基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法和装置，所述方法包括：产生调频信号、调相信号及跳频序列信号；基于所述调频信号生成脉冲压缩编码调制信号；将所述脉冲压缩编码调制信号引入分离装置进行分离，然后进行检测；将检测后获得的调制信号对所述脉冲压缩编码调制信号进行匹配滤波、失配滤波或自适应滤波而实现脉冲压缩，得到谱图。本发明专利技术的技术方案能够提高分辨率和信噪比，减小信号旁瓣对谱图的干扰，提高离子迁移谱的性能。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法和装置
本专利技术涉及化合物高灵敏度快速定性和定量分析方法，尤其涉及一种基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法和装置。
技术介绍
大气压下离子迁移率谱(AmbientPressureIonMobilitySpectrometry，AP-IMS)又称离子淌度谱，是在大气压下离子与中性气体分子发生低能量碰撞而进行分离的一种分析方法，具有结构简单，稳定可靠，灵敏度高，分析速度快，分析成本低等特点。目前，离子迁移谱主要应用于机场、车站等安检场合，在易制毒化学品的检测，化学战试剂的检测等方面得到了广泛应用。与色谱仪及质谱仪结合，离子迁移谱在食品安全、药物分析、环境监测、代谢组学等领域的应用越来越广泛。离子迁移谱通常由离子源、离子门、迁移分离区和检测器组成。固体、液体或气体样品在离子源中电离产生离子，常用的离子源包括放射电离源，紫外光电离源，场致电离，电晕放电，介质阻挡放电，电喷雾电离等方式。离子在电场的驱使下通过周期性开启的离子门进入漂移区，并在与逆流漂移的中性气体分子不断碰撞。由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子根据碰撞截面积及所携带电荷不同而得到分离并先后到达收集极被检测。因此通过测量迁移时间就可确定分析目标物质的存在，而应用峰面积或峰高可确定相应物质的浓度。影响离子迁移谱性能的主要因素包括灵敏度和分辨率两个方面。传统的离子迁移谱的工作模式是周期性打开离子门引入一个离子脉冲，通常为一个矩形脉冲。为了引入更多的离子以增大测量的信噪比进而降低最小检出限，增大脉冲的宽度是一个有效的途径，但受到离子迁移谱分辨率的制约。离子迁移谱的分辨率取决于测量条件下离子的热力学扩散及离子脉冲的宽度，在热力学扩散一定的情况下，离子脉冲宽度越小，其测量的分辨率越高，但信噪比越低。与离子迁移谱的工作原理相似，气相色谱法、液相色谱法、毛细管电泳法、飞行时间质谱法也采用脉冲进样，测量信号时间及信号幅度的方法进行定性和定量分析，为提高定性分析的精度和分离效果，都倾向于使用很窄的脉冲宽度，因而影响了分析的检出限。为了解决信噪比和分辨率的矛盾，一个有效的方法是提高离子源的效率产生更多的离子，或利用高电场将离子源产生的离子进行空间压缩，从而在相同的脉宽时间内引入更多离子，提高分析的信噪比，如采用复杂的单脉冲波形对引入离子脉冲前后沿进行加速，在离子门的前方或后方加入额外的栅格。但这些方法受到工作仪器的稳定性、体积和复杂程度以及电离效率等因素的限制，加入栅格的方法会损失额外的离子，以增大检出限作为代价，对离子脉冲边沿进行加速的方法会改变离子的出峰时间，从而使化合物的识别变得困难。利用强电场结合离子门开关的方法引入密度更高的离子流，但单脉冲内离子密度越高，其脉冲内部库仑斥力也越大，从而导致离子峰发生额外扩展而降低分辨率，电场压缩的方法也只适应一部分无需额外电场的离子源如放射性电离源等。另一个替代方法是采用多路复用的方法。在公开的文献和专利中，多路复用离子迁移谱都是采用离子门调制的方法，采用线性调频信号、Hadamard编码等方式控制离子门的开关，可将离子门的占空比提高至50％，再利用傅里叶变换、反Hadamard变换等重构离子迁移谱信号。这些矩形脉冲序列信号容易产生、便于快速计算处理，但是在谱图质量和信噪比方面还存在较大问题。脉冲压缩是为解决早期单脉冲雷达作用距离和距离分辨力的问题而发展起来的一种发射宽脉冲信号，接收和处理回波后输出窄脉冲的工作机制，能获得大的作用距离和具有很高的距离分辨力。雷达的工作方式与基于迁移管的大气压下离子迁移谱具有某种共同的特征，都是测量脉冲信号的固定时延，因而可采用雷达脉冲压缩工作机制以提高离子迁移谱的性能，其原理如图1所示。对于离子迁移谱的工作模式，可以将其载频看作零，这样就不需要考滤载频与脉冲频率之间的关系，而只需考虑脉冲本身频率即可。线性调频矩形脉冲序列结合傅里叶变换和ChirpZ变换等频谱分析方法可实现脉冲压缩，提高了信噪比，但由于它的模糊函数具有明显的旁瓣，且由于傅里叶变换时的频率泄露，需要进行加窗处理，信噪比损失严重，分辨率有待进一步提高。脉冲压缩匹配滤波在水声探测和雷达探测领域广泛使用，是一种滤波器输出端的信号瞬时功率与噪声平均功率比值最大的线性滤波器，其滤波器的传递函数形式是信号频谱的共轭，且滤波器的振幅特性与信号的振幅谱一致，因此，对信号的匹配滤波相当于对信号进行相关运算。对于大时间带宽积信号，匹配滤波等效于脉冲压缩，因而可以提高雷达或声纳的距离分辨率和距离测量精度。单脉冲工作方式的离子迁移谱，在其它条件一定的情况下，其分辨率取决于离子门的脉冲带宽(B)，其脉冲时宽(T)和带宽互为倒数，即T×B＝1，按照脉冲压缩理论，进行脉冲压缩后时宽(T’)和带宽B’满足：T’×B‘>>1，其时宽带宽积定义为脉冲压缩比D。由于噪音不会被压缩，其噪声水平仍保持原有水平，所以输出信噪比也提高了D倍，信噪比提高显著。采用匹配滤波处理时，线性调频矩形脉冲序列离子流信号与正弦线性调频信号及线性调频矩形脉冲序列之间的时间自相关和互相关表明其旁瓣较严重，且其模糊函数较宽，分辨率提高有限，由于线性调频信号的自相关谱中主瓣和旁瓣比值较小，其强峰或强噪音的旁瓣将掩盖旁瓣附近小信号的主峰,在多个离子峰的情况下,多个目标响应旁瓣的合成,甚至可能掩盖强峰信号，尽管这些旁瓣可以预测并采用加窗的方法加以抑制，但有用信号同样被抑制，峰形更加展宽。Hadamard变换事实上也是一种匹配滤波器，其计算过程因采用Hadamard矩阵转换的形式，比时域数值积分的方法计算速度快，但采用的序列同样存在较大的旁瓣信号，对峰识别造成了很大的干扰。伪随机编码调相矩形脉冲串信号如Barker码等编码信号模糊函数接近理想的图钉形，分辨率较高，旁辦值很低，是一种理想的相位编码信号，但目前发现的Barker码长度最长仅为13位，检测能力受到了限制，单独应用于离子迁移谱没有实际意义。Costas序列是由J.P.Costas于1966年提出来的编码序列，通常用于雷达及声纳信号探测等领域，具有高分辨、高精度的特点。Costas信号具有更接近于图钉形的理想模糊函数，其主瓣高而尖锐，旁瓣低而平坦，并且不存在模糊旁瓣等问题，因而具有优越的性能。此外，Costas信号作为一种跳频编码信号，具有很强的抗干扰性能，对周期性噪声和随机噪声都具有很强的抑制能力。另外，非线性调频信号，时间-频率编码信号及相位编码信号等在脉冲压缩雷达中也应用非常广泛，表现出良好的性能。混沌二相编码等长二相编码序列具有任意的长度，且编码可选择余地很大，在雷达中也有一定应用。因此，如何提高分辨率和信噪比，仍然是目前本领域技术人员迫切解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，针对传统单脉冲离子迁移谱及多路复用离子迁移谱的缺点，本专利技术参考脉冲压缩雷达的工作体制，采用脉冲压缩编码信号对步进调频信号、线性调频信号及非线性调频信号进行编码，或将调频信号，时间-频率编码信号及相位编码信号按Costas序列、混沌二相编码信号等进行相位编码形成脉冲压缩编码序列，将序列送入脉冲离子源或者控制离子门的开关，然后将离子流信号对调制信号进行匹配滤波或失配滤波，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：产生调频信号、调相信号及跳频序列信号；步骤2：基于所述信号进行运算生成脉冲压缩编码调制信号；步骤3：将所述脉冲压缩编码调制信号引入分离装置进行分离，然后进行检测；步骤4：将检测后获得的调制信号对所述脉冲压缩编码调制信号进行匹配滤波、失配滤波或自适应滤波，得到谱图。

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：产生调频信号、调相信号及跳频序列信号；步骤2：基于所述信号进行运算生成脉冲压缩编码调制信号；步骤3：将所述脉冲压缩编码调制信号引入分离装置进行分离，然后进行检测；步骤4：将检测后获得的调制信号对所述脉冲压缩编码调制信号进行匹配滤波、失配滤波或自适应滤波，得到谱图。2.如权利要求1所述的基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法，其特征在于，所述调频信号、调相信号及跳频序列信号由电路产生或者由软件计算产生或由存贮装置读入。3.如权利要求1所述的基于脉冲压缩的信号迁移时间测量方法，其特征在于，所述脉冲压缩编码调制信号的生成方式包括以下三种：采用跳频序列信号对调频信号进行编码生成脉冲压缩编码调制信号1；采用调相信号对调频信号进行编码生成脉冲压缩编码调制信号2；分别采用跳频序列信号和调相信号对调频信号进行编码生成脉冲压缩编码调制信号1和脉冲压缩编码调制信号2，通过对所述脉冲压缩编码调制信号1和脉冲压缩编码调制信号2进行编码，生成脉冲压缩编码调制信号3。4.如权利要求1所述的基于脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文杰，孟庆艳，贾旭，王志雁，张航航，刘春林，郭建恒，杨孟迪，
申请(专利权)人：塔里木大学，
类型：发明
国别省市：新疆,65