马世帮1，李栋2，解琪1，李宏光1，张灯1，储隽伟1，孙宇楠1（1.西安应用光学研究所，陕西西安710065；2.陆装航空局洛阳室，河南洛阳471000）摘摘 要：要：光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题，介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理，比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点，并优选其中一种方法，设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的 1/M 对应的频率范围作为光谱范围，研究了M 取值对光谱范围的影响。M 值越大，则光谱范围越宽。当 M 值50 时，光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义，并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号，以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声，从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验，采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度50%时，对光谱范围和时域信噪比影响不大；当相对湿度50%时，因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，光谱范围和信噪比急剧缩小。关键词：关键词：太赫兹；时域；光谱仪；光谱范围；信噪比中图分类号：TN98文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0503002Calibration technology for spectral range and signal-to-noise ratio ofterahertz time-domain spectrometerMAShibang1，LIDong2，XIEQi1，LIHongguang1，ZHANGDeng1，CHUJunwei1，SUNYunan1（1.XianInstituteofAppliedOptics,Xian710065,China；2.MilitaryRepresentativeOrganizationoftheArmyAviationinLuoyangDistrict,Luoyang471000,China）Abstract：Spectralrangeandsignal-to-noiseratio(SNR)areimportantparameterstoevaluatetheperformanceofterahertztime-domainspectrometer(TDS).TosolvethecalibrationproblemsofspectralrangeandSNRforTDS,the composition and principle of TDS were introduced.The advantages and disadvantages of thecommonly-usedcalibrationmethodswerecompared,andoneofthemethodswasselectedtodesigntheparametercalibrationmethodofterahertztime-domainfrequency-domainSNR.Thefrequencyrangecorrespondingto1/Mofthemaximumamplitudeofsignalinthefrequencydomainwastakenasthespectralrange,andtheinfluenceofMvalueonspectralrangewasstudied.ThelargertheMvalue,thewiderthespectralrange.WhenMvaluewasgreaterthanorequalto50,thespectralrangechangedlittle.Thesignalandnoiseofthetime-domainsignalweredefined,andthetime-domainSNRwascalculated.Usingthefrequency-domainpowerspectrumofairasthesignal,thefrequency-domainpowerspectruminthelightpathcoveredbymatalplatewastakenasthenoise,andthefrequency-domainSNRwascalculated.ThecalibrationexperimentsofspectralrangeandSNRwerecarriedout,andtheinfluenceofhumidityvariationonspectralrangeandSNRparametersofTDSwasstudiedbycontrastmethod.Whentherelativehumiditywaslessthanorequalto50%,theinflu-enceonspectralrangeandtime-domainSNRwasnotobvious.Whentherelativehumiditywasgreaterthan50%,becausetheabsorptionofwatervaporincreasedsharply,thespectralrangeandSNRdecreasedsharply.Key words：terahertz；timedomain；spectrometer；spectralrange；signal-to-noiseratio收稿日期：2022-05-20；修回日期：2022-09-14基金项目：装备发展部计量项目（Y1951）作者简介：马世帮（1984），男，硕士，高级工程师，主要从事光学计量与测试研究。E-mail：第44卷第5期应用光学Vol.44No.52023年9月JournalofAppliedOpticsSep.2023引言太赫兹时域光谱仪是火炸药、生化战剂等材料进行特征光谱测量的核心仪器，广泛应用于目标识别、危险品成分鉴别、穿透探测等军事应用领域1-5。信噪比参数和光谱范围参数是太赫兹时域光谱仪的关键技术指标参数6-8，目前已具备太赫兹时域光谱仪特征光谱、线性度和透射比参数的计量能力。但由于光谱范围和信噪比参数存在着名称术语和指标定义不统一的问题，导致太赫兹名称术语常常被混用，从而引起仪器性能评价的误解。太赫兹时域光谱仪光谱范围的定义不明确，导致同一台仪器使用不同方法进行光谱范围测量的结果相差很大。光谱范围的定义方式主要有两种9，一是在频谱数据中，以超过 N 倍噪声限的频谱数据对应的上下限频率为光谱范围；二是在频谱数据中，以超过 1/M 频谱数据最大值的频谱数据对应的上下限频率为光谱范围，M 取值为 1080。信噪比是反映太赫兹光谱仪计量性能的关键指标10-12，信噪比差的光谱仪很容易将噪声尖峰误判为特征光谱13-14。目前缺乏太赫兹信噪比测量和评价的统一方法，各种商用太赫兹光谱仪的测量结果无法准确统一。当前，太赫兹光谱仪存在几种不同的信噪比名词术语。如美国俄克拉荷马州立大学把主要信号段最大值定义为信号，信号前段峰峰值的1/2定义为噪声。首都师范大学把主要信号段峰峰值定义为信号，信号前段均方差定义为噪声15。不同术语之间的混用造成结果相差几个量级，严重影响太赫兹光谱仪性能判断。因此，有必要统一太赫兹光谱仪信噪比定义方法，使不同系统具有可比性。信号计算分为两种，分别是最大值和峰峰值，对于信号值的评估采用峰峰值更合理。综上，需要研究太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术，统一光谱范围和信噪比指标定义，解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准难题，从而实现太赫兹时域光谱仪的量值统一。1 太赫兹时域光谱仪的分类和组成太赫兹时域光谱仪按照不同的时间延迟方式，可分为机械延迟式时域光谱仪和异步采样式时域光谱仪。其中，机械延迟式时域光谱仪组成框图如图 1 所示。计算机氮气屏蔽罩样品室泵浦光路探测光路飞秒激光器分束器时域延迟系统太赫兹发射模块准直镜1准直镜2会聚镜带孔会聚镜太赫兹弱信号处理系统太赫兹探测模块图 1 机械延迟式时域光谱仪组成框图Fig.1 Composition block diagram of mechanical delayedtime-domain spectrometer机械延迟式时域光谱仪主要由飞秒激光器、分束器、时域延迟系统、太赫兹发射模块、准直镜1、会聚镜、样品室、准直镜 2、带孔会聚镜、太赫兹探测模块、太赫兹弱信号处理系统和计算机组成。飞秒激光器的出射激光经分束器分为两束，一束作为泵浦光路，另一束作为探测光路。其中，泵浦光谱经时域延迟系统产生时间延迟之后入射至太赫兹发射模块，太赫兹发射模块经准直和汇聚后进入样品室之中，穿过样品，携带被测样品信息的太赫兹波经准直镜 2 准直并经带孔反射镜反射之后，入射至太赫兹探测模块。另一束太赫兹探测光路穿过带孔反射镜之后，也入射至太赫兹探测模块。探测光路和携带样品信息的泵浦光路同时入射至太赫兹探测模块，太赫兹弱信号处理系统对太赫兹探测模块的输出信号进行放大滤波，并采集太赫兹弱信号处理系统随不同延迟时间下的信号曲线，即可得到太赫兹时域光谱仪的时域信号。经傅里叶变换之后，即可得到频谱信息。异步采样式时域光谱仪组成框图如图 2 所示。计算机氮气屏蔽罩样品室泵浦光路探测光路飞秒激光器 1飞秒激光器 2太赫兹发射模块准直镜1准直镜2会聚镜带孔会聚镜太赫兹探测模块太赫兹弱信号探测系统图 2 异步采样式时域光谱仪组成框图Fig.2 Composition block diagram of asynchronous sam-pling time-domain spectrometer不同于机械延迟式时域光谱仪，异步采样式时域光谱仪利用 2 台重频不同的飞秒激光器替换了机械延迟式时域光谱仪的飞秒激光器、分束器和时域延迟系统。通过 2 个激光器的重频之差，实现应用光学2023，44（5）马世帮，等：太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术1069了泵浦光和探测光的时间延迟15。2 光谱范围和信噪比校准方法2.1 光谱范围校准方法对于定义方式一，由于噪声限不好确定，不同的噪声限确定方式对于光谱范围的影响很大，故排除该方法；对于定义方式二，频谱数据的最大值很容易确定，因此最终选择定义方式二作为光谱范围的测量依据。太赫兹时域光谱仪光谱范围示意图如图 3所示。以超过频谱数据最大值 1/M 的频谱数据作为光谱范围，其中 M 取 1080。光谱范围相对光谱强度最大值最大值/M123401.00.80.60.40.2频率/THz图 3 太赫兹时域光谱仪光谱范围示意图Fig.3 Schematic diagram of spectral range for THz time-domain spectrometer2.2 信噪比校准方法太赫兹时域光谱仪的信噪比分为时域信噪比和频域信噪比。时域信噪比可以反映时域光谱仪时域信号的信噪比水平，但不能反映每个频点下的信噪比水平；频域信噪比不仅可以反映不同频率下的信噪比水平，还可以反映不同频点的信噪比。1）时域信噪比校准原理太赫兹脉冲时域信号如图 4 所示。其中 a 段为信号前段，其波动由噪声引起；b 段为主要信号段，集中了 THz 信号的绝大部分能量；c 段为信号衰减部分，THz 信号能量很少。由于频谱的可靠分辨率完全取决于 c 段所取的长度，因此太赫兹时域脉冲信号的采集时间主要是在 c 段。将图 4 中的b 段峰峰值定义为信号，a 段均方差定义为噪声。由此可以得到太赫兹时域光谱时域信噪比计算公式：RSN=20 log10(SmaxSminN)（1）Smax式中：为时域脉冲信号的最大值，即 b 段信号SminN的最大值；为时域脉冲信号的最小值，即 b 段信号的最小值；为时域信号噪声的均方根值，即a 段信号的均方根值。a段b段c段108642240幅值/(a.u.)13.012.812.612.412.212.011.8位置/mm109图 4 太赫兹时域光谱信号Fig.4 THz time-domain spectral signal2）频域信噪比校准原理PSPN不放入样品，利用时域光谱仪测量时域信号曲线，对采集的时域信号进行傅立叶变换，得到此时的信号功率谱曲线；将金属板移入样品室，利用时域光谱仪测量时域信号曲线，对采集的时域信号进行傅立叶变换，得到此时的噪声功率谱曲线；利用式（2）计算频域信噪比曲线 RSN：RSN=10 logPSPN（2）PSPN式中：RSN为频域信噪比；为信号功率谱曲线；为噪声功率谱曲线。3 实验3.1 光谱范围实验以日本爱德万公司的异步采样时域光谱仪作为被校对象，型号为 TAS-7500TS。对空测时域信号进行处理，得到光谱范围。当光路内相对湿度为 5%、且 M 取值不同时，光谱范围的校准结果如表 1 所示。表 1 不同 M 值的光谱范围校准结果Table 1 Calibration results of spectral range with differentM valuesM值光谱范围/THz100.112.83200.093.23300.093.42400.083.58500.083.63600.083.63700.083.64800.083.681070应用光学第44卷第5期由表 1 可以看出，M 值越大，光谱范围就越宽。当 M 值50 时，光谱范围变化不大，因此建议 M取值 50。当 M 取值 50 时，不同湿度环境下的光谱范围校准结果如表 2 所示。表 2 不同湿度环境下的光谱范围校准结果Table 2 Calibration results of spectral range with differenthumidity相对湿度/%光谱范围/THz50.083.68100.083.65150.083.62200.083.61250.083.57300.083.56350.083.54400.083.52450.083.50500.083.48600.082.61700.081.42由表 2 可以看出，相对湿度越小，光谱范围就越宽。当相对湿度50%时，相对湿度对于光谱范围影响不大；当相对湿度50%时，由于空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，所以光谱范围急剧缩小。因此在使用太赫兹时域光谱仪时，建议将光路内的相对湿度保持在 50%及以下。3.2 时域信噪比实验以日本爱德万公司的异步采样时域光谱仪作为被校对象，型号为 TAS-7500TS。对空测时域信号进行处理，得到时域信噪比。不同湿度环境下的时域信噪比校准结果如表 3 所示。表 3 不同湿度环境下的时域信噪比校准结果Table 3 Calibration results of signal-to-noise ratio in timedomain with different humidity相对湿度/%时域信噪比/dB569.61069.41569.32069.12568.83068.63568.54068.44568.25067.76022.4705.4由表 3 可以看出，相对湿度越小，时域信噪比就越大。当相对湿度50%时，相对湿度对时域信噪比的影响不大；当相对湿度50%时，由于空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，所以时域信噪比急剧缩小。因此在使用太赫兹时域光谱仪时，建议将光路内的相对湿度保持在 50%及以下。3.3 频域信噪比实验以日本爱德万公司的异步采样时域光谱仪作为被校对象，型号为 TAS-7500TS。对空测时域信号进行处理，得到信号功率谱曲线。将金属板放入泵浦光路，对测得的时域信号进行处理，得到噪声功率谱曲线。当光路内的相对湿度为 5%时，得到频域信噪比曲线如图 5 所示。频率/THz020406080204060频域信噪比/dB00.40.81.21.00.60.21.62.0 2.2 2.42.8 3.02.61.81.4图 5 频域信噪比曲线Fig.5 Signal-to-noise ratio curve in frequency domain由表 5 可以看出，当频点从 0.1THz 变化至0.2THz 时，该时域光谱仪的频域信噪比迅速增加，之后增速变缓，待增加至 1.4THz 之后，该时域光谱仪的频域信噪比开始缓慢减小。另外，频域信噪比的最大值为 70dB 左右，和时域信噪比的最大值接近。4 结论比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点，并优选其中一种方法，设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。研究了 M 取值对光谱范围的影响，M 值越大，光谱范围就越宽。当 M 值50 时，光谱范围变化不大，因此在光谱范围校准时建议 M 取值 50。同时研究了光路内相对湿度变化对于光谱范围和时域信噪比的影响，相对湿度越小，时域信噪比越大，光谱范围就越宽。当相对湿度50%时，相对湿度对于光谱范围和时域信噪比的影响不大；当相对湿度50%时，因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，光谱范围和时域信噪比急剧缩小。此外，完成了频域信噪比校准实验，得到了频域信噪比曲线，应用光学2023，44（5）马世帮，等：太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术1071频域信噪比曲线的最大值和时域信噪比接近。在太赫兹时域光谱实验中，光路中的相对湿度必须50%，才能使时域光谱仪处在比较良好的工作状态之下。光路内相对湿度变化对光谱范围和时域信噪比的影响研究结论，对于太赫兹时域光谱仪的使用、太赫兹光谱仪相关标准的制定具有重要的指导意义。参考文献：黄秋萍,蔡宏磊,陆亚林.高性能和强扩展性的太赫兹时域光谱仪的研制J.分析测试技术与仪器，2019，25（2）：86-92.HUANGQiuping,CAIHonglei,LUYalin.Developmentofterahertztime-domainspectroscopewithhighperform-anceandexcellentexpandabilityJ.AnalysisandTest-ingTechnologyandInstruments，2019，25（2）：86-92.1冯美琦,孙青,邓玉强,等.激光偏振态对光纤型太赫兹时域光谱仪的影响J.中国激光，2019，46（6）：218-223.FENGMeiqi,SUNQing,DENGYuqiang,etal.Influ-enceoflaserpolarizationonfiber-typeterahertztime-do-mainspectrometerJ.ChineseJournalofLasers，2019，46（6）：218-223.2于东钰,杨鸿儒,李宏光.太赫兹微弱信号检测系统噪声处理方法研究J.应用光学，2012，33（6）：1101-1104.YU Dongyu,YANG Hongru,LI 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