专利名称：用于分析时间衰减信号的光学信号处理方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于分析信号的检测方案，尤其涉及用于分析吸光度信号的数字检测方案。
本发明主要被开发用作用于实时分析吸光度信号的数字检测方案并且将在下文中参照该申请进行描述。然而，应理解，本发明不限于该具体使用领域。
背景技术：
整个说明书中的背景技术的任何讨论决不应被认为是承认该背景技术是现有技术，也不认为该背景技术是众所周知的或形成本领域公知常识的一部分。
吸收光谱学被广泛用于定性和定量地识别化学物种。如果感兴趣的物种具有唯一的吸收特征，则可通过简单测量单一频率处或单一吸收频带上的吸光度(absorbance)来实现对吸收者的实时监视。然而，通常，存在同样吸收相同频率的光的污染物。因此，被污染样本的实时频谱分析需要收集一定范围波长的吸光度数据。
不幸地，这一途径普遍受阻于从复杂的吸光度数据中快速提取信息的能力。
因此，需要一种从时变的吸收信号实时地或至少比当前频谱分析系统明显更快地提取吸收信息的解调技术。发明内容
下面的定义作为一般定义提供并且绝不将本发明的范围限定为那些单独的术语，而是为了更好地理解下面的描述。
除非另外定义，文中所使用的全部技术术语和科技术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义。为了本发明，将下面的术语定义如下:
冠词“一个(a)”和“一个(an)”在文中指一个或多个(即至少一个)该冠词的文法对象。例如，“一个元件”指一个或多个元件。
词语“约”在文中指相对于参考数量改变差不多30%，优选地改变差不多20%，更优选地改变差不多10%。
在本说明书中，除非上下文另有需要，词语“包括(COmpriSe)”、“包括(comprises)”和“包括(comprising)”将被理解为包含所述步骤或元件或一组步骤或元件但不排除任何其它的步骤或元件或一组步骤或元件。
术语“实时”，例如“显示实时数据”指考虑系统的处理限制和精确测量数据所需的时间，在不刻意延迟的情况下显示数据。类似地，术语“实时地分析数据”指考虑系统的处理限制以及精确分析该信号并呈现该分析的输出所需的时间，在不刻意延迟的情况下分析信号并呈现或输出代表信号的数据。
根据第一个方面，提供了一种分析时间衰减信号的方法。该方法可包括在混频器中将时间衰减信号与从本地振荡器生成器(调制器)输出的本地振荡器信号(调制信号)进行混频。时间衰减信号与本地振荡器信号的混频产生混频信号，从混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号可包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号还可包括具有多个频率分量的多个变换的时间衰减信号。这些频率分量中的至少一部分对本地振荡器信号和感兴趣的时间衰减信号来说是共同的。在其它布置中，混频信号的所有频率分量对于本地振荡器信号和时间衰减信号来说可能是共同的。该方法还可包括确定基本频率处和与基本频率不同的频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
在第一个方面的布置中，提供了一种分析时间衰减信号的方法，该方法包括:在混频器中将时间衰减信号与由本地振荡器生成器生成的本地振荡器信号进行混频，产生混频信号，从混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号，傅里叶变换的时间衰减信号包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号、以及多个频率处的多个变换的时间衰减信号；以及确定基本频率处和与基本频率不同的频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
可确定包括变换的时间衰减信号中的至少一个与至少一个其他的变换的时间衰减信号的幅度的一个或多个比。该一个或多个比可代表时间衰减信号的频谱内容。时间衰减信号的频谱内容可从校正曲线确定，其中校正曲线将变换的时间衰减信号中的至少一个与至少一个其他的变换的时间衰减信号的幅度的一个或多个比与包括与时间衰减信号的频谱内容有关的信息的参数相关联。该方法还包括从该参数提取时间衰减信号的频谱内容。该参数可以是时间衰减信号的衰减时间常数。
还可对不同的时间衰减信号重复多次本方法，以获得不同时间衰减信号中的每一个的频谱内容，并从中确定样本的频谱。该方法还可包括从频谱确定该样本的一个或多个特性或参数。该方法可进一步或可选地包括从该频谱识别该样本的一个或多个成分。
多个变换的时间衰减信号的频率可以位于基本频率的一个或多个谐波频率处。该方法还可包括确定频率处的变换的时间衰减信号中的至少一个的幅度与余下的变换的时间衰减信号或基本变换的时间衰减信号中的一个多个的幅度的比。
时间衰减信号可以是吸光度信号。时间衰减信号可以是腔衰荡信号。该系统可适用于实时地分析时间衰减信号(即吸光度信号或腔衰荡信号)。本地振荡器可以是信号生成器振荡器，并且本地振荡器信号可以是方波。本地振荡器信号可以是具有期望频率的正弦波。本地振荡器信号可以是包括多个频率分量的复杂信号波形。在其他布置中，时间衰减信号可以是任何形式的时域信号。时域信号可以是干涉图。干涉图可以来源于干涉仪。
根据第二个方面，提供了一种用于分析时间衰减信号的系统。该系统可包括用于将时间衰减信号与本地振荡器信号混频的混频器。时间衰减信号与本地振荡器信号的混频可形成混频信号，从该混频信号可生成傅里叶变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号可包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号还可包括基本频率的多个频率处的多个变换的时间衰减信号。该系统还包括确定器，确定器用于确定基本频率处和所述多个频率中的每一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。确定器可包括计算机、计算器或适于确定或计算目的的其他合适的硬件或软件部件。傅里叶变换的时间衰减信号可由确定器生成。
在第二个方面的布置中，提供了一种用于分析时间衰减信号的系统，该系统可包括:混频器，用于将时域信号与本地振荡器信号混频以生成混频信号，从混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号，傅里叶变换的时间衰减信号包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号以及基本频率的多个谐波频率处的多个谐波变换的时间衰减信号；以及确定器，用于确定基本频率处和多个谐波频率中的每一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
时间衰减信号可以是吸光度信号。时间衰减信号可以是腔衰荡信号。该系统可适用于实时地分析时间衰减信号(即吸光度信号或腔衰荡信号)。
根据第三个方面，提供了一种用于分析来自光学检测系统中的吸收物种的时间衰减信号的系统。该系统可包括混频器，混频器用于将时间衰减信号与由本地振荡器生成的本地振荡器信号混频，以产生混频信号，从该混频信号可生成傅里叶变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号可包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号还可包括基本频率的多个频率处的至少一个或多个变换的时间衰减信号。该系统还包括确定器，确定器用于确定基本频率处和所述多个频率中的每一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。确定器可包括计算机、计算器或适于确定或计算目的的其他合适的硬件或软件部件。
在第三个方面的布置中，提供了一种用于分析来自光学检测系统中的吸收物种的时域信号的系统，该系统可包括:混频器，用于将时域信号与由本地振荡器生成的本地振荡器信号混频，以产生混频信号，从该混频信号可生成傅里叶变换的时间衰减信号。该混频信号包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时域信号以及基本频率的多个谐波频率处的多个谐波变换的时间衰减信号；以及确定器，用于确定基本频率处和多个谐波频率中的每一个频率处的变换的时域信号中的每一个的幅度。
时域信号可以是吸光度信号。光学检测系统可以是腔衰荡光学检测系统，并且时域信号可以是来自腔衰荡系统的时间衰减信号。在其他布置中，时间衰减信号可以是任何形式的时域信号。时域信号可以是干涉图。干涉图可以来源于干涉仪。该系统可适用于实时地分析时域信号(即吸光度信号或时间衰减信号)。
可从连续波源、准连续波源或脉冲源中的一种或多种中选择用于光腔衰荡检测系统的激发源，并且激发源可以是连续波激光源、准连续波激光源、脉冲激光源、或调制的激光源。例如，光源可以是量子级联激光器。调制的激光源可以具有100%或小于100%的调制深度，即调制深度可以为0.01%到100%、1%到100%,5%到100%、10%到100%,20%到100%、30% 到 100%、40% 到 100% 或 50% 到 100%，并且可以为约 0.01%,0.05%,0.1%、0.5%、1，5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、97%、98%、99%、99.5%、或约100%。光学检测系统可以是干涉仪检测系统，并且时域信号可以是时间上的干涉图。时间上的干涉图可以来源于期望时间帧内的空间(例如距离)域上的参数变化。本地振荡器可以是信号生成器振荡器，并且本地振荡器信号可以是方波。本地振荡器信号可以是具有期望频率的正弦波。本地振荡器信号可以是包括多个频率分量的复杂信号波形。
在文中公开的方法的任何一个方面中，该方法可包括用于分析吸光度信号的方法。该方法的方面可包括在调制器中生成调制信号。该方法的方面还可包括用调制信号对光源进行调制。该方法的方面还可包括将光信号引导至吸收至少一部分光信号以生成吸光度信号的样本。吸光度信号可包括时间衰减部分。该方法的方面还可包括通过检测器检测吸光度信号以生成依赖时间的检测信号。该方法的方面还可包括将检测到的信号与调制信号混频以生成混频信号。该方法的方面还可包括将混频信号进行变换以生成傅里叶变换的时间衰减信号。混频信号的变换可包括对混频信号进行低通滤波、积分或求和以生成傅里叶变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号可包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号还可包括具有多个频率分量的至少一个或多个变换的时间衰减信号。该方法的方面还可包括确定基本频率处以及与基本频率不同的至少一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号。该方法的方面还可包括分析该依赖频率的幅度信号以确定代表吸光度信号的数据来确定样本的吸光度。
在具体布置中，文中公开的方法可适于分析吸光度信号，该方法包括:在调制器中生成调制信号；用调制信号对光源进行调制；将光信号引导至吸收至少一部分光信号以生成吸光度信号的样本，吸光度信号包括时间衰减部分；通过检测器检测吸光度信号以生成依赖时间的检测信号；将检测到的信号与调制信号混频以生成混频信号；将混频信号进行变换以生成傅里叶变换的时间衰减信号，傅里叶变换的时间衰减信号包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号、以及具有多个频率分量的多个变换的时间衰减信号；确定基本频率处以及与基本频率不同的至少一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号；分析该依赖频率的幅度信号以确定代表吸光度信号的数据来确定样本的吸光度。
分析依赖频率的幅度信号可包括确定频率处的变换的时间衰减信号中的至少一个的幅度与余下的变换的时间衰减信号中的一个或多个或基本的变换的时间衰减信号的幅度的比。该幅度比可代表时间衰减信号的时间衰减常数τ，时间衰减信号的时间衰减常数τ又可代表样本的吸光度和/或吸收光谱。
在文中公开的系统的任何一个方面中，该系统适于分析吸收度信号。该系统可包括用于生成调制信号的调制器。该系统还可包括适于被调制信号调制的光源。该系统还可包括光腔。光腔可适于使来自光源的调制光共振并输出吸光度，其中光腔适于在其中容纳样本，使得在使用中样本吸收至少一部分共振的光信号。吸光度信号可包括时间衰减部分。该系统还可包括检测器，检测器用于检测吸光度信号并生成依赖时间的被检测信号。该系统还可包括混频器，混频器用于将被检测信号与调制信号混频以生成被混频信号。该系统还可包括信号变换器，信号变换器用于变换混频信号并生成傅里叶变换的时间衰减信号。信号变换器可包括低通滤波器、积分器、或求和运算器。傅里叶变换的时间衰减信号可包括调制信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号。傅里叶变换的时间衰减信号可包括具有多个频率分量的至少一个或多个变换的时间衰减信号。该系统还可包括确定器，确定器用于确定基本频率处以及与基本频率不同的频率处的每个变换的时间衰减信号的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号。该系统还可包括分析器，分析器用于分析依赖频率的幅度信号以确定代表吸光度信号的数据来确定样本的吸光度。
该系统可包括具有第二 (不同)调制频率的第二调制器(本地振荡器)。该系统可包括第二混频器，第二混频器用于将检测到的依赖时间的检测信号与第二调制频率混频以生成第二混频信号。信号变换器可对第二混频信号进行变换以生成第二调制频率的第二傅里叶变换的时间衰减信号。确定器可确定第二调制频率的第二傅里叶变换的时间衰减信号的幅度。分析器可确定第二傅里叶变换的时间衰减信号的幅度与第一傅里叶变换的时间衰减信号的幅度的比。
在具体布置中，文中公开的系统可以是用于分析吸光度信号的系统，其包括:用于生成调制信号的调制器；适于被调制信号调制的光源；光腔，适于使来自光源的调制光共振并输出吸光度信号，其中光腔适于在其中容纳样本，使得在使用中样本吸收至少一部分共振的光信号，并且吸光度信号包括时间衰减部分；检测器，用于检测吸光度信号并生成依赖时间的检测信号；混频器，用于将检测信号与调制信号混频以生成混频信号；信号变换器，用于变换混频信号并生成傅里叶变换的时间衰减信号，其中傅里叶变换的时间衰减信号包括本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号以及具有多个频率分量的至少一个或多个变换的时间衰减信号；确定器，用于确定基本频率处以及与基本频率不同的频率处的每个变换的时间衰减信号的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号；以及分析器，用于分析依赖频率的幅度信号以确定代表吸光度信号的数据来确定样本的吸光度。
文中公开的系统还可适用于吸光度信号的实时分析。
虽然与文中公开的内容相似或等同的任何方法和材料都可用于本发明的实践或测试，但还是描述了优选方法和材料。应理解，文中公开的方法、装置和系统可以以各种方式实施并用于各种目的。这里仅通过实施例进行描述。


现在将参照附图仅通过实施例描述文中所述的检测方案的布置，在附图中:
图1是CRDS系统中所使用的时间衰减信号和典型方波调制信号的曲线；
图2A示出由激光器/腔锁定系统生成的衰荡波形的限制情况下的时间衰减信号的描绘；
图2B示出图2A的限制波形中的每一个和方波的傅里叶变换的描绘；
图3是CRDS应用中所采用的数字解调系统100的示例性布置的简化示意图4是图3的布置的数字混频器的输出相对于衰减常数的曲线；
图5是CRDS应用中所采用的数字解调系统100的替代布置；
图6是示出傅里叶变换频谱中的各种高次谐波峰值nf的幅度与基本频率f的幅度的比如何随着衰减常数τ的相关函数变化的曲线；
图7是CRDS应用中所采用的数字解调系统100的另一个替代布置；
图8Α和8Β是分别对于a)抽真空腔和b)具有未知浓度的气相吸收物种(NO2)的腔，从CRDS系统中的高精细光腔的输出测量的腔衰荡信号；
图9是被编译以用于执行文中所述的傅里叶变换分析的具有图8A和SB中类型的多重腔衰荡光谱的收集；
图10是观察到的时间常数τ和观察到的所测量的衰荡波形的傅里叶变换的信号中的第一峰值与第二峰值之间的峰值比之间的关系的曲线，其中吸收物种位于CRDS腔中；
图1IA是通过分析CRDS衰荡波形的传统方法获得的吸收光谱((I/ τ -1/ τ J对波长);
图1lB是通过文中所述的傅里叶变换方法获得的未修正的吸收光谱(比(NO2)-比(基线))对波长)；
图12是来自FTIR干涉仪的样本干涉图13示出来自具有和不具有受验样本的FTIR干涉仪的干涉图的曲线；
图14示出来自图13的样本干涉图的FTIR的傅里叶变换的输出的曲线；
图15是图14的FTIR输出的背景分量和信号分量；
图16是被用作本方法和系统中的本地振荡器信号的12C16O2和13C16O2的示例吸收光谱；以及
图17是使用本方法确定的13C/12C比与来自传统质谱分析方法的13C/12C比之间的对照的曲线。
具体实施方式
参照附图，文中公开了用于分析时间衰减信号的数字检测的系统和方法，分析时间衰减信号的数字检测在文中被例示为对吸光度信号的检测和分析。
应理解，任何波形都可以由正弦和余弦的加权和表示。在电子系统中，给定频率的正弦波对任意波形的贡献程度可以使用混频器(mixer)确定，混频器可以是模拟的或数字的。混频器接受信号波形和由本地振荡器生成的信号(通常是具有已知频率f的正弦函数或方波信号)作为输入。混频器输出的直流分量是与频率为f的正弦波对信号波形的贡献程度成正比的信号。通过扫描本地振荡器频率，时间上的复杂信号可以被分解为与通过应用傅里叶变换获得的频谱类似的频域谱。
使用正弦波作为混频器的本地振荡器，仅单一频率分量对信号波形的贡献被测量至IJ。如果对多个频率感兴趣，则可使用替代的本地振荡器来同时测量具有不同频率的一组正弦波的贡献。例如，频率为f的方波由频率为f、3f、5f、7f、9f....的一组正弦波构成。使用方波作为本地振荡器信号，从混频器的输出获得的混频信号因此是f、3f、5f、7f、9f的正弦波或更高谐波对信号波形的联合贡献的测量。以这种方式，混频器可用于确定一组正弦函数对信号波形的同时贡献。因此，通过使用合适的本地振荡器信号波形，可快速确定一组正弦波对复杂波形的贡献。应注意，该检测方案的优点在于过滤掉除了恰好出现在f、3f、5f、7f、9f和更高谐波处的噪声源之外的所有噪声源。
然而，不限于通常从锁定的腔衰荡光谱系统获得的信号(例如，类似于图1的曲线10)的分析，文中所述的信号分析技术参照时域信号容易地描述，例如，用于分析干涉图(即，来自干涉仪)、或可选地用于分析光学通信系统中的信号退化(例如，用于诸如自由空间或光纤的通信链路上光学调制信号的传输)。
在CRDS系统中，样本(吸收材料)被放置在具有输入耦合镜和输出耦合镜的高精细且稳定的光学共振器或衰荡腔中。准许通过输入耦合器进入衰荡腔的光向后和向前循环多次，从而建立具有周期性空间变化的驻波。通过输出耦合器离开的光与腔内光强度成正比。在输入光源终止之后，储存在衰荡腔中的辐射能随时间减小(衰荡)。对于空腔，所储存的能量遵循以衰荡率为特征的指数式衰减，其中衰荡率仅取决于镜子的反射率、镜子之间的间隔和腔中的光的速度。如果样本被放置在共振器中，则衰荡被加速；在合适的条件下，腔内能量几乎完全以指数方式衰减。
在腔衰荡光谱学(CRDS, cavity ringdown spectroscopy)中，高精细光腔内捕获的光的衰减是腔内的气相分子的吸光度(又称为光密度)的直接测量。吸光度通过监视随时间t以指数方式衰减的信号I的衰减常数τ来测量，信号I被描述为:
I=0+A.exp[_t/ τ ](等式 I)
其中O是任意直流偏移，A是衰荡波形的振幅。衰荡衰减常数τ与光腔内的吸光度成反比。用于样本的吸收光谱通过绘制衰荡率R或衰荡衰减常数的倒数I/τ与入射光的波长λ的关系曲线来获得。在实践中，衰减常数τ几乎普遍地通过对腔的输出处的信号进行数字化并使用非线性最小二乘拟合程序将单独的或平均的衰荡波形拟合至三参数函数(诸如等式I的函数)来确定。
不幸地，这个过程大大降低了任何试图提供几个波长的实时光谱的仪器的速度。两个早先的小组(例如见参考文献I和3)避免了使用模拟系统拟合衰荡信号。Anderson等人(参考文献I)使用了时钟电路来确定τ ,然而Romanini等人(参考文献3)利用脉冲串积分器(boxcar integrator)。这两种方法虽然善于快速提取数据,但均具有如下缺点，即这两种方法仅对一小段衰荡信号进行采样；因此，信噪比必然受到影响。模拟CRDS检测系统的其它讨论在第6，233，052号和第6，532，071号美国专利中提供。
采用频率锁定至衰荡腔的连续波(cw)激光器的仪器能够生成超过5kHz速率的波形(例如，见参考文献4和5)。在这些系统中，激光器和光腔被锁定为共振并且获取衰荡波形的时间限制因素是τ本身，S卩，类似图1的曲线10的波形的生成可以与腔能够“积聚(ring up)”和“衰荡”一样快。仅一个仪器(例如，见参考文献4的仪器)已经表明以这些速率从衰荡波形提取实时吸收数据(即，吸光度和/或吸收光谱)的能力。这些系统采用由对数放大器、模拟滤波器和锁定放大器构成的模拟检测系统，然而由于该系统需要这样一批专用部件，故该系统必然很复杂，因此难以用来获得有意义的结果。
为了简化检测方案,应认识到，当以基本频率(fundamental frequency) f (即，图1的曲线20中示出的激光斩波信号)打开和关闭时，时间衰减信号存在两种限制情况。
图2A是示出在由激光器/腔锁定系统生成的衰荡波形的限制情况下的信号的示意图。从图2A的曲线30可看出，在与光学斩波频率f相比极短的衰减时间τ (g卩，小τ，或大样本吸光度)的限制下，频率锁定的衰荡系统的衰荡波形接近方波(该波形在文中将被称为准方波)。在长衰减时间即图2Α的曲线40 `(大τ，小样本吸光度)下，衰荡波形接近三角波(即，准三角波)。
这些限制波形(B卩，准方波和准三角波)中的每一个的傅里叶变换以及纯方波的傅里叶变换分别在图2Β中以曲线35、45和25示出，并且应注意关于这两种限制情况的频率分量的几件事情。首先，对于两种波形来说，组成时间衰减波形的傅里叶频谱的分量正弦波的频率f是相同的。其次，用于具有短衰减时间的波形的所有频率分量的振幅通常低于用于长τ波形的振幅。也就是说，准三角时间衰减波形40的傅里叶变换的信号中的谐波分量的幅度(magnitude)的包络47小于准方波时间衰减波形30的傅里叶变换的信号中的谐波分量的幅度的包络37。谐波分量中的每一个的幅度的减小部分地归因于短τ波形40的较低振幅，这是既不允许腔完全积聚又不允许腔完全衰荡的结果。
此外，长τ波形40的越高频率分量的振幅越大于短τ的越高频率分量的振幅，如图2Β的包络37与47的比较清楚地证实。这是波形形状本身的结果，方波由一组同等加权的正弦波组成(见纯方波的傅里叶变换的信号25中的相等幅度的谐波分量)，而三角波由强度在更高频率下减小的一组正弦波组成。
因此，时间衰减信号的衰减时间τ的变化可通过对衰荡波形的各种频率分量中的一个或多个(例如，CRDS系统的基本调制频率f的一个或多个谐波分量)的幅度进行监视来确定。在实践中，这通过合适的本地振荡器执行，本地振荡器或者使用混频器或者在数字上将衰荡信号和本地振荡器信号相乘并在给定时间内求和。在CRDS系统中的激光器输出的强度恒定或仅在激光器的频率被扫描时缓慢变化的情况下，该波形的所有频率分量(例如基本调制频率f的谐波频率)的总振幅是衰减时间τ的测量。为了同时测量所有频率分量，衰荡波形与合适的本地振荡器信号混频，本地振荡器信号被有利地看作是用于对CRDS系统中的激光强度进行调制的相同方波信号。
如图2Β所示，方波激光调制信号的频率分量(即激光的斩波频率)出现在与衰荡波形的分量相同的频率处。因此，通过将激光调制信号用作混频器中的本地振荡器信号，感兴趣的所有谐波频率的幅度被同时测量。在实践中，基本调制频率f的高达约7次和9次谐波的谐波频率分量足以获得相对于衰减时间信号的傅里叶分量的衰减常数τ的精确确定。可选地，作为简单获取一个或多个谐波分量的幅度并进行这些一个或多个分量中的每一个与基本傅里叶分量的幅度的比的替代，可以获取一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个高次谐波分量的和，并且获取谐波幅度和与基本傅里叶分量的幅度的比。
图3示出了用于分析CRDS应用中描述的时间衰减信号的系统100的示例性布置的简化示意图。光源110 (例如合适的激光源)，可以是可调谐激光源，通过经由通信线路121来自调制器(本地振荡器)120的方波信号122调制，以产生准连续波光束111。例如，光源110可以是量子级联激光器。其它类型的光源尤其是激光器在下文描述。光束111进入由反射器131和133限定的高精细光腔130，其中，反射器中的每一个均具有位于调制光束111的波长处的反射率，对于CRDS系统，该反射率是典型的并且通常大于99.9%，使得光束Illa在腔130内共振。被分析的吸收样本135 (例如，气相物种)位于光腔130内的反射器131和133中间，使得光束111在腔130中至少部分地被样本135吸收。对于腔130的每次往返行程，光束Illa的一小部分离开该腔作为时间衰减信号115 (具有与图1的曲线10相似的形式)，并且被光学检测器140检测。检测器140例如可以是光电倍增管、光电二极管或具有用于检测时间衰减信号的足够快的响应时间的其它合适的光学检测器。检测的信号141从检测器140输出并经由通信线路142输入至混频器模块150，在混频器模块150处，检测的信号141与方波数字混频，该方波具有与衰荡波形115相同的频率并且可以直接从方波调制信号122获取(如图中所示)，其中方波调制信号122从调制器120经由通信线路123输出。混频器150可生成变换的(解调的)输出信号151，输出信号151经由通信线路152输入至适于对变换的输出信号151进行分析的确定器160 (诸如，例如，计算机或可选的确定设备诸如计算器或类似设备)。这里描述的系统100是用于对位于光腔130中的样本135的腔衰荡时间衰减(吸光度)信号115进行分析的数字解调系统的示例。
在实践中，光源110通常是在感兴趣频率范围内扫描的可调谐激光源，并且针对被扫描频率范围内的频率确定吸光度以生成被扫描频率范围内的吸收物种(样本135)的吸光度光谱。可选地，光源可以是输出一定范围频率的光的宽频带光源，并且该系统还可包括扫描设备(未示出)以在一定范围的输出频率上进行扫描，从而在被扫描的频率上检测时间衰减信号以生成被扫描频率范围内的吸收物种(样本135)的吸光度光谱。
图4是数字混频器150 (其信号输入是具有变化的τ的衰荡波形115)的输出151相对于衰减常数τ的曲线，衰减常数τ在这里以τ与腔被允许衰荡的时间长度(斩波窗口)的比给出。这被用作校准曲线，校准曲线用于建立混频信号中的频率分量的幅度之间的比与腔中的吸光度之间的定量联系。应清楚，虽然不是线性关系，但混频器的输出随着腔的衰减时间τ (通过腔130内的气相物种的吸光度的量确定)的变化而改变。来自混频器150的输出151因此可用来确定腔130内的物种的吸光度。这最有可能通过使用查找表或校准曲线诸如图4中所示的校准曲线(例如见图10中的实验确定的类似的校准曲线)来实现，该查找表或校准曲线将来自数字混频器输出(或被标准化为如图3所示斩波窗口的输出)等同至衰减常数τ，其被期望并且似乎遵循指数关系，该指数关系的参数很可能是采样频率和样本长度的简单函数。本领域技术人员将理解，校准曲线于是被用来以用于腔衰荡光谱仪系统的常规方式确定高精细腔内的气体物种的吸光度。
上述系统的一个缺点在于来自数字混频器150的输出对激光强度的波动敏感。因此，激光波动将在确定衰减常数τ时充当噪声源。为了克服该缺陷并使来自混频器150的输出对激光强度的波动不敏感，确定较高频率分量之一的强度(幅度)与较低频率分量的强度(幅度)的比，即图2Α中示出的衰荡波形的傅里叶变换中的第二峰值与第一峰值的比。可选地，确定傅里叶变换的输出中的较高谐波分量(例如3f、5f、7f、9f…)中的一个或多个的幅度与基本频率f处分量的幅度的比。
谐波分量的幅度可以可选地使用一组数字混频器获得，如图5的可选示意性布置中示出，其中相同的标号用于指代CRDS系统中的相同部件。该系统包括本地振荡器221和223，本地振荡器221和223生成感兴趣的一个或多个频率的本地振荡器信号。由本地振荡器221和223生成的本地振荡器信号中感兴趣的频率可以是基本频率的谐波频率，虽然这是不需要的。对于本地振荡器中 的每一个，可以选择生成具有一个或多个频率分量的信号的任何期望的本地振荡器，例如也可以使用方波本地振荡器信号或包括不同频率的一个或多个正弦波的叠加的信号。由本地振荡器生成的信号的频率需要是感兴趣波形的频率分量，虽然这些频率倾向于是谐波，但本地振荡器信号的频率不限于谐波。本地振荡器221和223分别联接至单独的数字混频器150a和150b以分别获得表示各频率谐波分量幅度的输出信号261和263，输出信号261和263分别经由通信线路262和264输入至确定器160。通过获取混频和整合的输出(即傅里叶变换的信号)中的峰值的比，由光源110的强度波动导致的衰减时间常数τ的波动被消除。
图6是示出傅里叶变换频谱中的各种高次谐波峰值nf的幅度与基本频率f的幅度的比如何随着衰减常数τ相对于上述斩波窗口的相关函数变化的曲线。
虽然上面的讨论集中于CW激光输出波形，但数字信号解调技术也适用于脉冲激光系统。在快速数字转换器的获取之后，与图1的曲线10的波形类似的波形可使用脉冲系统衰荡波形以相同方式来构造和分析。在该分析中，衰荡事件中的大多数数据被消除并且每个其他波形被修改以产生通过合适的本地振荡器信号分析的周期波形。所产生的系统能够获取和分析由甚至快速脉冲系统生成的100%的波形。
这类数字分析提供超过之前系统的若干显著优点。首先，与由本地振荡器生成的本地振荡器信号中的一组频率不一致的所有噪声源被完全过滤掉。确实，衰减常数τ甚至在时间衰减波形本身存在显著随机噪声的情况下也可以被十分精确地确定。第二，信号偏移不影响测量的τ。不同于上面所述的模拟系统，只要本地振荡器(数字生成的信号)是交流耦合的，则衰荡波形的直流偏移的变化不影响使用该数字混频方法观察到的衰减常数。第三点是速度。通过采用数字硬件，诸如现场可编程门阵列，甚至需要获取如上所述的强度比的并行处理也能够以与用于获取信号的数字转换器相同的速率发生并能够以光源本身的调制速率被执行。这使得在许多情况下能够进行10个循环或更少个循环的测量(S卩，使用来自CRDS系统的一个到十个之间、或仅一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、或十个信号波形)，并且设想每个测量可在10微秒或更少时间内获得，从而使得与先前报告的每秒至多可进行单次测量的模拟型系统相比能够在一秒内进行上千次的单独测量(如果这些循环特别嘈杂，则可能需要额外的循环，例如，高达50或100个循环)。因此，对于在感兴趣的频率范围内扫描的可调谐激光源，能够在一秒内获取吸收物种的整个光谱，从而显著加快了检测过程并使以比现有系统明显更快的速率的完全频谱分析成为可能。第四，该数字解调技术提供超越先前报告的模拟检测系统的噪声优点。在模拟检测系统中，分析的每个步骤均向波形增加电子噪声。这里，信号被立即数字化并且所有分析均以完全数字的方式进行，因此不向信号增加额外的噪声。此外，该系统对出现在与由本地振荡器生成的本地振荡器信号的频率不同的频率处的所有噪声源都不敏感。
在如图7示意性地示出的另一个布置300中，设想其为图5中所示的布置200的扩展，本地振荡器321可以适于生成任意复杂的本地振荡器信号波形323 (例如，其可通过具有各种频率和幅度的正弦波的叠加形成)，本地振荡器信号波形323随后与由检测器140检测的来自腔130的时间衰减信号输出115进行混频。在这种情况下，来自数字混频器150的输出363给出存在于来自腔130的时间衰减信号115中的任意波形的频率分量的组合的幅度的指示。在这种布置中，不是本地振荡器信号被简单用于测量具体频率对时间衰减信号的贡献，而是具有复杂本地振荡器信号波形(诸如波形323)的本地振荡器信号将同时提供对复杂的本地振荡器信号波形的所有频率分量的测量并能够确定该组频率对时间衰减信号或可选地对光谱的贡献，其中本地振荡器复杂信号波形对该光谱具有未知贡献。这种布置的简单示例将生成具体物种的已知吸光度的傅里叶逆变换，并使用该傅里叶逆变换的信号作为系统的本地振荡器，以确定该物种对时间衰减信号的贡献，从而确定存在于测量系统中的具体物种的浓度。
在另一个布置中，吸收物种的光谱可使用上述方法获得，该方法使用方波调制的信号作为本地振荡器，该信号有利地是与用于激光源调制的相同调制信号，使得从产生的傅里叶变换信号(来自混频器模块的输出)去除激光中的噪声源。为了获得光谱，采用可调谐激光源并且通过检测器在感兴趣区域中的各波长处测量至少一个衰荡信号。在实践中，可获得多于一个的衰荡信号并且结果被平均化，虽然设想能够在每个波长I至10个、I至20个、I至50个衰荡波形信号的情况下进行精确测量——所需波形的实际数量当然将取决于信号中的噪声水平。
一旦已经在感兴趣的波长区域中获得吸光度光谱(参见下面的示例)，则可重复使用相同方法来进一步分析含有(潜在)未知气相物种的未知贡献的这种光谱。也就是说，测量到的吸光度光谱与包括复杂信号波形的本地振荡器信号混频，复杂信号波形指示被怀疑存在于测量到的光谱中的物种的已知吸光度光谱。数字解调技术领域技术人员将理解，这是广义傅里叶变换技术的应用。广义傅里叶变换技术的结果是对测量到的吸收光谱与作为被怀疑物种在测量到的光谱中的存在的百分比概率的函数的被怀疑物种的已知吸收光谱的正交性的测量。如果本系统所测量的气相物质的构成物种是未知的，则从合适数据库(诸如例如HITRAN (参考文献12))获得多个已知吸光度光谱，虽然在模拟从该数据库获得的吸光度光谱时需要小心以匹配光谱仪中的测量条件(例如温度)。
有利地，获得已知吸光度光谱的优选方法将使用从光谱仪本身获取的数据。这特别适用于检测与当前数据库系统诸如HITRAN数据库所能够预测的分子相比更大或更复杂的分子。也就是说，在分析未知物的任何尝试之前使用相同设备建造光谱的库。已知吸光度光谱可随后以文中所述的方式各自单独与测量到的光谱混频，并且根据已知光谱中的每一个与测量到的光谱中的每一个的正交性，可以确定被测量物种的成分，即，该技术通过具有更快的处理速度而在指纹分析中尤为有利。因此，上述数字信号解调技术提供通过使用数字解调技术实时提取吸光度测量值来询问高速衰荡腔波形的简化数字方法。
该技术当然不简单限于经由CRDS确定气相物种的吸光度，还可应用于任何时域信号，其中一个或多个频率处的强度变化是指示生成该时域信号的总体系统的参数的信号。例如，上述技术还可以被应用于下面参照傅里叶变换红外(FTIR)干涉仪描述的分子指纹识别应用中，在该应用中，该测量不再是时间衰减的测量，而是强调本地振荡器信号不需要是单个正弦波。可通过许多频率分量构造非常复杂的本地振荡器信号以同时且非常快速地测量任何时变信号中的大量感兴趣频率的振幅。
在具体示例中，上述数字解调技术被应用于如下所述的傅里叶变换红外光谱仪应用。
在FTIR光谱仪中，来自非相干源的光在落入检测器之前穿过Michelson干涉仪和样本。检测器处的信号被监视以作为干涉仪内的镜位置的函数，并且傅里叶变换被应用于所产生的干涉图案(干涉图)。该结果是频率空间中的光源的强度频谱。在光束中放置吸收样本使光源衰弱，并且所产生的光谱呈现出该衰弱。从在光束中存在样本和光束中不存在样本的情况下获得的光谱获得样本的吸收光谱。单个气相物种的FTIR光谱通常在吸收光谱中呈现出几十个峰值(如果不是几百个的话)，每个峰值均包含关于吸收物种的浓度的信息。使用文中所述的解调技术，可以快速确定光源在所有感兴趣频率处的衰弱。
理想地，为了从FTIR光谱中提取定量信息，将使用光谱中的样本吸收被观察的每个点。在一组吸收峰值可归因于感兴趣的吸收物种的简单情况下，常用峰值下的总整合区。多个多元技术已经被开发以定量地确定混合物中物种的浓度(参见参考文献6至8)。这些技术包括经典最小二乘回归(CLS)、逆最小二乘回归(ILS),以及主成分分析(PCA)。所有这些技术均使用具有已知浓度的感兴趣物种的一组吸收光谱。这些光谱最常见地通过用于进行未知物分析的相同仪器获取，虽然被计算的光谱也已经被使用。这组光谱随后用于“训练”矩阵，该矩阵进而用于从未知混合物的光谱中提取浓度信息。所有这些方法遭受相同的主要限制，该限制约束所有这些吸收测量的灵敏性。也就是说，在低浓度处吸收光谱学被简化为测量观察到的光源强度的非常小的变化。此外，波峰形状的失真，包括由有限数据组的傅里叶变换导致的伴峰的形成，即，用于傅里叶变换的窗口的选择，该选择向傅里叶变换的信号增加不期望的假象(见参考文献13，其用于进一步讨论可由离散数据组的傅里叶变换引入的不期望的假象)。确实，各种切趾方法已经被开发以使伴峰和波峰失真最小化，以试图克服这些问题。
原则上，由FTIR仪器生成的干涉图的分析提供克服由存在和不存在样本的情况下的辐射强度之间的测量差异所带来的限制的方法。在不存在样本的情况下，FTIR中的光源的发射光谱通常是宽的平滑曲线并且所产生的干涉图仅示出小的镜位移处的重要强度。由于吸收者被放置在光束中，尖锐的吸收特征出现在吸收光谱中，该吸收光谱在时域干涉图中表现为持续更大镜位移的高频波形。因此，由尖锐吸收特征所生成的信号的特定频率的检测成为大镜位移处的近似零背景测量。
各种小组已经在之前使用了用于分析在FTIR光谱术中生成的干涉图的方法(见参考文献9、10和11)并且典型的解决方案是通过带通滤波进行时间-空间傅里叶变换分析并常常采用类似上面描述的多元技术来分析干涉图而不是吸收光谱。例如，Brown和合作者(参考文献10)采用了卡曼滤波器来使用基于感兴趣吸收物种的吸收光谱的训练组的矩阵获得浓度数据。Small等人(参考文献9)开发了用于应用于使用被动FTIR光谱术对热烟羽进行环境监视的干涉图的直接分析的两步式方法。首先，对干涉图应用数字带通滤波器以有效去除感兴趣频率范围之外的信号。随后对产生的过滤波形段应用数字图案识别算法以检测物种诸如氨和乙醇的存在。此外，Stal Iard等人(参考文献11)使用来自FTIR的过滤的干涉图来生成合成背景，该合成背景用于无法轻易获得背景光谱的应用。它们通过使波形与以中心爆发处为中心的高斯分布相乘来过滤干涉图，从而有效地消除来自吸收物种的出现在大镜位移处的窄波峰信号。这些早先方法中的每一个均存在数据分析方面的问题(最显著的是获取它们的结果所需的时间)、来自带通、低通或其它滤波方法的数据中的假象问题、以及系统的复杂性。也就是说，需要本领域技术人员在上述技术之前的技术中进行计算，它们代表当前使用的现有分析方法。可选地，如果系统的所需计算是自动的，则这将需要具有大量计算能力需求的昂贵系统。由于本方法实质上仅进行相乘，故其在计算上相当廉价并在操作者的所需的时间以及操作者的易用性上提供显著优点以实现实时操作，例如，许多波长/频率处的吸光度信号的实时频谱分析。
实施例1
具有0.04nm线宽且以约IOHz发射的脉冲N2激光泵浦染料激光器被用作CRDS测量系统的激光源。用于抽真空的腔(压力p〈0.1托)和具有NO2 (最初目前未知浓度)的腔的在各个被询问波长处的100个单发射衰荡波形例如分别见图8A和8B的曲线810和820中的单发射衰荡波形(实际上，在这种情况下为反向的衰荡波形)。在所使用的具体装配中，激光源在输出功率或波长方面不稳定并且激光源与腔的模式匹配远未达到最优，因此衰荡波形中的显著噪音被预料到并且在图810和820中清楚地观察到。
在从衰荡波形确定光谱数据点的传统方法中，各单独衰荡波形被拟合以获得时间常数τ的值并且该拟合通常使用最小二乘拟合方法。相对于均值多于两个标准偏差的衰减常数拟合器的约10%被丢弃。由于嘈杂的激光源，对于时间常数τ的发射到发射(shot-to-shot)的拟合测量，观察到显著变化。用于数据拟合的总分析时间约为两小时。如果少量衰荡波形的平均化在拟合程序之前被平均，可以明显地观察到短时间的优点，然而，这个优点将被最小化。
还根据上述方法分析数据。为了使数据处于正确的形式以供傅里叶分析，对于在每秒波形都被及时倒置的抽真空的腔和具有未知压力的NO2的腔，20个波形将被数字地编译(分别见图9的曲线815和825)。为了确保傅里叶变换的数据的所有峰值均是正的，仅计算波形815和825的傅里叶功率谱、以及傅里叶变换的频谱中的第二峰值和第一峰值的振幅(幅度)的比(忽略OHz处的直流峰值)。获得足够的衰荡数据以生成傅里叶变换(在本实施例中使用快速傅里叶变换)并分析各个波长处的5个波形。对于该步骤来说，分析时间小于5秒，因此清楚地使该技术大大优于传统分析测量，至少作为时间的函数以实施分析阶段。
图10是观察到的时间常数τ与观察到的(图9的)波形825的傅里叶变换的信号的第一峰值与第二峰值之间的峰值比之间的关系曲线。校准曲线830与已经通过实验获得的图4的校准曲线类似。衰荡衰减常数τ通过使用用于分析衰荡波形的传统最小二乘拟合方法将单独的衰荡信号输出迹线(例如图8Β的820)拟合至指数衰减并对每波长200个发射求平均来确定。衰荡衰减常数τ随后与使用本方法获得的频率分量的比相对照以建立校准曲线830——图10的y轴上的比仅仅是图9的波形825的傅里叶变换的信号中的基波峰值和一次谐波峰值之间的比(在本示例中使用快速傅里叶变换)，通过首先执行传统方法并将其与使用本方法获得的频率分量的比相比较来获得。在实践中，对于每个具体光谱仪，该校准曲线将根据各种采样参数(例如，采样时间和采样长度)确定，并且该校准数据将通过光谱仪储存并应用于随后通过具体光谱仪获取的数据的分析。不出所料，该关系是完全非线性的，虽然可以对这些数据进行拟合以修正该非线性度。
图1lA和IlB分别示出由传统方法获得的吸收光谱[(I/ τ -1/ τ 0)对波长]840(其中Ttl是抽真空腔的时间常数)、以及未修正的吸收光谱[(比(NO2)-比(基线))对波长]。对于抽真空腔[即比(基线)]和具有未知浓度的NO2的腔[即(比(NO2))] (二者均作为激光源的波长的函数)，使用文中所述的傅里叶变换方法确定未修正吸收光谱850所使用的比通过取傅里叶变换的数据中的第一和第二峰值的功率谱的振幅的比来获得。在这两种情况下，误差条代表一个标准偏差。在各图中连接数据点的线仅仅用作辅助观看。仅使用傅里叶变换的信号的第一和第二峰值之间的比，误差是已经小于传统方法中的相似数据点的每个数据。还应注意，对于传统方法中的计算，数据被丢弃，而使用文中所述的傅里叶变换方法计算吸光度光谱，则没有数据被丢弃——所有收集的数据均被用于计算。在传统方法中，每个点的平均标准偏差约为2%，而对于本发明的傅里叶变换方法，该平均标准偏差仅为1.2%。可以预期，通过傅里叶变换的信号中的较高阶分量的比的相比，将看见显著的改进，这些比被确定并用于计算每次测量的时间常数。
如图1lA和IlB可见，本发明的方法提供超越传统信号分析方法的具有优良误差处理并显著降低时间需求的分析技术。通过在硬件(例如，现场可编程门阵列(FPGA))中实施本发明的傅里叶变换混频方法的数据处理，可以预期到附加的增益，现场可编程门阵列被设计以用于本质上快于在计算机上执行计算的并行的数字的基于硬件的处理，并且可以预期至少2个或3个数量级的速度增益。使用FPGA的硬件实施还将在总体系统的尺寸上提供显著的优点，因为硬件能够被设计为执行系统的多重功能，例如，控制激光源、生成方波调制源以调制激光源和/或将被检测的时间衰减信号输出解调为多个频率分量以用于比分析，并且还可以被配置为控制CRDS腔向源的锁定并执行对被检测信号的所有数据处理，并控制系统的所有输入和输出。
实施例2
可采用文中所述的数字解调方法作为在不存在具有尖锐重叠吸收特征的干涉物种的情况下用于分析FTIR干涉图的替换方法。该结果是近似零背景测量，消除了对获取具有背景光谱的比的需要，同时消除了由其引入的噪声。
例如，文中公开的傅里叶变换方法被用于测量具有被定义为13C/12C的比的碳12C和13C (分别为98.1%和1.9%天然丰度)中的同位素比。该比可充当标记并且可用于通过不同元素的同位素比的组合确定碳化合物(例如石油化学产品、石墨)的起源，或可选地合成材料的起源。该比还可尤其被用在生物领域(例如，确定生物体的饮食或植物的起源或生长情况)或医疗领域(例如，用于检测例如通常存在于溃疡中的某些细菌的存在)。
苯甲酸的样本与13C标记苯甲酸定量地混合以控制样本中的13C的组合。0.20到0.40克苯甲酸球粒在过量氧气中燃烧以形成CO2。将燃烧的产物CO2放置在具有Michelson干涉仪配置的FTIR光谱仪中以确定13C/12C比。图12示出从FTIR光谱仪获得的样本干涉图900。干涉图关于y轴对称并且是多频率波的组合。干涉图的中心部分(“中心爆发”)是Michelson干涉仪中的两个镜之间的距离相等的位置。
图13示出在光谱仪中不具有样本的情况下来自背景信号910的FTIR的干涉图信号并且还示出了 CO2样本的干涉图920。可通过消除中心爆发并以更后的次数变换数据(即图13中的10000次以上)使穿过样本(I)的传播与背景信号(Itl)分离。图14示出FTIR信号输出930，即干涉图920的傅里叶变换(包括中心爆发)，其包括CO2吸收频谱(图15的932)和源的频谱内容和强度(图15的934)。
图16是使用文中公开的方法和系统获得的12C16O2和13C16O2的FTIR吸收光谱，其示出了 2300CHT1周围的13C16O2的强基本吸收频带和3700CHT1周围的12C16O2的弱组合频带。将基本吸收峰值与组合频带中的峰值相比，允许可比较强度的峰值的比较，因此减小了系统中的有限动态范围的影响。
如上面参照图7的布置所述，通过合适的本地振荡器信号，一组正弦波对复杂波形的贡献可使用混频器确定。为了使用混频器直接从干涉图提取浓度信息，合适的本地振荡器信号是含有发生吸收的所有频率处的一组正弦波的波形。生成该本地振荡器信号的一种方法是对感兴趣物种的吸收光谱(即图16的吸收光谱)应用傅里叶逆变换。所产生的干涉图案随后被用作本地振荡器并且在混频器中与FTIR干涉图混频和组合(混合)以生成混频信号——混频器输出的直流分量是感兴趣物种的线性传输函数。这允许同时监视许多不同频率处的吸收(吸光度)。
将使用FTIR信号和文中公开的使用具有变化的13C浓度的傅里叶变换混频方法获得的13C/12C比测量的结果与使用质谱分析法确定的样本的13C/12C比相比较。这在图17中示出。本实施例中的绝对精度因吸收特征的频率的漂移而被限制为约0.01%，并且期望通过使用合适的峰值跟踪系统显著改善该漂移。可见，即使考虑峰值频移，本方法同意质谱分析法测量在R2=0.9988的情况下是优秀的。
该技术具有多个优点。首先，如果短镜位移处的数据被忽略，则该技术成为近似零背景测量，因为仅坚持长镜位移的信号是可归因于尖锐吸收特征的信号。第二，数据分析迅速。通过合适的振荡器信号，数字混频器能够与信号获取过程一样快或甚至比信号获取过程更快地应用于干涉图。最后，就如上所述的CRDS系统来说，该方法对出现在与由本地振荡器生成的本地振荡器信号中的频率不同的频率处的所有噪声源不敏感。
应理解，上面描述/示出的方法和系统至少基本提供改进的系统和方法，所述系统和方法用于吸光度数据的快速数字频谱分析，尤其用于吸光度信号的实时频谱监视，虽然不限于该领域。例如，该方法还可用于量化调制的光学信号，该光学信号在诸如自由空间或光纤的通信链路上传输，从而调制信号从最初的像方波或准方波的信号降级至在时间上更分散并且更像准三角波的信号——在该方法中，光学信号的降级的分析例如可用于确定在通信链路上的传输质量和/或通信链路中的任何光纤链路的质量。因此应理解，文中提供的方法和系统具有广泛的应用并且不仅限于光学领域，还可用于其它电子系统中的信号，例如电子信号、或微波/短波/长波/尤其移动通信，并且在任何这些应用中使用本方法也落入本发明的精神内。
因此，文中所述和/或图中所示的系统和方法仅通过实施例呈现并且不被限定为本发明的范围。除非特别指明，信号分析方法和装置的单独方面和部件可被修改，或可以被替换为已知的等同物或未知的替代品，诸如可能在未来开发或诸如可能被发现作为在未来可接受的替代品。该信号分析方法和装置还可以在保持在本发明的范围和精神内的同时针对各种应用进行修改，因为潜在应用的范围很大，还因为打算使本信号分析方法和装置适于许多这种变型。
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权利要求
1.用于分析时间衰减信号的方法，所述方法包括: 在混频器中将所述时间衰减信号与由本地振荡器生成的本地振荡器信号进行混频，产生混频信号，从所述混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号，所述傅里叶变换的时间衰减信号包括所述本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号和多个频率处的多个变换的时间衰减信号；以及 确定所述基本频率处和与所述基本频率不同的频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
2.如权利要求1所述的方法，还包括确定频率处的变换的时间衰减信号中的至少一个的幅度与基本的变换的时间衰减信号的幅度的比。
3.如权利要求1所述的方法，还包括确定频率处的变换的时间衰减信号中的至少一个的幅度与余下的变换的时间衰减信号中的一个或多个的幅度的比。
4.如权利要求1所述的方法，其中变换的时间衰减信号的频率包括所述基本频率的一个或多个谐波频率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述本地振荡器是方波本地振荡器。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述本地振荡器是包括多个频率分量的复杂波形。
7.用于分析时间衰减信号的系统，所述系统包括: 混频器，用于将所述时间衰减信号与本地振荡器混频以生成傅里叶变换的时间衰减信号，所述傅里叶变换的时间衰减信号包括所述本地振荡器的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号和多个频率处的多个变换的时间衰减信号；以及 确定器，用于确定所述基本频率处和所述多个频率的每一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述系统适于实时分析所述时间衰减信号。
9.如权利要求8所述的系统，还包括用于实时分析所述时间衰减信号的信号解调器。
10.用于分析来自光学检测系统中的吸收物种的时域信号的系统，所述系统包括: 混频器，用于将所述时域信号与本地振荡器信号混频，产生混频信号，从所述混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号，所述傅里叶变换的时间衰减信号包括所述本地振荡器信号的基本频率处的基本的变换的时域信号以及所述基本频率的多个谐波频率处的多个谐波变换的时间衰减信号 ；以及 确定器，用于确定所述基本频率处和所述多个谐波频率的每一个频率处的变换的时域信号中的每一个的幅度。
11.如权利要求1、7或10所述的发明，其中所述时域信号是吸光度信号。
12.如权利要求1、7或10所述的发明，其中所述时域信号是腔衰荡信号。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述时域信号是干涉图信号。
14.如权利要求12所述的系统，还包括激发源，所述激发源选自: 连续波源， 准连续波源， 脉冲源，以及 调制源。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述激发源是激光源。
16.用于分析吸光度信号的系统，包括: 调制器，用于生成调制信号； 光源，适于使用所述调制信号进行调制； 光腔，适于使来自所述光源的调制光共振并输出所述吸光度信号； 检测器，用于检测所述吸光度信号并生成依赖时间的检测信号； 混频器，用于将所述检测信号与所述调制信号混频以生成混频信号； 信号变换器，用于变换所述混频信号并生成傅里叶变换的时间衰减信号； 确定器，用于确定基本频率处和与所述基本频率不同的至少一个频率处的每个变换的时间衰减信号的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号；以及 分析器，用于分析所述依赖频率的幅度信号以确定代表所述吸光度信号的数据来确定样本的吸光度。
17.如权利要求16所述的系统，其中: 所述光腔适于接纳吸收样本，使得在使用中所述样本吸收至少一部分共振的光信号，以及 所述吸光度信号包括时间衰减部分。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述傅里叶变换的时间衰减信号包括所述调制信号的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号以及具有多个频率分量的至少一个或多个变换的时间衰减信号。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述确定器适于确定基本频率处和与所述基本频率不同的至少一个频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度以生成多个依赖频率的幅度信号。
20.如权利要求16至19中任一项所述的系统,适于实时分析所述吸光度信号。
全文摘要
描述了用于分析时域信号的系统和方法。该方法包括在混频器(150)中，将时间衰减信号(115)与由本地振荡器(120)生成的本地振荡器信号(122)进行混频，产生混频信号，从该混频信号生成傅里叶变换的时间衰减信号，傅里叶变换的时间衰减信号包括本地振荡器信号(122)的基本频率处的基本的变换的时间衰减信号和多个频率处的多个变换的时间衰减信号；以及确定基本频率处和与基本频率不同的频率处的变换的时间衰减信号中的每一个的幅度。
文档编号G01J3/433GK103154684SQ201180040415
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月19日 优先权日2010年8月20日
发明者查尔斯·查贝尔·哈博, 托马斯·加里·斯宾塞, 托比·克瑞斯蒂恩·博伊森 申请人:新南创新有限公司