一种基于延迟跟踪的快速TDS光谱扫描成像系统优化方法与流程

一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法
技术领域：
1.本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法。


背景技术：

2.太赫兹波(terahertz，thz)是指频率在0.1～10thz，波长在0.1～3.0mm之间的一种电磁波，介于微波与红外波之间。太赫兹波段处于电子学与光子学的交界处，由于这个特点，thz兼具微波与红外波的特性，使其在某些应用领域中有着得天独厚的优势。太赫兹对非金属及非极性材料，如陶瓷、塑料、涂料、织物等具有很强的穿透能力，可以对这些材料进行无损检测；许多大生物分子的振动与转动能级处在太赫兹波段，因此可以通过太赫兹频段的特征吸收峰对物质进行鉴别；太赫兹光子能量低，一般不会对生物组织造成伤害，可以用于生物组织的无创检测。
3.因太赫兹波具有穿透能力强、光子能量低、指纹谱、频谱宽等特性，目前已在物质识别、安全检测、生物医学、无损探伤、无线通信等领域已经有了广泛的应用。
4.太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectrum，tds)成像技术是最早发展起来的一种太赫兹测量技术，通过直接测量太赫兹信号的时域电场，获得与物质相互作用后的太赫兹信号强度与相位信息。在tds的基础上，通过机械二维平移台移动样品，对样品进行逐点扫描，进而测量样品不同位置的太赫兹信号，再将所有太赫兹信号整合到一起，经过计算机重构，可以得到样品的太赫兹成像结果。
5.tds光谱成像技术一般是通过调节探测光和太赫兹信号之间的时间延迟来重构完整太赫兹波形的，其中光学延迟线是调节探测光和太赫兹信号时间延迟必不可少的部件，对样品进行成像时，除了通过机械平移台移动样品外，还需要光学延迟线扫描改变探测光和太赫兹信号之间的时间延迟。
6.常见的光学延迟线有两种：一种为步进电机式：通过步进电机旋转丝杆，进而带动丝杆上的角锥镜移动来改变光程，成像时间取决于光学延迟线的步进速度以及步进间隔，由于采集太赫兹信号需要很多的采样点数，因而成像时间十分漫长，往往需要几十分钟甚至数小时；另一种为音圈电机式：音圈电机可以做到快速振荡扫描，对太赫兹脉冲信号的采样频率可以做到数十赫兹，相比于步进电机式延迟线，缩短了成像所需的时间。
7.目前大多数tds光谱成像系统是利用太赫兹脉冲的峰峰值或者峰值进行成像，以上描述的光学延迟线探测方式都是通过大范围的时间扫描获取太赫兹信号的，一般扫描范围为数十或数百皮秒，但是太赫兹脉冲宽度仅为1-2皮秒(见图1)，光学延迟线大范围的扫描反而浪费了成像所需要的时间，而且增加了成像的数据量，大大降低了成像的效率。


技术实现要素：

8.针对目前光学延迟线大范围扫描，导致样品tds光谱成像所需时间长，成像数据量大的缺点，本发明的目的在于寻求一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方
法，根据太赫兹光谱扫描的历史数据，预测被采样点太赫兹脉冲信号峰值所处的位置，并反馈至控制系统设定光学延迟线扫描起止点的数值，实现高效成像。
9.为了实现上述目的，本发明采用的一种实现方案为：
10.一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，具体包括以下步骤：
11.(1)输入趋势函数构建所需采样点数t和光学延迟线反馈控制步长l的参数值，令n＝1，m＝1；
12.(2)tds光谱成像系统实时采集第m个采样点的太赫兹数据，得到光学延迟线对第m个采样点全范围扫描的太赫兹脉冲信号，使用寻峰函数确定第m个采样点对应太赫兹脉冲信号的峰值位置pm；
13.(3)判断m≥t，若是进行下一步；否则二维平台移动样品至下一个采样点，重复步骤(2)，并令m＝m 1；
14.(4)基于t个采样点和采样点对应峰值位置构建趋势函数，通过趋势函数预测下一个采样点的峰值位置p；
15.(5)二维平台移动样品至下一个采样点，令i＝0；
16.(6)上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；
17.(7)上位机根据信号强度判断步骤(6)光学延迟线p
±
l扫描范围内是否采集到太赫兹脉冲信号，如果已采集到太赫兹脉冲信号则保存数据，进行下一步；否则i＝i 1，l＝(n i)l，增大扫描范围，重复步骤(6)直至采集到太赫兹脉冲信号；
18.(8)使用寻峰函数获取步骤(7)光学延迟线p
±
l扫描范围内采集的太赫兹脉冲信号的峰值及峰值位置；
19.(9)重复步骤(4)-(8)，继续采集样品下一个待测点，直至样品采样结束。
20.本发明采用的另一种实现方案为：
21.一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，具体包括以下步骤：
22.(1)输入趋势函数构建所需采样点数t和光学延迟线反馈控制步长l的参数值，令n＝1，m＝1；
23.(2)tds光谱成像系统实时采集第m个采样点的太赫兹数据，得到光学延迟线对第m个采样点全范围扫描的太赫兹脉冲信号，使用寻峰函数确定第m个采样点对应太赫兹脉冲信号的峰值位置pm；
24.(3)判断m≥t，若是进行下一步；否则二维平台移动样品至下一个采样点，重复步骤(2)，并令m＝m 1；
25.(4)基于最新的t个采样点和其对应的峰值位置构建趋势函数，通过趋势函数预测下一个采样点的峰值位置p；
26.(5)二维平台移动样品至下一个采样点，令i＝0；
27.(6)上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；
28.(7)上位机根据信号强度判断步骤(6)光学延迟线p
±
l扫描范围内是否采集到太
赫兹脉冲信号，如果已采集到太赫兹脉冲信号则保存数据，进行下一步；否则i＝i 1，l＝(n i)l，增大扫描范围，重复步骤(6)直至采集到太赫兹脉冲信号；
29.(8)使用寻峰函数获取步骤(7)光学延迟线p
±
l扫描范围内采集的太赫兹脉冲信号的峰值及峰值位置；
30.(9)重复步骤(4)-(8)，继续采集样品下一个待测点，直至样品采样结束。
31.本发明采用的再一种实现方案为：
32.一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，具体包括以下步骤：
33.(1)输入趋势函数构建所需采样点数t和光学延迟线反馈控制步长l的参数值，令n＝1，m＝1；
34.(2)tds光谱成像系统实时采集第m个采样点的太赫兹数据，得到光学延迟线对第m个采样点全范围扫描的太赫兹脉冲信号，使用寻峰函数确定第m个采样点对应太赫兹脉冲信号的峰值位置pm；
35.(3)判断m≥t，若是进行下一步；否则二维平台移动样品至下一个采样点，重复步骤(2)，并令m＝m 1；
36.(4)基于t个采样点和采样点对应峰值位置构建趋势函数，通过趋势函数预测下一个采样点的峰值位置p；
37.(5)二维平台移动样品至下一个采样点，i＝0，t＝t 1；
38.(6)上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；
39.(7)上位机根据信号强度判断步骤(6)光学延迟线p
±
l扫描范围内是否采集到太赫兹脉冲信号，如果已采集到太赫兹脉冲信号则保存数据，进行下一步；否则i＝i 1，l＝(n i)l，增大扫描范围，重复步骤(6)直至采集到太赫兹脉冲信号；
40.(8)使用寻峰函数获取步骤(7)光学延迟线p
±
l扫描范围内采集的太赫兹脉冲信号的峰值及峰值位置；
41.(9)重复步骤(4)-(8)，继续采集样品下一个待测点，直至样品采样结束。
42.具体地，步骤(6)中，当i小于等于设定数值，上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；当i大于设定数值，上位机设定光学延迟线对当前采样点进行全程扫描。
43.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
44.1.可以根据样品的光谱扫描数据，在历史峰值延迟位置的基础上逐渐构建趋势函数，预测被采样点峰值所处的位置并反馈至控制系统，由控制系统控制光学延迟线的扫描范围，仅在预测峰值前后一定范围内对待测采样点进行扫描，缩短获取峰峰值或者峰值所需要的扫描范围，将太赫兹扫描成像所需的时间降低数倍。
45.2.经过趋势函数预测峰值所处位置，反馈控制系统缩短扫描范围，减少了成像处理所需要的数据量，降低了上位机处理所需要的时间，提高成像数据处理效率。
附图说明：
46.图1为光学延迟线对采样点进行全范围扫描的太赫兹时域信号图谱。
47.图2为实施例1涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法流程图。
48.图3为实施例2涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法流程图。
49.图4为实施例3涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法流程图。
具体实施方式：
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.本发明涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，能够根据历史扫描采集的太赫兹脉冲信号位置数据构建趋势函数，预测下一个采样点的峰值位置，反馈给光学延迟线缩小扫描范围，降低数据采集时间及数据量，提高成像速度。
52.实施例1：
53.本实施例1构建趋势函数的采样点是最初光学延迟线全范围扫描得到的t个采样点。
54.如图2所示，本实施例涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，包括以下步骤：
55.(1)输入趋势函数构建所需采样点数t和光学延迟线反馈控制步长l的参数值，令n＝1，m＝1；
56.(2)tds光谱成像系统实时采集第m个采样点的太赫兹数据，得到光学延迟线对第m个采样点全范围扫描的太赫兹脉冲信号，使用寻峰函数确定第m个采样点对应太赫兹脉冲信号的峰值位置pm；
57.(3)判断m≥t，若是进行下一步；否则二维平台移动样品至下一个采样点，重复步骤(2)，并令m＝m 1；
58.(4)基于t个采样点和采样点对应峰值位置构建趋势函数，通过趋势函数预测下一个采样点的峰值位置p；
59.具体地，将采样点位置1，2，3，
…
，t与采样点对应的太赫兹时域信号的峰值位置p1，p2，p3，
…
，p
t
组成的曲线做拟合，二者具有相关关系，通过相关性构造线性回归方程，然后将下一个采样点带入构造好的方程，通过方程预知下一个待测点的峰值位置p；
60.(5)二维平台移动样品至下一个采样点，令i＝0；
61.(6)上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；
62.(7)上位机根据信号强度判断步骤(6)光学延迟线p
±
l扫描范围内是否采集到太
赫兹脉冲信号，如果已采集到太赫兹脉冲信号则保存数据，进行下一步；否则i＝i 1，l＝(n i)l，增大扫描范围，重复步骤(6)直至采集到太赫兹脉冲信号；
63.(8)使用寻峰函数获取步骤(7)光学延迟线p
±
l扫描范围内采集的太赫兹脉冲信号的峰值及峰值位置；
64.(9)重复步骤(4)-(8)，继续采集样品下一个待测点，直至样品采样结束。
65.进一步说明，最初采集的太赫兹数据都是光学延迟线全范围扫描得到的，每采集完一个数据，反馈给二维平移台移动至样品下一个待测点，继续采集数据。本实施例1所采集到的数据均使用寻峰函数自动获取太赫兹脉冲信号的峰值及峰值位置，进而通过一系列峰值位置构建趋势函数。
66.进一步说明，t为构建趋势函数所需要的最少采样点数，l为光学延迟线反馈控制步长，趋势函数预测峰值位置p，然后通过反馈系统控制光学延迟线仅在p
±
l范围内扫描。t及l均有默认值，也可以在上位机中自定义设置。
67.进一步说明，对于表面规则，起伏较小的样品，一般在p
±
l扫描范围内即可得到太赫兹脉冲数据；对于表面不规则，起伏交大的样品，当前采样点太赫兹脉冲信号位置和下一采样点太赫兹脉冲位置差距大，则可能需要扩大扫描范围为p
±
2l，p
±
3l，p
±
4l，
……
，且扫描范围小于光学延迟线总扫描长度。
68.进一步说明，方法具备自动纠错机制，上位机中i的数值有默认设置，当i大于某个设定数值时上位机控制光学延迟线直接全程扫描；如果延迟线全程扫描下仍未采集到太赫兹信号，上位机自动报错。
69.较佳地，步骤(6)，当i小于等于设定数值，上位机设定光学延迟线对当前采样点的扫描范围为：p
±
l，得到光学延迟线在p
±
l扫描范围内对当前采样点的太赫兹脉冲信号，扫描范围p
±
l小于光学延迟线总扫描长度；当i大于设定数值，上位机设定光学延迟线对当前采样点进行全程扫描。
70.实施例2：
71.为提高数据的准确率，本实施例1构建趋势函数的采样点数为t个，最初光学延迟线全范围扫描的t个采样点得到的太赫兹脉冲信号的峰值位置用于构建趋势函数，随着采样的进行，新采样点p
±
l扫描范围内得到的太赫兹脉冲的峰值位置数据依次替换最初的采样数据，用于构建趋势函数。该方法在提高准确率的基础上降低了数据处理量。
72.如图3所示，本实施例涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，除了步骤(4)其他均与实施例1相同。
73.(4)基于最新的t个采样点和其对应的峰值位置构建趋势函数，通过趋势函数预测下一个采样点的峰值位置p。
74.所述最新的t个采样点是指后面的一个采样点替换最前面的采样点，始终保持构建趋势函数的采样点个数为t。
75.进一步说明，方法具备自动纠错机制，上位机中i的数值有默认设置，当i大于某个设定数值时上位机控制光学延迟线直接全程扫描，并利用采集到的峰值位置继续构建趋势函数；如果延迟线全程扫描下仍未采集到太赫兹脉冲信号，上位机自动报错。
76.实施例3：
77.为进一步提高数据的准确率，本实施例1构建趋势函数的采样点为所有的历史采
样点，最初光学延迟线全范围扫描，获得t个采样点及其对应的太赫兹脉冲信号的峰值位置构建趋势函数，随着采样的进行，新采样点p
±
l扫描范围内得到的太赫兹脉冲的峰值位置数据也继续用于构建趋势函数。
78.如图4所示，本实施例涉及的一种基于延迟跟踪的快速tds光谱扫描成像系统优化方法，除了步骤(5)其他均与实施例1相同。
79.(5)二维平台移动样品至下一个采样点，i＝0，t＝t 1。
80.进一步说明，方法具备自动纠错机制，上位机中i的数值有默认设置，当i大于某个设定数值时上位机控制光学延迟线直接全程扫描，并利用采集到的峰值位置继续构建趋势函数；如果延迟线全程扫描下仍未采集到太赫兹信号，上位机自动报错。