一种消除太赫兹光谱的水汽噪声的方法技术

本发明专利技术公开了一种消除太赫兹光谱中的水汽噪声的方法，预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数，当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。在这里，设置不同湿度信息对应的水汽传递函数是基于数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱得到的。因此，本发明专利技术有效消除太赫兹波信号中的水汽噪声且保证有用的样品信息无损。

Method for eliminating moisture noise of terahertz spectrum

The invention discloses a method for eliminating the noise of water vapor in terahertz spectrum, the preset information corresponding to the different moisture vapor transmission function, when the THz signal is in the air and spread through the sample, the spread factor formula of terahertz wave signal and the water vapor in the air interaction based on the correspondence information set with the air humidity the water vapor transfer function, eliminate the noise spectra obtained through water vapor based on terahertz THz wave signal in the sample. Here, the moisture transfer function corresponding to different moisture information is obtained based on the real refractive index spectra and absorption coefficient spectra of the water vapor. Therefore, the invention effectively eliminates the moisture noise in the terahertz wave signal and ensures that the useful sample information is lossless.

【技术实现步骤摘要】
一种消除太赫兹光谱的水汽噪声的方法
本专利技术涉及对太赫兹光谱的处理技术，特别涉及一种消除太赫兹光谱中的水汽噪声的方法。
技术介绍
太赫兹辐射具有非常重要的科学价值，目前已经成为世界性的研究热点，是21世纪科学研究最前沿的领域之一。太赫兹时域光谱技术对化合物晶型有很高的灵敏度，能够反映整个分子的低频振动和分子间的弱相互作用，能力低不会造成药物发生化学变化等。因此，利用太赫兹光谱在化学药品的声场、存储和流通环节进行质量的检查等，成为太赫兹辐射最具前景的应用之一。当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，会与空气中的水汽发生相互作用，水汽对太赫兹波信号的强吸收效应，使得途经样品的太赫兹波信号叠加入水汽噪声。这种含有水汽噪声的太赫兹波信号在时域中的特点为：太赫兹波信号的时域基线上产生纹波；而在频域中的特点为：水汽的特征吸收峰强度大、数量多而且频率分布广。基于含有水汽噪声的太赫兹时域信号提取物质的光学参数很难得到准确的结果，误差很大的光学参数甚至会掩盖物质本身的光学性质，这严重制约了太赫兹时域光谱技术的研究及应用。为了消除太赫兹光谱中水汽噪声，目前的方案有：1)置零法，通过在太赫兹波信号的时域上指认出水汽噪声，并将所指认的水汽噪声置零；2)小波变换法：将太赫兹波信号分解为多种频率组分，并调整取舍直到基线上的水汽噪声消失；3)解卷积法：将太赫兹波信号在时域上对基线的噪声部分进行拟合，再进行解卷积去噪；4)强度调谐算法：是一种较新的方法，利用算法对太赫兹波信号在时域上的整体进行调谐处理，直到基线上的噪声被完全消除。具体地说，置零法是目前最常用的去除太赫兹波信号传播时所携带水汽噪声的方法，图1为现有技术中太赫兹波信号在不同的环境中传输的时域例子一示意图，其中，在图1中的上方图的环境为氮气，在图1中的下方图的环境为具有水汽的空气。图2为现有技术中太赫兹波信号在不同的环境中传输的时域例子二示意图，图2中的左右两幅图表示了不同的时域范围，在不同的时域范围内进行了在氮气环境及在具有水汽的空气环境中的对比图，左图为基线图，右图为主峰图。可以看出，太赫兹波信号在具有水汽的空气中传播时，其时域上具有水汽噪声的纹波。这时，就需要对携带水汽噪声的太赫兹波信号进行水汽噪声的纹波指认并将纹波置零。然后，再将水汽噪声置零后的基线太赫兹波信号用于太赫兹光谱的计算。虽然置零法操作简单，对于一些特征信息集中在时域主峰的途径样品的太赫兹波信号，能较好的消除所述太赫兹波信号传播时受到水汽噪声的影响。然而太赫兹波信号在透过一些样品时，也会因为携带样品信息使得时域的基线上产生纹波，造成所产生的纹波与水汽噪声的纹波相互叠加，难以区分，采用置零法去除则会造成太赫兹波信号中的有用样品信息的损失。综上，这些方案都是直接对经过样品传播的太赫兹波信号在时域上进行处理，去噪比较简单及直观。然而，太赫兹波信号在透过一些样品后，也会因为携带样品信息使得在时域的基线上产生纹波，与在时域中与水汽噪声的纹波相互叠加，难以区分，后续基于此计算得到的太赫兹光谱就会含有水汽噪声。因此，目前方法均要求样品信息的频率与水汽噪声的频率相互不重叠。然而，水汽噪声的广谱性和连续性，使得目前方法不能有效去除太赫兹波信号在时域上的水汽噪声，后续基于此计算得到的太赫兹光谱也无法有效消除水汽噪声，造成了对样品的检测不准确。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种消除太赫兹光谱的水汽噪声的方法，该方法能够有效消除太赫兹光谱中的水汽噪声且保证有用的样品信息无损。由上述方案可以看出，本专利技术具体实现为：一种消除太赫兹光谱中的水汽噪声的方法，该方法包括：预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数；当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于设置的太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。从上述方案可以看出，本专利技术实施例预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数，当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。在这里，设置不同湿度信息对应的水汽传递函数是基于数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱得到的。因此，本专利技术实施例可以有效消除太赫兹波信号中的水汽噪声且保证有用的样品信息无损。附图说明图1为现有技术中太赫兹波信号在不同的环境中传输的时域例子一示意图；图2为现有技术中太赫兹波信号在不同的环境中传输的时域例子二示意图；图3为本专利技术实施例提供的消除太赫兹光谱的水汽噪声的方法流程图；图4为本专利技术实施例提供的数值模拟出的水汽的吸收系数谱的示意图；图5为本专利技术实施例提供的相对湿度分别为10％，20％和40％时水汽的实折射率谱的拟合结果示意图；图6为本专利技术实施例提供的模拟了相对湿度分别10％、20％和40％的THz时域信号的示意图；图7为本专利技术实施例提供的表示相对湿度为10％时理论模拟和实验测量的太赫兹信号示意图；图8为本专利技术实施例提供的H2O与O2分子吸收强度的对比示意图；图9为本专利技术实施例提供的拉西地平薄片的太赫兹时域信号的示意图；图10为采用现有技术的置零方法对时域信号进行去噪处理后的示意图；图11为本专利技术实施例提供的分别从氮气和水汽环境中的拉西地平时域信号提取出的对应的吸收系数谱和实折射率谱的示意图；图12为本专利技术实施例提供的去噪前后拉西地平薄片的光学参数对比示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术作进一步详细说明。图3为本专利技术实施例提供的消除太赫兹光谱的水汽噪声的方法流程图，其具体步骤为：步骤301、预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数；步骤302、当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于设置的太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。在该方法中，所述设置不同湿度信息对应的水汽传递函数的过程为：数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱；带入到设置的公式中，得到不同湿度信息对应的水汽传递函数。以下具体说明：1)数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱这个步骤选择在频域中消除水汽噪声的思想来源于水汽噪声在频域上的特征分布。从已有的HITRAN数据库中可以获取到对应每个频率的水分子的吸收线强度。但是，分子吸收谱并非理想的线状谱，而是具有一定展宽的谱线。这是因为能量和时间的不确定关系可以导致谱线的自然展宽；水分子的无规则热运动会引起其光谱线的多普勒展宽；处在激发态的水分子在运动过程中与其它分子碰撞会引起谱线的碰撞展宽，等等。水分子的吸收系数谱线展宽可以用多种线型来拟合，本专利技术实施例采用的是拟合气体分子吸收系数谱线的VanVleck-Weisskopf(VVW)线型函数。同时，水汽实折射率，也有VVW线型的拟合函数，它们的拟合表达式如公式(1)其中，k为整数，表示第k条谱线；υ表示频率；υk表示第k个吸收谱线的特征频率；αk(ν)为水分子第k个吸收谱线的吸收系数；Δυk＝γksPs+γ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除太赫兹光谱中的水汽噪声的方法，其特征在于，该方法包括：预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数；当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于设置的太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。

【技术特征摘要】
1.一种消除太赫兹光谱中的水汽噪声的方法，其特征在于，该方法包括：预先设置不同湿度信息对应的水汽传递函数；当太赫兹波信号在空气中传播并透过样品时，基于设置的太赫兹波信号与空气中的水汽相互作用的传播因子公式，利用设置空气具有的湿度信息对应的水汽传递函数，消除根据透过样品的太赫兹波信号得到的太赫兹光谱中的水汽噪声。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置不同湿度信息对应的水汽传递函数为：数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱；带入到设置的公式中，得到不同湿度信息对应的水汽传递函数。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数值模拟出水汽的实折射率谱和吸收系数谱的过程为：采用公式(1)，其中，k为整数，表示第k条谱线；υ表示频率；υk表示第k个吸收谱线的特征频率；αk(ν)为水分子第k个吸收谱线的吸收系数；Δυk＝γksPs+γkfPf，表示第k个吸收谱线处的半高宽；γks和γkf分别是自展宽系数和外展宽系数；Ps和Pf分别是水汽分压强和大气压强,并且Ps可以由湿度计算得到；αk,max＝10245.8Ik/γks，表示第k个吸收谱线处的吸收峰强度；Ik是从设置的HITRAN数据库中提取的线状谱线强...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙萍，黄玉，张正，金晨，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11