馬世幫，李棟，解琪，李宏光，張燈，儲雋偉，孫宇楠

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸裝航空局洛陽室，河南 洛陽 471000）

引言

太赫茲時域光譜儀是火炸藥、生化戰(zhàn)劑等材料進行特征光譜測量的核心儀器，廣泛應(yīng)用于目標識別、危險品成分鑒別、穿透探測等軍事應(yīng)用領(lǐng)域[1-5]。信噪比參數(shù)和光譜范圍參數(shù)是太赫茲時域光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)指標參數(shù)[6-8]，目前已具備太赫茲時域光譜儀特征光譜、線性度和透射比參數(shù)的計量能力。但由于光譜范圍和信噪比參數(shù)存在著名稱術(shù)語和指標定義不統(tǒng)一的問題，導(dǎo)致太赫茲名稱術(shù)語常常被混用，從而引起儀器性能評價的誤解。

太赫茲時域光譜儀光譜范圍的定義不明確，導(dǎo)致同一臺儀器使用不同方法進行光譜范圍測量的結(jié)果相差很大。光譜范圍的定義方式主要有兩種[9]，一是在頻譜數(shù)據(jù)中，以超過N倍噪聲限的頻譜數(shù)據(jù)對應(yīng)的上下限頻率為光譜范圍；二是在頻譜數(shù)據(jù)中，以超過1/M頻譜數(shù)據(jù)最大值的頻譜數(shù)據(jù)對應(yīng)的上下限頻率為光譜范圍，M取值為10～80。

信噪比是反映太赫茲光譜儀計量性能的關(guān)鍵指標[10-12]，信噪比差的光譜儀很容易將噪聲尖峰誤判為特征光譜[13-14]。目前缺乏太赫茲信噪比測量和評價的統(tǒng)一方法，各種商用太赫茲光譜儀的測量結(jié)果無法準確統(tǒng)一。當前，太赫茲光譜儀存在幾種不同的信噪比名詞術(shù)語。如美國俄克拉荷馬州立大學(xué)把主要信號段最大值定義為信號，信號前段峰峰值的 1/2 定義為噪聲。首都師范大學(xué)把主要信號段峰峰值定義為信號，信號前段均方差定義為噪聲[15]。不同術(shù)語之間的混用造成結(jié)果相差幾個量級，嚴重影響太赫茲光譜儀性能判斷。因此，有必要統(tǒng)一太赫茲光譜儀信噪比定義方法，使不同系統(tǒng)具有可比性。信號計算分為兩種，分別是最大值和峰峰值，對于信號值的評估采用峰峰值更合理。

綜上，需要研究太赫茲時域光譜儀光譜范圍和信噪比校準技術(shù)，統(tǒng)一光譜范圍和信噪比指標定義，解決太赫茲時域光譜儀光譜范圍和信噪比校準難題，從而實現(xiàn)太赫茲時域光譜儀的量值統(tǒng)一。

1 太赫茲時域光譜儀的分類和組成

太赫茲時域光譜儀按照不同的時間延遲方式，可分為機械延遲式時域光譜儀和異步采樣式時域光譜儀。其中，機械延遲式時域光譜儀組成框圖如圖1 所示。

圖1 機械延遲式時域光譜儀組成框圖Fig.1 Composition block diagram of mechanical delayed time-domain spectrometer

機械延遲式時域光譜儀主要由飛秒激光器、分束器、時域延遲系統(tǒng)、太赫茲發(fā)射模塊、準直鏡1、會聚鏡、樣品室、準直鏡2、帶孔會聚鏡、太赫茲探測模塊、太赫茲弱信號處理系統(tǒng)和計算機組成。飛秒激光器的出射激光經(jīng)分束器分為兩束，一束作為泵浦光路，另一束作為探測光路。其中，泵浦光譜經(jīng)時域延遲系統(tǒng)產(chǎn)生時間延遲之后入射至太赫茲發(fā)射模塊，太赫茲發(fā)射模塊經(jīng)準直和匯聚后進入樣品室之中，穿過樣品，攜帶被測樣品信息的太赫茲波經(jīng)準直鏡2 準直并經(jīng)帶孔反射鏡反射之后，入射至太赫茲探測模塊。另一束太赫茲探測光路穿過帶孔反射鏡之后，也入射至太赫茲探測模塊。探測光路和攜帶樣品信息的泵浦光路同時入射至太赫茲探測模塊，太赫茲弱信號處理系統(tǒng)對太赫茲探測模塊的輸出信號進行放大濾波，并采集太赫茲弱信號處理系統(tǒng)隨不同延遲時間下的信號曲線，即可得到太赫茲時域光譜儀的時域信號。經(jīng)傅里葉變換之后，即可得到頻譜信息。異步采樣式時域光譜儀組成框圖如圖2 所示。

圖2 異步采樣式時域光譜儀組成框圖Fig.2 Composition block diagram of asynchronous sampling time-domain spectrometer

不同于機械延遲式時域光譜儀，異步采樣式時域光譜儀利用2 臺重頻不同的飛秒激光器替換了機械延遲式時域光譜儀的飛秒激光器、分束器和時域延遲系統(tǒng)。通過2 個激光器的重頻之差，實現(xiàn)了泵浦光和探測光的時間延遲[15]。

2 光譜范圍和信噪比校準方法

2.1 光譜范圍校準方法

對于定義方式一，由于噪聲限不好確定，不同的噪聲限確定方式對于光譜范圍的影響很大，故排除該方法；對于定義方式二，頻譜數(shù)據(jù)的最大值很容易確定，因此最終選擇定義方式二作為光譜范圍的測量依據(jù)。

太赫茲時域光譜儀光譜范圍示意圖如圖3所示。以超過頻譜數(shù)據(jù)最大值1/M的頻譜數(shù)據(jù)作為光譜范圍，其中M取10～80。

圖3 太赫茲時域光譜儀光譜范圍示意圖Fig.3 Schematic diagram of spectral range for THz timedomain spectrometer

2.2 信噪比校準方法

太赫茲時域光譜儀的信噪比分為時域信噪比和頻域信噪比。時域信噪比可以反映時域光譜儀時域信號的信噪比水平，但不能反映每個頻點下的信噪比水平；頻域信噪比不僅可以反映不同頻率下的信噪比水平，還可以反映不同頻點的信噪比。

1）時域信噪比校準原理

太赫茲脈沖時域信號如圖4 所示。其中a 段為信號前段，其波動由噪聲引起；b 段為主要信號段，集中了THz 信號的絕大部分能量；c 段為信號衰減部分，THz 信號能量很少。由于頻譜的可靠分辨率完全取決于c 段所取的長度，因此太赫茲時域脈沖信號的采集時間主要是在c 段。將圖4 中的b 段峰峰值定義為信號，a 段均方差定義為噪聲。由此可以得到太赫茲時域光譜時域信噪比計算公式：

圖4 太赫茲時域光譜信號Fig.4 THz time-domain spectral signal

式中：Smax為時域脈沖信號的最大值，即b 段信號的最大值；Smin為時域脈沖信號的最小值，即b 段信號的最小值；為時域信號噪聲的均方根值，即a 段信號的均方根值。

2）頻域信噪比校準原理

不放入樣品，利用時域光譜儀測量時域信號曲線，對采集的時域信號進行傅立葉變換，得到此時的信號功率譜曲線PSλ；將金屬板移入樣品室，利用時域光譜儀測量時域信號曲線，對采集的時域信號進行傅立葉變換，得到此時的噪聲功率譜曲線PNλ；利用式（2）計算頻域信噪比曲線RSNλ：

式中：RSNλ為頻域信噪比；PSλ為信號功率譜曲線；PNλ為噪聲功率譜曲線。

3 實驗

3.1 光譜范圍實驗

以日本愛德萬公司的異步采樣時域光譜儀作為被校對象，型號為TAS-7500TS。對空測時域信號進行處理，得到光譜范圍。當光路內(nèi)相對濕度為5%、且M取值不同時，光譜范圍的校準結(jié)果如表1 所示。

表1 不同M 值的光譜范圍校準結(jié)果Table 1 Calibration results of spectral range with different M values

由表1 可以看出，M值越大，光譜范圍就越寬。當M值≥50時，光譜范圍變化不大，因此建議M取值50。當M取值50時，不同濕度環(huán)境下的光譜范圍校準結(jié)果如表2 所示。

表2 不同濕度環(huán)境下的光譜范圍校準結(jié)果Table 2 Calibration results of spectral range with different humidity

由表2 可以看出，相對濕度越小，光譜范圍就越寬。當相對濕度≤50%時，相對濕度對于光譜范圍影響不大；當相對濕度＞50%時，由于空氣中水蒸氣對于太赫茲的吸收急劇增加，所以光譜范圍急劇縮小。因此在使用太赫茲時域光譜儀時，建議將光路內(nèi)的相對濕度保持在50%及以下。

3.2 時域信噪比實驗

以日本愛德萬公司的異步采樣時域光譜儀作為被校對象，型號為TAS-7500TS。對空測時域信號進行處理，得到時域信噪比。不同濕度環(huán)境下的時域信噪比校準結(jié)果如表3 所示。

表3 不同濕度環(huán)境下的時域信噪比校準結(jié)果Table 3 Calibration results of signal-to-noise ratio in time domain with different humidity

由表3 可以看出，相對濕度越小，時域信噪比就越大。當相對濕度≤50%時，相對濕度對時域信噪比的影響不大；當相對濕度＞50%時，由于空氣中水蒸氣對于太赫茲的吸收急劇增加，所以時域信噪比急劇縮小。因此在使用太赫茲時域光譜儀時，建議將光路內(nèi)的相對濕度保持在50%及以下。

3.3 頻域信噪比實驗

以日本愛德萬公司的異步采樣時域光譜儀作為被校對象，型號為TAS-7500TS。對空測時域信號進行處理，得到信號功率譜曲線。將金屬板放入泵浦光路，對測得的時域信號進行處理，得到噪聲功率譜曲線。當光路內(nèi)的相對濕度為5%時，得到頻域信噪比曲線如圖5 所示。

圖5 頻域信噪比曲線Fig.5 Signal-to-noise ratio curve in frequency domain

由表5 可以看出，當頻點從0.1 THz 變化至0.2 THz時，該時域光譜儀的頻域信噪比迅速增加，之后增速變緩，待增加至1.4 THz 之后，該時域光譜儀的頻域信噪比開始緩慢減小。另外，頻域信噪比的最大值為70 dB 左右，和時域信噪比的最大值接近。

4 結(jié)論

比較了目前常用的光譜范圍和時域信噪比校準方法的優(yōu)缺點，并優(yōu)選其中一種方法，設(shè)計了太赫茲時域頻域信噪比參數(shù)校準方法。研究了M取值對光譜范圍的影響，M值越大，光譜范圍就越寬。當M值≥50時，光譜范圍變化不大，因此在光譜范圍校準時建議M取值50。同時研究了光路內(nèi)相對濕度變化對于光譜范圍和時域信噪比的影響，相對濕度越小，時域信噪比越大，光譜范圍就越寬。當相對濕度≤50%時，相對濕度對于光譜范圍和時域信噪比的影響不大；當相對濕度＞50%時，因為空氣中水蒸氣對于太赫茲的吸收急劇增加，光譜范圍和時域信噪比急劇縮小。此外，完成了頻域信噪比校準實驗，得到了頻域信噪比曲線，頻域信噪比曲線的最大值和時域信噪比接近。在太赫茲時域光譜實驗中，光路中的相對濕度必須≤50%，才能使時域光譜儀處在比較良好的工作狀態(tài)之下。光路內(nèi)相對濕度變化對光譜范圍和時域信噪比的影響研究結(jié)論，對于太赫茲時域光譜儀的使用、太赫茲光譜儀相關(guān)標準的制定具有重要的指導(dǎo)意義。