缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法技术

本发明专利技术公开了一种缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法，包括：产生调频信号或者二元伪随机序列，生成调制信号；离子门控制与复合离子电流检测，傅里叶快速解卷积和滤波降噪处理。本发明专利技术最主要的特征在于对复合离子电流信号进行快速傅里叶解卷积，具有灵敏度高，分辨率高的特点，可超越传统方法的极限而逼近最高理论值，且实施容易，成本低。

【技术实现步骤摘要】
缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法
本专利技术涉及一种缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法，在提高离子迁移谱仪分辨率的同时提高其信噪比，属于分析仪器领域。
技术介绍
离子迁移谱具有结构简单，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。基于迁移管的离子迁移谱仪通常由离子源、离子门、迁移分离区和检测器组成。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。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。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，但这种方法会增加离子片断内电荷的密度，从而增大了内部电荷之间的斥力，使得峰宽会因斥力而变宽，分辨率会变低。另外，由于离子在大气压下较低的运动速度，脉冲宽度进一步减小的难度很大，且过高的脉冲电压将引起迁移管内部放电，因而应用受到局限。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、Hadamard变换、互相关变换等方法等重构离子迁移谱信号。傅里叶变换的分辨率较低，且受到加窗函数的影响，有效信号的损失较大，灵敏度提高有限。Hadamard变换容易产生变换假峰，因而影响谱图的判别分析。互相关变换在调制周期较短时谱图歧变严重，且分辨率取决于扫描频率，分辨率越高灵敏度越低。因而，在离子迁移谱领域开发大幅缩短离子门开门时间，既能大幅提高离子迁移谱灵敏度，更能大幅提高分辨率的先进控制和数据处理方法是目前本领域技术人员迫切解决的技术难题。
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，本专利技术采用调频信号或者二元伪随机序列来生成调制信号；在离子门调制时离子门同步采集迁移谱的复合离子电流，利用快速解卷积和滤波降噪处理来得到离子迁移谱图。本专利技术灵敏度高，分辨率可超越传统方法的极限而逼近最高理论值，且容易实施，成本低。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法，包括以下步骤：步骤1：产生调频信号或者二元伪随机序列；产生的调频信号或者二元伪随机序列是一时间作为自变量的函数，其中调频信号为线性调频、非线性调频、升频序列、降频序列中的一种。优选为线性升频方波序列，其产生的表达式为：上式中，T为调制周期，F为调制频率，w0为初始相位，t为时间，cos为余弦函数。二元伪随机序列包括近完美序列、M序列或者任意伪随机序列。调制周期可设定为20ms至10s之间，调制周期越长，信噪比越高，但扫描速度越慢；需要快速跟踪离子迁移谱信号时，调制周期可采用50～500ms之间。当既需要快速跟踪离子迁移谱信号又要得到较好的信噪比时可多次快速重复采样；优选的调制周期为50ms～250ms之间；调制频率F在1K至100KHz之间，具体依据离子门的性能而定，通常在5～20K之间具有良好的性能，优选频率为10～15KHz；步骤2：生成调制序列信号；将产生的调频信号处理成方波调频信号，或者对伪随机序列进行超采样扩展，处理后的方波调频信号或者超采样的伪随机序列作为控制离子门的调制序列；方波调频信号由下式产生：m(t)＝sgn(h(t))上式中sgn为符号函数；对于伪随机序列进行超采样的倍数根据DA转换或者数字输出的速率及AD转换的速率进行选择，如采集速率可达到10M，伪随机序列中每一bit的长度为100μs时，超采样倍数为1000倍，单次采样的时间为100ns。选优的采样速率为1MHz。为进一步减小本方法的噪音水平，在生成步聚2中所述调制序列信号时，可对离子门的清空时间进行补偿。离子门的清空时间可以看作离子门打开到离子开始进入迁移区的延迟时间，此时间与迁移管结构、迁移电压、离子门结构及离子门控制电压和离子门控制电路等因素有关，在一定条件下对特定离子的清空时间可重复。补偿的方法是采用不同的开门时间(X)对峰面积(Y)作图，X上的截距即为补偿值。补偿的方法是将序列中的开门时间加上清空时间，补偿时间在1～50μs之间。步骤3：离子门控制与复合离子电流检测；将所述离子门调制序列送入离子门控制电路控制离子门的开关，并收集检测器上的复合离子电流；若离子迁移谱信号定义为g(t)；则采用调频序列调制离子门后检测器上得到的同步复合离子电流信号则为即复合离子电流信号为离子迁移谱信号及调频序列调制函数的卷积。在实际工作中测得的复合离子电流信号含有噪音，即，y(t)＝m(t)*g(t)+n(t)；步骤4：将检测后获得的复合离子流对所述调制序列进行解卷积。获取离子迁移谱的过程事实上就是求解g(t)的过程，按卷积定理，函数卷积的傅里叶变换是函数傅里叶变换的乘积；即，一个域中的卷积相当于另一个域中的乘积，时域中的卷积就对应于频域中的乘积，则：FF(y(x))＝FF(m(t)*g(t))＝FF(m(t))FF(g(t))FF表示对时域信号进行快速傅里叶变换，则g(t)可以下式得出：g(t)＝IFF(FF(y(x))/FF(m(t)))IFF表示对频域信号进行反快速傅里叶变换。解卷积方法可以采用拉普拉斯变换、Z变换、Mellin变换和Hartley变换。步骤5：对解卷积输出信号采用滤波器进行滤波降噪处理。由于检测得到的复合离子流信号含有噪音，经过上述过程处理后的g(t)同样含有噪音，噪音通过数字滤波器予以滤除。选用的滤波器可为零相位滤波器，Savitzky-GolayFIR平滑滤波器，Chebyshev滤波器，中值滤波器等。优选的滤波器为零相位滤波器，在滤波后可不考虑迁移时间的移位问题。滤波器系数为20～200之间进行优选。调制和检测过程在大气压下，小于大气压下或者真空下进行。由以上步聚可以发现，当离子电流的采集速率达到10M时，输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：产生调频信号或者二元伪随机序列；/n产生的调频信号或者二元伪随机序列是一时间作为自变量的函数，其中调频信号为线性调频、非线性调频、升频序列、降频序列中的一种；/n二元伪随机序列包括近完美序列、M序列或者任意伪随机序列；/n步骤2：生成调制序列信号；/n将产生的调频信号处理成方波调频信号，或者对伪随机序列进行超采样扩展，处理后的方波调频信号或者超采样的伪随机序列作为控制离子门的调制序列；/n对于伪随机序列进行超采样的倍数根据DA转换或者数字输出的速率及AD转换的速率进行选择，如采集速率为10M，伪随机序列中每一bit的长度为100μs时，超采样倍数为1000倍，单次采样的时间为100ns；/n步骤3：离子门控制与复合离子电流检测；/n将所述离子门调制序列送入离子门控制电路控制离子门的开关，并收集检测器上的复合离子电流；/n将开门时间无限小(即初始宽度无限小)的离子片断在迁称管中分离后在检测器上得到的离子迁移谱信号定义为g(t)，则采用调频序列调制离子门后检测器上得到的同步复合离子电流信号则为离子迁移谱信号及调频序列调制函数的卷积，即：/n...

【技术特征摘要】
1.缩短离子门脉冲时间的控制和数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：产生调频信号或者二元伪随机序列；
产生的调频信号或者二元伪随机序列是一时间作为自变量的函数，其中调频信号为线性调频、非线性调频、升频序列、降频序列中的一种；
二元伪随机序列包括近完美序列、M序列或者任意伪随机序列；
步骤2：生成调制序列信号；
将产生的调频信号处理成方波调频信号，或者对伪随机序列进行超采样扩展，处理后的方波调频信号或者超采样的伪随机序列作为控制离子门的调制序列；
对于伪随机序列进行超采样的倍数根据DA转换或者数字输出的速率及AD转换的速率进行选择，如采集速率为10M，伪随机序列中每一bit的长度为100μs时，超采样倍数为1000倍，单次采样的时间为100ns；
步骤3：离子门控制与复合离子电流检测；
将所述离子门调制序列送入离子门控制电路控制离子门的开关，并收集检测器上的复合离子电流；
将开门时间无限小(即初始宽度无限小)的离子片断在迁称管中分离后在检测器上得到的离子迁移谱信号定义为g(t)，则采用调频序列调制离子门后检测器上得到的同步复合离子电流信号则为离子迁移谱信号及调频序列调制函数的卷积，即：



上式中，y(t)为复合讯号，m(t)为调制讯号，g(t)为当离子门开门时间为无限小时的离子迁移谱，τ为时间积分变量。
步骤4：将检测后获得的复合离子流对所述调制序列进行解卷积。
获取离子迁移谱的过程事实上就是求解g(t)的过程，按卷积定理，函数卷积的傅里叶变换是函数傅里叶变换的乘积；即，一个域中的卷积相当于另一个域中的乘积，时域中的卷积就对应于频域中的乘积，则：
FF(y(x))＝FF(m(t)*g(t))＝FF(m(t))FF(g(t))
FF表示对时域信号进行快速傅里叶变换(FastFourierTransform)，则g(t)可以下式得出：
g(t)＝IFF(FF(y(x))/FF(m(t)))
IFF表示对频域信号进行反快速傅里叶变换(InverseFourierTransform)；
步骤5：对解卷积...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文杰，胡文艳，吕莹，许焱芬，于建娜，敬国兴，李文山，刘文，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43