一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置及其檢測方法與流程
2023-07-09 20:25:51
本發明涉及一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
在時域上已通過太赫茲光譜測量系統獲得了亞周期太赫茲脈衝波形，並且用Wigner-Wille分布方法對實驗中所記錄下來的波形進行了時頻分析。在對所得到的頻域中進行中心頻率信息的提取時，採用的方法是將每個採樣時間下的頻譜峰值所對應的頻率，作為這一時刻的中心頻率。這個中心頻率，是這個時刻瞬時頻率的近似。然後把每個時刻的中心頻率都標記出來，得到一條時頻軌跡，從這條曲線的形狀，來直觀地判斷脈衝是否存在啁啾。對於不啁啾的脈衝，這條曲線是與時間軸平行的直線。通過這樣的方法，證實了亞周期脈衝中內稟啁啾的存在。
儘管文獻中已經在太赫茲波段上驗證了亞周期脈衝中自啁啾的存在。但是，在光頻或者其他頻段的驗證，以及少周期、多周期脈衝中啁啾特性的檢測與分析，依然是非常重要的。
目前還沒有這樣一套能夠對脈衝實現實時信號探測與啁啾特性檢測的系統或裝置，因此本發明將主要針對微波波段的時域脈衝進行信號處理和啁啾特性的檢測與分析，這將對微波波段脈衝的傳輸以及亞周期範圍內強場與原子相互作用的研究起到重要作用。
技術實現要素：
針對背景技術中存在的問題，本發明提出一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置及其檢測方法。
本發明解決上述問題的技術方案是：
一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置，包括信號採集器、中央控制器和顯示器，且信號採集器和顯示器均與中央控制器相連；
所述信號採集器具有用於與脈衝信號發生裝置相連的接口；
所述中央控制器包括用於接收信號採集器輸送的信息的接收模塊、用於對接收模塊輸出的信息進行去噪濾波處理的預處理模塊、用於對預處理模塊輸出的信息進行離散化處理並求取中心頻率值的處理模塊、基於處理模塊輸出的信息繪製啁啾特性曲線的繪圖模塊、保存繪圖模塊輸出的信息的保存模塊和基於繪圖模塊輸出的結果進行啁啾特性判定的判定模塊；
所述接收模塊、預處理模塊、處理模塊、繪圖模塊、保存模塊和判定模塊依次相連；
且接收模塊與信號採集器相連，繪圖模塊、判定模塊均與顯示器相連。
採用本發明所述的一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置實施的檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟100，信號探測：信號採集器實時採集脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝信號，以得到實時的微波脈衝時域信號，且採樣點的總個數為N，採樣總時長為T，相鄰兩個採樣點間隔的採樣時間為Δt，微波脈衝信號的採樣頻率為fs，則T＝N·Δt；
信號採集器將採集到的微波脈衝時域信號輸送給中央控制器，中央控制器的接收模塊接收所述的微波脈衝時域信號；
步驟200，啁啾特性檢測：
步驟201，預處理模塊去噪濾波處理：首先，通過滑動平均濾波法將微波脈衝時域信號的毛刺剔除，得到平滑的微波脈衝時域波形A1；然後，將微波脈衝時域波形A1進行傅立葉變換，得到對應的微波脈衝頻譜B1；接著將微波脈衝頻譜B1中對應於A1的振鈴的毛刺B2濾除，獲得新的微波脈衝頻譜B3；最後，將微波脈衝頻譜B3進行傅立葉逆變換，得到乾淨的微波脈衝時域波形A2；
步驟202，處理模塊對微波脈衝時域波形A2進行離散化處理：在微波脈衝時域波形A2的基礎上，將採樣總時長T進行離散化分割，均分為k個時段；且任意第j時段具有n個採樣點，j∈{1,2,...,k}，且對任意第j時段的微波脈衝時域波形aj進行傅立葉變換，獲得微波脈衝時域波形aj的微波脈衝頻譜bj，並根據微波脈衝頻譜bj求得對應的功率譜Pj，且Pj＝|bj|2；基於功率譜Pj，採用一階矩的方法求取第j時段的中心頻率值ωj，即：
其中，fj(i)是第j時段的功率譜Pj中，第i個採樣點所對應的頻率值；
Δfj為功率譜Pj中頻率軸上的頻率間隔，且
當時，
當時，
Pj(i)為功率譜Pj中第i個採樣點的頻率fj(i)所對應的功率值，且Pj(i)＝|bj(i)|2；
步驟203，繪圖模塊繪製啁啾特性曲線：獲取k個時段的所有中心頻率值之後，即可得到以時間為橫軸以中心頻率值為縱軸的啁啾特性曲線；
步驟204，保存：中央控制器的保存模塊存儲啁啾特性曲線；
步驟205，判定模塊進行啁啾特性判斷：判定模塊監測啁啾特性曲線，當啁啾特性曲線為與時間軸平行的直線時，則判定脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝不具有啁啾特性；當啁啾特性曲線為不與時間軸平行的直線或曲線時，則判定脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝信號具有啁啾特性；
步驟206，顯示：顯示器同時顯示啁啾特性曲線和判定模塊的判定結果，判定模塊的判定結果為「不具有啁啾特性」或「具有啁啾特性」。
進一步，步驟201中毛刺B2的濾除方法為：在毛刺所對應的頻率點前、後分別連續地取q個頻率點，包括毛刺所對應的頻率點在內，令頻譜B1中2q+1個頻率點所對應的縱坐標值(幅值)為零，即可濾除毛刺B2。
本發明的有益效果主要表現在：
1.可對脈衝發生裝置所產生的微波波段脈衝信號進行實時探測，將同步實現對啁啾特性曲線進行存儲及顯示，直觀且方便，並給出對脈衝信號是否存在啁啾特性的判斷。
2.對脈衝發生裝置產生的脈衝信號的脈寬沒有限制，可實現對信號如亞周期、少周期、多周期脈衝啁啾特性精準的檢測。這將對微波波段脈衝的傳輸以及對亞周期範圍內強場與原子相互作用的研究起到重要的作用，特別是閾上電離、超短脈衝下的電離效應，如亞周期脈衝的高次諧波的產生、成絲效應和電荷的相對論加速、頻域合成光波等過程的基礎。
附圖說明
圖1是實時微波脈衝啁啾檢測裝置的結構示意圖，箭頭表示微波脈衝信號的傳遞方向。
具體實施方式
參照附圖，一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置，包括信號採集器1、中央控制器2和顯示器3，且信號採集器1和顯示器3均與中央控制器2相連；
所述信號採集器1具有用於與脈衝信號發生裝置相連的接口；
所述中央控制器2包括用於接收信號採集器1輸送的信息的接收模塊、用於對接收模塊輸出的信息進行去噪濾波處理的預處理模塊、用於對預處理模塊輸出的信息進行離散化處理並求取中心頻率值的處理模塊、基於處理模塊輸出的信息繪製啁啾特性曲線的繪圖模塊、保存繪圖模塊輸出的信息的保存模塊和基於繪圖模塊輸出的結果進行啁啾特性判定的判定模塊；
所述接收模塊、預處理模塊、處理模塊、繪圖模塊、保存模塊和判定模塊依次相連；
且接收模塊與信號採集器1相連，繪圖模塊、判定模塊均與顯示器3相連。
採用本發明所述的一種實時微波脈衝啁啾檢測裝置實施的檢測方法，包括以下步驟：
步驟100，信號探測：信號採集器1實時採集脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝信號，以得到實時的微波脈衝時域信號，且採樣點的總個數為N，採樣總時長為T，相鄰兩個採樣點間隔的採樣時間為Δt，微波脈衝信號的採樣頻率為fs，則T＝N·Δt；
信號採集器1將採集到的微波脈衝時域信號輸送給中央控制器2，中央控制器2的接收模塊接收所述的微波脈衝時域信號；
步驟200，啁啾特性檢測：
步驟201，預處理模塊去噪濾波處理：首先，通過滑動平均濾波法將微波脈衝時域信號的毛刺剔除，得到平滑的微波脈衝時域波形A1；然後，將微波脈衝時域波形A1進行傅立葉變換，得到對應的微波脈衝頻譜B1；接著將微波脈衝頻譜B1中對應於A1的振鈴的毛刺B2濾除，毛刺B2的濾除方法為：在毛刺所對應的頻率點前、後分別連續地取q個頻率點，包括毛刺所對應的頻率點在內，令頻譜B1中2q+1個頻率點(2q+1應小於N)所對應的縱坐標值(幅值)為零，即可濾除毛刺B2；獲得新的微波脈衝頻譜B3；最後，將微波脈衝頻譜B3進行傅立葉逆變換，得到乾淨的微波脈衝時域波形A2；
步驟202，處理模塊對微波脈衝時域波形A2進行離散化處理：在微波脈衝時域波形A2的基礎上，將採樣總時長T進行離散化分割，均分為k個時段；且任意第j時段具有n個採樣點，j∈{1,2,...,k}，且對任意第j時段的微波脈衝時域波形aj進行傅立葉變換，獲得微波脈衝時域波形aj的微波脈衝頻譜bj，並根據微波脈衝頻譜bj求得對應的功率譜Pj，且Pj＝|bj|2；基於功率譜Pj，採用一階矩的方法求取第j時段的中心頻率值ωj，即：
其中，fj(i)是第j時段的功率譜Pj中，第i個採樣點所對應的頻率值；
Δfj為功率譜Pj中頻率軸上的頻率間隔，且
當時
當時，
Pj(i)為功率譜Pj中第i個採樣點的頻率fj(i)所對應的功率值，且Pj(i)＝|bj(i)|2；
步驟203，繪圖模塊繪製啁啾特性曲線：獲取k個時段的所有中心頻率值(即ω1，ω2，...ωk)之後，即可得到以時間為橫軸以中心頻率值為縱軸的啁啾特性曲線；
步驟204，保存：中央控制器2的保存模塊存儲啁啾特性曲線；
步驟205，判定模塊進行啁啾特性判斷：判定模塊監測啁啾特性曲線，當啁啾特性曲線為與時間軸平行的直線時，則判定脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝不具有啁啾特性；當啁啾特性曲線為不與時間軸平行的直線或曲線時，則判定脈衝信號發生裝置輸出的微波脈衝信號具有啁啾特性；
步驟206，顯示：顯示器3同時顯示啁啾特性曲線和判定模塊的判定結果，判定模塊的判定結果為「不具有啁啾特性」或「具有啁啾特性」。
本發明所述的滑動平均濾波法指的是：在當前採樣點前、後分別連續地取m個採樣點數據，用(2m+1)個採樣點值，包括當前採樣點值在內，依次地計算出全部採樣點的滑動平均值，便可消除毛刺幹擾，獲得一條時域信號的光滑曲線。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。