用于气体吸收频谱检测的校准方案的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于气体吸收频谱检测的校准方案。一种用于从传输频谱移除背景的技术，其包含：确定(402)检测器的性能特性；测量(404)包含吸收线的传输频谱；确定(406)气体池的性能特性；及通过组合所述传输频谱与所述检测器的所述性能特性及所述气体池的所述性能特性而从所述传输频谱移除(408)背景频谱。
【专利说明】用于气体吸收频谱检测的校准方案
【技术领域】
[0001 ] 本发明一般来说涉及一种用于气体吸收频谱检测的校准方案。
【背景技术】
[0002]频谱及频谱仪可用作各种测量及参考工具。此类工具可对几乎任一形式的物质使用大量测量技术。测量技术可取决于所关注的材料，所述材料可决定何种频率/波长可最适于测量。举例来说，频谱仪可适于测量发射或吸收频谱。此外，吸收频谱仪可特定寻找材料的特性吸收线。吸收线可用于从一系列已知频谱识别未知物质，或吸收线可用于检测样本中的已知物质的量。一般来说，频谱原理可用于各种测量或用于基于频率或波长界定参考。
【发明内容】
[0003]一种用于从传输频谱移除背景的技术，其包含:确定检测器的性能特性；测量包含吸收线的传输频谱；确定气体池的性能特性；及通过组合所述传输频谱与所述检测器的所述性能特性及所述气体池的所述性能特性而从所述传输频谱移除背景频谱。
[0004]一种用于从经测量频谱移除背景频谱的系统，其包含:吸收池，其含有气体；射频(RF)发射器，其用以将RF信号发射穿过所述吸收池；检测器，其用以接收所述RF信号；及控制模块，其耦合到所述发射器及所述检测器。所述控制模块用以:估计所述检测器的性能特性及所述气体池的性能特性；测量所述吸收池中的所述气体的传输频谱；及组合所述传输频谱与所述气体池及所述检测器的所述性能特性以从所述传输频谱移除背景频谱。
[0005]一种频谱仪，其包含:吸收池，其含有气体；射频(RF)发射器，其用以将RF信号发射到所述吸收池中；RF接收器，其用以接收所述RF信号；及RF信号产生与检测模块，其耦合到所述发射器及所述接收器。所述RF信号产生与检测模块用以:产生所述RF信号；检测由所述接收器接收的所述RF信号；及基于所述所接收RF信号测量传输频谱，其中所述经测量传输频谱包含所述气体的吸收线及背景频谱。所述RF信号产生与检测模块还用以:从所述传输频谱移除所述背景频谱从而留下吸收线频谱，其中所述移除所述背景频谱校准了所述频谱仪；基于所述吸收线频谱产生误差信号；及调整所述所发射RF信号以锁定所述吸收线频谱。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]针对本发明的示范性实施例的详细说明，现在将参考所附图式，其中:
[0007]图1展示根据各种实例的实施校准与误差校正方案的频谱仪100的框图；
[0008]图2展示根据各种实例的频谱仪100的另一框图；
[0009]图3展示根据各种实例的表示误差信号的实施方案且用以产生等于吸收线的中心频率的振荡器频率的控制系统的框图；及
[0010]图4是根据本文中所论述的各种实例的用于实施校准与补偿方案的方法400的流程图。
[0011]符号及命名法
[0012]遍及以下说明及权利要求书使用特定术语来指特定系统组件。如所属领域的技术人员将了解，公司可以不同名称提及一组件。本文件不打算区分在名称但非功能上不同的组件。在以下论述中及在权利要求书中，术语“包含(including) ”及“包括(comprising)”是以开放式方式使用的，且因此应解释为意指“包含但不限于…”。此外，术语“耦合(couple或couples) ”打算意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可通过直接连接或通过经由其它装置及连接的间接连接。
【具体实施方式】
[0013]以下论述针对于本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一或多者可为优选的，但所揭示的实施例不应被解释为或以其它方式用作限制包含权利要求书的本发明的范围。另外，所属领域的技术人员将理解，以下说明具有广泛应用，且对任一实施例的论述仅意欲为所述实施例的示范性的，且不打算暗示包含权利要求书的本发明的范围限于所述实施例。
[0014]频谱系统可需要校准来确保测量的准确性并校准系统。对系统进行校准允许调整经测量频谱以移除可不利地影响测量的任何固有系统特性。校准可在系统启动时或在运行时间期间周期性地执行以确保测量的保真度，但校准可需要可能不适于紧凑便携式频谱系统的辅助设备。
[0015]当执行(例如)气体的传输频谱并搜索精细吸收细节时,背景频谱可通过使此类精细吸收细节模糊而干扰分析过程。如本文中所使用，背景频谱与测量系统的性能特性相关，或更具体来说与频谱仪相关。为了在不具有背景系统的噪声的情况下获得所关注的精细吸收细节，从传输频谱移除背景频谱可为有帮助的。按常规，为了移除背景频谱，可实施两步骤过程。首先，在于系统中无所关注的气体的情况下测量频谱以获得背景频谱(即，系统的频谱数据特性)。其次，可接着在于系统中具有所关注的气体的情况下测量传输频谱。或者，可颠倒所述两个步骤。接着，可从经测量传输频谱移除背景频谱以获得仅所关注的气体的频谱。一般来说，可需要将背景频谱及经测量传输频谱去卷积，但按常规可由于计算的简易而执行减法。
[0016]在移除背景频谱之后，可由频谱系统更容易地分析并跟踪所关注的气体的吸收线。然而，为了跟踪吸收线，可需要反馈使得探测能量(举例来说，射频(RF)信号)被连续地调整使得吸收线总是被频谱系统监视。如本文中所使用，“锁定”或“跟踪”(及其变化形式)可指吸收线被频谱系统连续地测量或监视使得吸收线的中心频率被知晓。反馈可呈馈入到引导在其下发出RF信号的频率的RF产生器中的误差信号的形式。
[0017]本文中揭示使得能够从经测量传输频谱移除背景频谱(其中背景频谱基于频谱仪系统的性能特性)的系统及方法。频谱仪可估计气体吸收池的性能特性及检测器的性能特性。接着，可将所述性能特性与经测量传输频谱组合以从经测量传输频谱移除背景频谱。频谱仪可接着使用不具有背景频谱的经测量传输频谱来产生用于跟踪或锁定传输频谱的特征的误差信号。
[0018]图1展示根据各种实例的实施校准与误差校正方案的频谱仪100的框图。频谱仪100可包括气体吸收池102 (池102)、检测与控制模块104、射频(RF)接收器106及RF发射器108。池102可含有可在各种频率下展现特性吸收线的气体(例如空气或水蒸气)。RF发射器108可耦合到检测与控制模块104且可将RF信号发射到池102中。发射到池102中的RF信号可在其退出池102时由RF接收器106接收。
[0019]检测与控制模块104可包含用以实施校准与误差校正方案的功能中的许多功能。可在频谱仪100启动时运行校准过程，或可周期性地运行校准过程以确保其准确性。如果频谱仪100的环境条件(例如，池102的温度及/或压力)改变，那么可周期性地运行校准过程以考虑到由于环境因素可对频谱仪100具有的影响而引起的此类改变。对环境因素的改变可影响背景频谱及吸收线，从而迫使重新校准频谱仪100。举例来说，如果池102经历温度的增加，那么含于其内的气体可经历能量的对应增加。能量的增加可在经测量频谱中表现在吸收线的增宽及可干扰吸收线的测量的背景频谱的改变。
[0020]除池102之外，包含于检测与控制模块104中的检测器也可影响背景频谱。检测器的固有性能特性可由于其可赋予所接收信号的直流(DC)偏移及特性响应率而影响背景频谱。检测器的响应率可为检测器的输入-输出增益的度量。
[0021]为了测量传输频谱，频谱仪100可实施用于测量频谱的各种调制方案。频谱仪可使用(举例来说)振幅调制(AM)、频率调制(FM)或频移键控(FSK)来帮助检测探测能量、RF信号。举例来说，如果使用FSK，那么检测与控制模块104可在不同频率下产生两个相异RF音调(音调I及音调2)，其中两个音调分离开设定频率范围(例如，小于一兆赫兹)。一般来说，两个音调的频率分离可经设定以对应于所要吸收线的线宽度。接着，两个音调可以50%工作循环交替地发射且在系统启动时，扫掠跨越一频率范围以检测所关注的吸收线。所关注的吸收线可视为在对应于两个音调的所接收信号之间的差为零时找到。举例来说，在处于音调2的频率的经测量数据减处于音调I的频率的经测量数据为零时。此计算可表示吸收线的粗略检测，其可在使用校准数据来补偿测量时细化。接着，一旦细化了吸收线的检测，便可产生误差信号以锁定吸收线。
[0022]图2展示根据如本文中所论述的各种实例且用以实施校准与误差校正方案的频谱仪100的框图。频谱仪100被展示为包含与图1中所描述相同的组件，其具有对检测与控制模块104的扩展的说明。检测与控制模块104可进一步包括信号产生器202、校准与补偿单元204、误差校正产生单元206及检测器208。信号产生器202可用于产生由RF发射器108发射的RF信号。此外，RF信号产生器202可产生上文所论述的两个FSK音调。
[0023]检测器208可耦合到RF接收器106及校准与补偿单元204。检测器208可测量来自两个FSK音调的所接收信号且可将所述信息用于检测池102中的气体的吸收线。对应于两个FSK音调的所接收信号的量值可包含吸收线的签名信息以及处于所述频率的背景频谱两者。为了使校准与补偿单元204从信号移除背景频谱，频谱仪100可起始校准程序。如所提及，可在系统启动时或周期性地运行校准程序。校准程序可涉及估计池102及检测器208的性能特性。
[0024]为了估计池102的性能特性，校准与补偿单元204可使在吸收线附近的经测量频谱与低阶多项式拟合。当使频谱与低阶多项式拟合时，单元204可忽略吸收线使得吸收线不影响所述多项式。在一阶多项式或直线的情形中，此估计过程将形成斜率m及y截距b。这两个值可用于表示池102的性能特性。
[0025]为了估计可为例如包络检测器或平方律检测器的检测器的检测器208的性能特性，可估计DC偏移及检测器的响应率。DC偏移可为检测器给所接收RF信号的量值添加多少DC电压的度量。DC偏移还可通过将输出电压对输入功率绘图并从此曲线图的线性部分往回外推到y轴(其可以电压为单位)而确定。此外推跨越y轴所处的点可为检测器的DC偏移。响应率可为检测器208的每输入功率的增益的度量且可以启发方式确定或从检测器的数据表输入。
[0026]一旦已估计校准值，便可补偿由频谱仪100执行的后续测量以从所述测量移除背景频谱。以下公式为每频率的测量的模型:
[0027]y(f) = Rv(mf+b)t(f)Pin+yDC (方程式 I)
[0028]其中
[0029]Pin为输入到吸收池的功率；
[0030]t(f)为吸收线传输且被假设为I (即，无吸收)，因此吸收线不包含于测量中(即，其并非校准及补偿计算的一部分)；
[0031]m为与经测量频谱拟合的一阶多项式的斜率；
[0032]b为与经测量频谱拟合的一阶多项式的y截距；
[0033]yDC为检测器的DC偏移；
[0034]Rv为检测器的响应率；且
[0035]y(f)为处于频率f的经测量传输且包含吸收线及背景频谱。
[0036]因此，处于两个FSK音调(音调I及音调2)的吸收线频谱的量值在补偿(即，移除背景频谱)之后变为:
[0037]t (f) = [y (fi) -yDC] / [Rv (mf^+b) Pin] (方程式 2)
[0038]及
[0039]t (f2) = [y (f2) -yDC] / [Rv (mf2+b) Pin] (方程式 3)
[0040]其中
[0041]为FSK音调一(音调I)，且f2为FSK音调二(音调2);且
[0042]Hf1)为在音调I发射时由检测器208获得的DC耦合的测量，且y(f2)为在音调2发射时由检测器208获得的DC耦合的测量。因此，在两个FSK音调下采取的经补偿测量由t(fi)及 t(f2)表示。
[0043]误差校正产生器206可耦合到校准与补偿单元204及信号产生器202。一旦所关注的吸收线已由频谱仪100检测，误差校正产生器206便可接着使用经补偿值t (f\)及t (f2)连续地调整信号产生器202以锁定吸收线。两个FSK音调之间的中心频率可在吸收线由频谱仪100锁定时与吸收线的中心频率一致。在此情境中，对应于吸收线的中心频率的频率可由其它电子组件用作参考频率。误差信号可由误差校正产生器206计算且可通过从方程式3减去方程式2(即，t(f2)-t(fi))表示。此计算的结果可表示所要误差信号且可以电压为单位。可需要比例因数来将误差信号从电压单位转换为频率单位，因此可调整信号产生器 202。
[0044]图3展示根据各种实例的表示误差信号的实施方案且用以产生等于吸收线的中心频率的振荡器频率的控制系统的框图。控制系统300可包括具有补偿的误差信号产生与锁定块302、转换块306及积分器块312。控制系统300将f,ef描绘为左侧的输入。f,ef符号可表示控制系统尝试跟踪的参考频率使得频率f*。等于fref。频率可为由频谱仪100检测并跟踪的吸收线的中心频率。举例来说，如果池102中的气体为水蒸气，那么fMf可对应于水的183.31GHz吸收线的频率。
[0045]块302可为误差信号产生器206或校准与补偿单元204同误差信号产生器206的组合。块302的输出可为与fMf之间的差，其可在其相等时为零但可在不相等时为t (4)3(4)304。误差信号t (4)3(4)304可对应于误差产生器206的输出。误差信号七&2)4况)304可表示所测量的吸收线的中心频率同两个FSK音调(音调I与音调2)之间的中间点之间的差。如此，控制系统300可用于将两个音调之间的中心频率驱动为等于吸收线的中心频率。然而，如上文所提及，t(f2)-t(fi)的单位可为以伏为单位。因此，可使用转换因数来将以伏为单位的误差信号转换为Hz使得可调整信号产生器202。转换因数由^306表示，其可将误差信号t(f2)-t(fi)从伏特转换为以Hz为单位的频率误差308。
[0046]积分器310包含另一因数k2312，其可与1^306相反。通过将k2312配置为与1^306相反，积分器310的响应时间可处于最大值使得频谱仪100以很少延迟对吸收线的中心频率的改变做出响应，从而形成fosc的稳定值。
[0047]图4是根据本文中所论述的各种实例的用于实施校准与补偿方案的方法400的流程图。方法400在步骤402处以确定检测器(例如检测器208)的性能特性开始。检测器208的性能特性可包含检测器208的响应率及DC偏移。方法400在步骤404处以测量包含吸收线的传输频谱继续。方法400在步骤406处以确定气体池(例如池102)的性能特性继续。可通过使在吸收线附近的经测量频谱与低阶多项式拟合而确定池102的性能特性。一阶多项式的斜率及I截距可表示池102的性能特性。
[0048]方法400接着在步骤408处以通过组合吸收频谱与检测器的性能特性及气体池的性能特性而从传输频谱移除背景频谱结束。通过组合气体池(例如池102)及检测器(例如检测器208)的性能特性与经测量传输频谱，可从经测量频谱移除背景频谱，从而留下池102中的气体的传输频谱。可使用上文方程式2及方程式3实施传输频谱与性能特性的组合。因此，实施所述两个方程式可允许频谱仪100连续地补偿在两个FSK音调(音调I及音调2)下做出的测量。
[0049]以上论述意欲说明本发明的原理及各种实施例。一旦完全了解以上揭示内容，所属领域的技术人员便将显而易见众多变化及修改。打算所附权利要求书解释为囊括所有此类变化及修改。
【权利要求】
1.一种用于从传输频谱移除背景的方法，其包括: 确定(402)检测器的性能特性； 测量(404)包含吸收线的传输频谱； 确定(406)气体池的性能特性；及 通过组合所述传输频谱与所述检测器的所述性能特性及所述气体池的所述性能特性而从所述传输频谱移除(408)背景频谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述检测器的所述性能特性包括:估计所述检测器的响应率及DC偏移。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述气体池的所述性能特性包括:使在所述吸收线附近的所述传输频谱与多项式拟合，所述气体池的所述性能特性由所述多项式的斜率及I截距表示。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定所述吸收线的边缘频率，其中所述边缘频率对应于所述吸收线的所述传输频谱的最大斜率点。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括计算所述吸收线的所述边缘频率的商。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括计算两个边缘频率的所述商之间的差，其中所述两个边缘频率的所述商之间的所述差为误差信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中使用所述误差信号来跟踪所述吸收线。
8.一种用于从经测量频谱移除背景频谱的系统，其包括: 吸收池(102)，其含有气体； 射频RF发射器(108)，其用以将RF信号发射穿过所述吸收池； 检测器(106)，其用以接收所述RF信号；及 控制模块(104)，其耦合到所述发射器及所述检测器以: 估计所述检测器的性能特性及所述气体池的性能特性； 测量所述吸收池中的所述气体的传输频谱；及 组合所述传输频谱与所述气体池及所述检测器的所述性能特性以从所述传输频谱移除背景频谱。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制模块锁定所述传输频谱的吸收线。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制模块通过使在所述吸收线附近的所述传输频谱与多项式拟合而估计所述气体池的所述性能特性，其中所述多项式的斜率及y截距表示所述气体池的所述性能特性。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制模块确定所述检测器的响应率及DC偏移以估计所述检测器的所述性能特性。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制模块从所述传输频谱减去所述DC偏移，接着将所述减法的结果除以所述响应率、所述气体池的所述性能特性、一频率与输入功率的乘积以从处于所述频率的所述传输频谱移除所述背景频谱。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制模块确定所述吸收线的传输线频谱的边缘频率，且所述边缘频率对应于所述吸收线的所述传输频谱的最大斜率点。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述控制模块从处于所述吸收线的所述边缘频率的所述传输频谱移除所述背景频谱。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制模块通过针对所述边缘频率取不具有所述背景频谱的所述传输频谱的差而产生误差信号。
16.一种频谱仪，其包括: 吸收池，其含有气体； 射频RF发射器，其用以将RF信号发射到所述吸收池中； RF接收器，其用以接收所述RF信号；及 RF信号产生与检测模块，其耦合到所述发射器及所述接收器以: 产生所述RF信号； 检测由所述接收器接收的所述RF信号； 基于所述所接收RF信号测量传输频谱，其中所述经测量传输频谱包含所述气体的吸收线及背景频谱； 从所述传输频谱移除所述背景频谱从而留下吸收线频谱，其中所述移除所述背景频谱校准了所述频谱仪； 基于所述吸收线频谱产生误差信号；及 调整所述所发射RF信号以锁定所述吸收线频谱。
17.根据权利要求16所述的频谱仪，其中所述RF信号为两个频移键控FSK调制音调。
18.根据权利要求16所述的频谱仪，其中所述背景频谱为所述吸收池及所述RF信号产生与检测模块的性能特性的组合。
19.根据权利要求18所述的频谱仪，其中所述RF信号产生与检测模块使所述吸收线频谱与多项式拟合，且所述多项式的斜率及y截距表示所述吸收池的所述性能特性。
20.根据权利要求17所述的频谱仪，其中所述误差信号为在已移除所述背景频谱之后计算的处于所述两个FSK调制音调的吸收频谱值之间的差。
【文档编号】G01N22/00GK104237258SQ201410256989
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2013年6月12日
【发明者】菲利普·米歇尔·纳多, 巴赫尔·S·哈龙, 斯里纳特·马图尔·拉马斯瓦米 申请人:德州仪器公司