基于卡尔曼滤波的kid阵列探测器s21基线校准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：采用卡尔曼滤波对KID探测器阵列S21数据进行自适应滤波，获取具有低频特性的缓变S21基线；步骤二：将原始的S21数据与滤波后的缓变S21基线进行比较，实现KID探测器阵列S21的基线校准。本发明的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法具有简单、灵活等优点，且能一次性完成KID探测器阵列基线校准，获得一致性较好的校准效果，适用于大规模KID探测器阵列不同情形的S21基线校准。
【专利说明】
基于卡尔曼滤波的κ ID阵列探测器S21基线校准方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，具体涉及一 种基于卡尔曼滤波的用于太赫兹超导KID探测器阵列S21基线校准方法，本发明属于太赫兹 技术研究领域。
【背景技术】
[0002] 太赫兹超导KID(Kinetic Inductance Detector)探测器阵列是一种新型的太赫 兹高灵敏度探测器，可用于太赫兹频段天文等目标成像探测。在开展KID探测器阵列特性研 究中，测量KID探测器阵列传输特性S21参数是一种常用的研究手段。从KID探测器阵列S21 的测量数据中，可获取其谐振特征频率，以及品质因子Q值信息，因而进一步了解其谐振器 的温变特性、探测器的噪声特性等。
[0003] 由于读出电路系统各个部件例如低温放大器、常温放大器以及滤波固有频响的存 在，以及各个部件间的信号匹配，共同导致了KID探测器阵列传输特性S21基线不平坦，表现 为基线的整体倾斜、或周期性或非周期性起伏等现象，这些干扰因素的存在，将导致了 KID 探测器阵列的特征频率以及Q因子参数测试精度降低。因此，KID探测器阵列传输特性S21基 线精确校准，是实现KID探测器阵列特性正确表征的关键一环。
[0004] KID探测器阵列传输特性S21基线精确校准，采用的方法有如下几种，其一是利用 KID探测器阵列不同工作温度下的S21传输特性进行比较从而实现其基线校准，该方法的主 要原理是当工作在高于临界温度Tc的KID探测器谐振特性将处于失谐振(off-resonance) 状态，将此刻测试的S21数据作为参考，与实际工作温度(一般为小于临界温度)下的KID探 测器S21测试数据进行比较，以实现KID探测器阵列S21传输特性基线校准，该方法主要依据 是在两种温度下认为S21基线保持不变，即失谐状态与工作状态的S21基线不发生变化。尽 管采用该方法可以一次性实现KID探测器阵列传输特性S21基线的校准，但是由于不同温度 时，KID探测器阵列S21基线在其工作频率范围内往往起伏较大且随频率变化难于趋于一 致，因此难于获得全频段基线校准的精确校准，甚至出现基线校准错误的情况。
[0005] 其二是采用一阶线性或多项式拟合的KID探测器S21传输特性基线校准方法，由于 KID探测器阵列传输特性S21在其谐振频率附近的基线从局部考察，往往可以发现其基线表 现为一阶线性或二阶多项式的数学模型关系。因此采用此方法可以粗略进行KID探测器阵 列传输特性S21的校准。该校准方法的缺点较为明显，主要表现在:通过线性拟合单个KID探 测器S21传输特性基线校准时，当KID探测器S21特性存在非对称性或者在谐振频率附近的 两翼存在较大倾斜(即不平衡)时，这种方法在校准掉S21基线的同时，也将含本质特性的部 分物理信息（代表探测器电路参数，信号耦合情况等信息）进行过度校准。另外采用该方法 对KID探测器阵列的S21特性基线需逐一进行校准，数据校准量随着阵列大规模增加而增 加，不适合大规模KID探测器阵列S21基线校准。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于卡尔曼滤波(Kalman滤 波）的KID阵列探测器S21基线校准方法，以解决现有技术难于获得全频段基线校准的精确 校准，甚至出现基线校准错误，或者进行过度校准，数据校准量随着阵列大规模增加而增 加，不适合大规模KID探测器阵列S21基线校准的技术问题。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0009] 步骤一:采用卡尔曼滤波对KID探测器阵列S21数据进行自适应滤波，获取具有低 频特性的缓变S21基线；
[0010] 步骤二:将原始的S21数据与滤波后的缓变S21基线进行比较，实现KID探测器阵列 S21的基线校准。
[0011] 前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤一包括：
[0012] 步骤la:将KID探测器阵列S21基线的测量数据分别进行正向和逆向卡尔曼滤波； [0013]步骤lb:对正向和逆向滤波结果相对于滤波的残差进行加权平均，获得KID探测器 阵列S21的基线。
[0014] 前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤la包括：
[0015] 卡尔曼滤波器设置一个初始残差参数，用于调控卡尔曼滤波输出的平滑程度，或 者是低通滤波带通特性，通过正、逆向的Kalman自适应滤波获取基线数据。
[0016] 前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤la包括：
[0017] 步骤lal:对KID探测器阵列S21测量数据进行正向卡尔曼滤波，获得正向滤波结果 和正向方差；
[0018] 步骤la2:对KID探测器阵列S21测量数据进行逆向卡尔曼滤波，获逆向滤波结果和 逆向方差。
[0019] 前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤lb包括：
[0020] 步骤lbl:通过正向和逆向的卡尔曼滤波结果，对正向和逆向方差进行加权平均， 从而获得KID探测器阵列S21基线；
[0021] 步骤lb2:将原始的S21数据与通过卡尔曼滤波得到的S21基线进行比较，最终完成 KID探测器阵列S21基线校准。
[0022]前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤lb包括:正向和逆向卡尔曼滤波结果的加权平均的公式：
[0023]
其中，Xf、Xb分别是正向和逆向卡尔曼滤波结果，Vxf、Vxb分别正向和逆 向卡尔曼滤波残差。
[0024]前述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，所述步 骤lb中初始残差的参数为0.01~0.5。
[0025] 本发明的有益之处在于:本发明的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准 方法具有简单、灵活等优点，且能一次性完成KID探测器阵列基线校准，获得一致性较好的 校准效果，适用于大规模KID探测器阵列不同情形的S21基线校准。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法的流程图；
[0027] 图2是本发明基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法的进一步具体实 施流程图。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0029] 参照图1所示，本发明提出了一种新型的KID探测器阵列S21基线校准方法。该方法 采用卡尔曼滤波对KID探测器阵列S21数据进行自适应滤波，获取具有低频特性的缓变S21 基线，并将原始的KID探测器阵列S21数据与卡尔曼滤波后的S21通基线相减，一次性实现 KID探测器阵列的S21基线校准，由于卡尔曼滤波具有自适应特点，且校准过程一次性自动 完成，因此该方法适用于大规模KID探测器阵列不同情形的S21基线校准。
[0030] 基于卡尔曼滤波KID探测器阵列S21基线校准方法，具体方案是:将KID探测器阵列 S21测量数据分别进行正向和逆向卡尔曼滤波，并对正向和逆向滤波结果相对于滤波的残 差(协方差)进行加权平均，获得KID探测器阵列S21的基线，并将原始的S21数据于滤波后的 基线进行比较(相减），实现KID探测器阵列S21的基线校准。在该方案中，卡尔曼滤波器设置 一个初始残差参数，用于调控卡尔曼滤波输出的平滑程度，或者是低通滤波带通特性，通过 正，逆向的Kalman自适应滤波获取基线数据。可见，该方法对ID探测器阵列S21基线校准具 有灵活、方便、校准精确度高等特点。
[0031] 图2给出了基于卡尔曼滤波方法的KID探测器阵列S21基线获取的原理图。公式1给 出了正向和逆向卡尔曼滤波结果的加权平均。
[0033]其中，Xf、Xb分别是正向和逆向卡尔曼滤波结果，Vxf、Vxb分别正向和逆向卡尔曼滤 波残差；图2中的S21(f)为KID探测器阵列S21测量数据、SSKf)为KID探测器阵列S21基线。 [0034]考虑到KID的探测器的谐振器的品质因子Q值在104~106量级，缓变起伏的S21基 线的低频成分与谐振频吸收峰轮廓的高频成分无明显重叠，因此可选择一个初始残差参数 为0.01~0.5，以便较好调控卡尔曼滤波的平滑效果以及避免KID的探测器的谐振器吸收峰 轮廓的过度平滑。进一步具体实施过程如下：
[0035]步骤一:对KID探测器阵列S21测量数据进行正向卡尔曼滤波，获得正向滤波结果 和正向方差；
[0036]步骤二:对KID探测器阵列S21测量数据进行逆向卡尔曼滤波，获逆向滤波结果和 逆向方差；
[0037] 步骤三:通过正向和逆向的卡尔曼滤波结果，对正向和逆向方差进行加权平均，从 而获得KID探测器阵列S21基线；
[0038] 步骤四：将原始的S21数据与通过卡尔曼滤波得到的S21基线进行比较，最终完成 KID探测器阵列S21基线校准。
[0039] 可见，本发明提出的基于卡尔曼滤波KID探测器阵列S21基线校准方法具有简单、 灵活等优点，且能一次性完成KID探测器阵列基线校准，获得一致性较好的校准效果，适用 于大规模KID探测器阵列不同情形的S21基线校准。
[0040] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该 了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的 技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一:采用卡尔曼滤波对KID探测器阵列S21数据进行自适应滤波，获取具有低频特 性的缓变S21基线； 步骤二:将原始的S21数据与滤波后的缓变S21基线进行比较，实现KID探测器阵列S21 的基线校准。2. 根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征 在于，所述步骤一包括： 步骤la:将KID探测器阵列S21基线的测量数据分别进行正向和逆向卡尔曼滤波； 步骤lb:对正向和逆向滤波结果相对于滤波的残差进行加权平均，获得KID探测器阵列 S21的基线。3. 根据权利要求2所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征 在于，所述步骤la包括： 卡尔曼滤波器设置一个初始残差参数，用于调控卡尔曼滤波输出的平滑程度，或者是 低通滤波带通特性，通过正、逆向的Kalman自适应滤波获取基线数据。4. 根据权利要求3所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征 在于，所述步骤la包括： 步骤lal:对KID探测器阵列S21测量数据进行正向卡尔曼滤波，获得正向滤波结果和正 向方差； 步骤la2:对KID探测器阵列S21测量数据进行逆向卡尔曼滤波，获逆向滤波结果和逆向 方差。5. 根据权利要求2至4任一项所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方 法，其特征在于，所述步骤lb包括： 步骤lbl:通过正向和逆向的卡尔曼滤波结果，对正向和逆向方差进行加权平均，从而 获得KID探测器阵列S21基线； 步骤lb2:将原始的S21数据与通过卡尔曼滤波得到的S21基线进行比较，最终完成KID 探测器阵列S21基线校准。6. 根据权利要求5所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征 在于，所述步骤lb包括:正向和逆向卡尔曼滤波结果的加权平均的公式：，其中，Xf、Xb分别是正向和逆向卡尔曼滤波结果，V xf、Vxb分别正向和逆向卡尔 曼滤波残差。7. 根据权利要求6所述的基于卡尔曼滤波的KID阵列探测器S21基线校准方法，其特征 在于，所述步骤lb中初始残差的参数为0.01~0.5。
【文档编号】G01D18/00GK105865505SQ201610154591
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】林镇辉, 史生才, 杨瑾屏, 李婧
【申请人】中国科学院紫金山天文台