一种基于经验模态分解提高太赫兹频谱分辨率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非平稳信号处理领域，特别涉及太赫兹时频信号的处理。
【背景技术】
[0002] 太赫兹（terahertz，THz)波通常是指频率在0.l~10THz范围内的电磁波，处于 宏观电子学和微观光子学之间的过渡区域。太赫兹时域信号通过傅里叶变换将变换到频 域，计算出折射率和吸收系数等物理参数，可以表征和鉴别物品种类和质量，并可得到其他 手段无法获取的物理和化学信息。
[0003] 频域分辨率是指频域两个相邻频率点之间的间隔，对于非周期信号，一般采样时 间越长，频域分辨率越高；如果频域分辨率过低将不能反映频域谱的精细程度，影响后续对 物质的鉴别。太赫兹测量信号中反射峰的存在使得实际可利用的时域信号长度有限，从而 影响频域分辨率，因此反射峰的处理是非常必要的。
[0004] 经验模态分解（EmpiricalModeDecomposition，EMD)是 1998 年由Huang提出的 自适应时频分析方法，经过十几年的研宄与发展，EMD算法逐步形成了独立的理论体系；作 为一种新的数据分析方法，EMD在理论上可以应用于任何类型的信号的分解，尤其在处理非 平稳、非线性数据上具有非常明显的优势，特别适合处理含有反射峰的太赫兹时域信号。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种基于经验模态分解提高太赫兹频谱分辨率的方 法，通过找出时域信号反射峰的上下包络、求平均值、获取本征模函数（Intrinsicmode functions，IMF)及用IMF替代反射峰来去除反射峰的影响，从而提高频域分辨率。通过本 方法可以证明，基于经验模态分解的方法提高太赫兹频谱分辨率是切实可行的。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种基于经验模态分解提高太赫兹频谱分辨率的方 法，主要包括六个步骤： 步骤1，获取参考信号和测量信号主峰及反射峰起止点。分别获取参考信号和测量信号 主峰及反射峰的起始点和终止点对应的时间； 步骤2,提取出各个反射峰。分别提取参考信号和测量信号各个反射峰的起始点和终止 点的位置； 步骤3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF。对步骤2中获得的各个反射峰，依次利 用EMD方法分解出与其对应的MF; 步骤4,获得处理后的THz时域信号。依次用分解出的各个MF替代处理前的反射信 号，获得处理后THz时域信号； 步骤5,计算频谱分辨率； 步骤6,比较处理前后的吸收谱。通过傅里叶变换获得参考信号和测量信号幅度谱和相 位谱，计算处理前后的吸收系数，与真实的THz吸收谱进行比较。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明的参考信号处理前后THz时域光谱比较图 图2为本发明的测量信号处理前后THz时域光谱比较图 图3为本发明的处理前的THz吸收谱图 图4为本发明的EMD处理后的THz吸收谱图 图5为本发明的真实的THz吸收谱图 图6为本发明的处理前、EMD处理后及真实的THz吸收谱比较图。
【具体实施方式】
[0008] 以下将对本发明的基于经验模态分解提高太赫兹频谱分辨率的方法结合实例作 进一步的详细描述。为了更好的体现本发明，在本实例中仅以空气中水蒸汽的透射频谱分 辨率提高为例进行说明，但本领域技术人员应该熟知，根据本发明的技术思想可以实现多 种物质的太赫兹频谱分辨率的提高。以下对通过EMD提高太赫兹频谱分辨率（以空气中水 蒸汽的太赫兹吸收谱为例，参考样本为空气中8. 5%湿度时的水蒸汽，测量样本为空气中 49%湿度时的水蒸汽）的方法进行详细说明。
[0009] 根据
【发明内容】
可知道本发明一共包含6个步骤。
[0010] 步骤1，获取参考信号和测量信号主峰及反射峰起止点。利用峰值查找方法得到 主峰谷点对应时间tvO和峰值点对应时间tpO,tvO往前推20个点即主峰起始点对应时间tsO,tpO往后推20个点即主峰终止点对应的时间teO。然后将主峰信号与后面的信号进行 互相关，可得到第一反射峰起始点对应时间tsl、终止点对应时间tel，第二反射峰起始点 对应时间ts2、终止点对应时间te2,以此类推。
[0011] 步骤2,提取出各个反射峰。根据步骤1得到的各个时间，利用时间除以采样间隔 分别找到第一反射峰起始点nsl、终止点nel，第二反射峰起始点ns2、终止点ne2。nsl到 nel之间的信号为第一反射峰信号，ns2到ne2之间的信号为第二反射峰信号，以此类推。
[0012] 步骤3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF。根据步骤2中获得的各个反射信号， 依次利用EMD方法分解出与其对应的IMF; 以第一反射峰为例(其他反射峰所用方法与之相同)，具体步骤如下： (1) 寻找第一反射峰信号的所有局部极大值点、局部极小值点； (2) 通过三次样条插值拟合极值点得到上包络线和下包络线人使得 满足：
【主权项】
1. 一种基于经验模态分解提高太赫兹频谱分辨率的方法，主要包括六个步骤： 步骤1，获取参考信号和测量信号主峰及反射峰起止点；分别获取参考信号和测量信 号主峰及反射峰的起始点和终止点对应的时间； 步骤2,提取出各个反射峰；分别提取参考信号和测量信号各个反射峰的起始点和终 止点的位置； 步骤3,利用EMD方法分解出各反射峰的IMF;对步骤2中获得的各个反射峰，依次利用EMD方法分解出与其对应的MF; 步骤4,获得处理后的THz时域信号；依次用分解出的各个MF替代处理前的反射信 号，获得处理后THz时域信号； 步骤5,计算频谱分辨率； 步骤6,比较处理前后的吸收谱；通过傅里叶变换获得参考信号和测量信号幅度谱和 相位谱，计算处理前后的吸收系数，与真实的THz吸收谱进行比较。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中提高太赫兹频谱分辨率的对象包括水蒸汽、炸药、 生物样品等所有能够测量太赫兹时域光谱的物质。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤1中获取各峰值对应时间，主峰谷点对应时 间为tvO,峰值点对应时间为tpO,主峰起始点对应时间为tsO,主峰终止点对应的时间teO， 通过主峰与后面的信号进行互相关，得到第一反射峰起始点对应时间tsl、终止点对应时间 tel，第二反射峰起始点对应时间ts2、终止点对应时间te2,以此类推。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤2中提取出各个反射峰，需要反射峰的具体位 置，具体的方法是根据步骤1得到的各个时间，利用时间除以采样间隔分别找到第一反射 峰起始点nsl、终止点nel，第二反射峰起始点ns2、终止点ne2 ;nsl到nel之间的信号为 第一反射峰信号，ns2到ne2之间的信号为第二反射峰信号，以此类推。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤3利用EMD方法分解出各反射峰的IMF，是对 步骤2中获得的各个反射峰，依次利用EMD方法分解出与其对应的IMF。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤4获得处理后THz时域信号，是利用权利要求 1所述中步骤3分解出的最后一个頂F，来替代处理前的反射信号，从而获得处理后的THz 时域信号。
【专利摘要】本发明提出一种基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）提高太赫兹频谱分辨率的方法。通过找出太赫兹时域信号的反射峰上下包络、求平均值和获取本征模函数(Intrinsic mode functions，IMF)并替代反射峰来去除反射峰的影响，从而提高频域分辨率。本方法包括如下步骤：步骤一，获取各个峰起止点对应的时间；步骤二，提取出各个反射峰；步骤三，利用EMD方法分解出各反射峰的IMF；步骤四，获得处理后太赫兹时域信号；步骤五，计算频谱分辨率；步骤六，比较处理前后的吸收谱。该方法能准确去除时域信号的反射峰，同时能够有效提高太赫兹吸收谱的分辨率。
【IPC分类】G01N21-3586
【公开号】CN104764714
【申请号】CN201510181784
【发明人】李小霞, 卢敏, 尚丽平
【申请人】西南科技大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月17日