CN106813784B - 一种实时微波脉冲啁啾检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种实时微波脉冲啁啾检测装置及其检测方法，检测装置包括信号采集器、中央控制器和显示器，且信号采集器和显示器均与中央控制器相连；信号采集器具有用于与脉冲信号发生装置相连的接口；中央控制器包括接收模块、预处理模块、处理模块、绘图模块、保存模块和判定模块。中央控制器对信号进行实时处理的过程中，在提取啁啾特性曲线时，将对信号时域波形的采样总时间进行离散化处理，即对采样总时间进行分段离散傅里叶变换，得到功率谱，完成对中心频率的计算以及啁啾特性曲线的读取与存储，并在显示器上进行显示，同时得出有无啁啾特性的判断结果。

Description

一种实时微波脉冲啁啾检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种实时微波脉冲啁啾检测装置及其检测方法。

背景技术

在时域上已通过太赫兹光谱测量系统获得了亚周期太赫兹脉冲波形，并且用Wigner-Wille分布方法对实验中所记录下来的波形进行了时频分析。在对所得到的频域中进行中心频率信息的提取时，采用的方法是将每个采样时间下的频谱峰值所对应的频率，作为这一时刻的中心频率。这个中心频率，是这个时刻瞬时频率的近似。然后把每个时刻的中心频率都标记出来，得到一条时频轨迹，从这条曲线的形状，来直观地判断脉冲是否存在啁啾。对于不啁啾的脉冲，这条曲线是与时间轴平行的直线。通过这样的方法，证实了亚周期脉冲中内禀啁啾的存在。

尽管文献中已经在太赫兹波段上验证了亚周期脉冲中自啁啾的存在。但是，在光频或者其他频段的验证，以及少周期、多周期脉冲中啁啾特性的检测与分析，依然是非常重要的。

目前还没有这样一套能够对脉冲实现实时信号探测与啁啾特性检测的系统或装置，因此本发明将主要针对微波波段的时域脉冲进行信号处理和啁啾特性的检测与分析，这将对微波波段脉冲的传输以及亚周期范围内强场与原子相互作用的研究起到重要作用。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提出一种实时微波脉冲啁啾检测装置及其检测方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：

一种实时微波脉冲啁啾检测装置，包括信号采集器、中央控制器和显示器，且信号采集器和显示器均与中央控制器相连；

所述信号采集器具有用于与脉冲信号发生装置相连的接口；

所述中央控制器包括用于接收信号采集器输送的信息的接收模块、用于对接收模块输出的信息进行去噪滤波处理的预处理模块、用于对预处理模块输出的信息进行离散化处理并求取中心频率值的处理模块、基于处理模块输出的信息绘制啁啾特性曲线的绘图模块、保存绘图模块输出的信息的保存模块和基于绘图模块输出的结果进行啁啾特性判定的判定模块；

所述接收模块、预处理模块、处理模块、绘图模块、保存模块和判定模块依次相连；

且接收模块与信号采集器相连，绘图模块、判定模块均与显示器相连。

采用本发明所述的一种实时微波脉冲啁啾检测装置实施的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100，信号探测：信号采集器实时采集脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号，以得到实时的微波脉冲时域信号，且采样点的总个数为N，采样总时长为T，相邻两个采样点间隔的采样时间为Δt，微波脉冲信号的采样频率为fs，则T＝N·Δt；

信号采集器将采集到的微波脉冲时域信号输送给中央控制器，中央控制器的接收模块接收所述的微波脉冲时域信号；

步骤200，啁啾特性检测：

步骤201，预处理模块去噪滤波处理：首先，通过滑动平均滤波法将微波脉冲时域信号的毛刺剔除，得到平滑的微波脉冲时域波形A₁；然后，将微波脉冲时域波形A₁进行傅里叶变换，得到对应的微波脉冲频谱B₁；接着将微波脉冲频谱B₁中对应于A₁的振铃的毛刺B₂滤除，获得新的微波脉冲频谱B₃；最后，将微波脉冲频谱B₃进行傅里叶逆变换，得到干净的微波脉冲时域波形A₂；

步骤202，处理模块对微波脉冲时域波形A₂进行离散化处理：在微波脉冲时域波形A₂的基础上，将采样总时长T进行离散化分割，均分为k个时段；且任意第j时段具有n个采样点，j∈{1,2,...,k}，且对任意第j时段的微波脉冲时域波形a_j进行傅里叶变换，获得微波脉冲时域波形a_j的微波脉冲频谱b_j，并根据微波脉冲频谱b_j求得对应的功率谱P_j，且P_j＝|b_j|²；基于功率谱P_j，采用一阶矩的方法求取第j时段的中心频率值ω_j，即：

其中，f_j(i)是第j时段的功率谱P_j中，第i个采样点所对应的频率值；

Δf_j为功率谱P_j中频率轴上的频率间隔，且

当/>时，

当/>时，

P_j(i)为功率谱P_j中第i个采样点的频率f_j(i)所对应的功率值，且P_j(i)＝|b_j(i)|²；

步骤203，绘图模块绘制啁啾特性曲线：获取k个时段的所有中心频率值之后，即可得到以时间为横轴以中心频率值为纵轴的啁啾特性曲线；

步骤204，保存：中央控制器的保存模块存储啁啾特性曲线；

步骤205，判定模块进行啁啾特性判断：判定模块监测啁啾特性曲线，当啁啾特性曲线为与时间轴平行的直线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲不具有啁啾特性；当啁啾特性曲线为不与时间轴平行的直线或曲线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号具有啁啾特性；

步骤206，显示：显示器同时显示啁啾特性曲线和判定模块的判定结果，判定模块的判定结果为“不具有啁啾特性”或“具有啁啾特性”。

进一步，步骤201中毛刺B₂的滤除方法为：在毛刺所对应的频率点前、后分别连续地取q个频率点，包括毛刺所对应的频率点在内，令频谱B₁中2q+1个频率点所对应的纵坐标值(幅值)为零，即可滤除毛刺B₂。

本发明的有益效果主要表现在：

1.可对脉冲发生装置所产生的微波波段脉冲信号进行实时探测，将同步实现对啁啾特性曲线进行存储及显示，直观且方便，并给出对脉冲信号是否存在啁啾特性的判断。

2.对脉冲发生装置产生的脉冲信号的脉宽没有限制，可实现对信号如亚周期、少周期、多周期脉冲啁啾特性精准的检测。这将对微波波段脉冲的传输以及对亚周期范围内强场与原子相互作用的研究起到重要的作用，特别是阈上电离、超短脉冲下的电离效应，如亚周期脉冲的高次谐波的产生、成丝效应和电荷的相对论加速、频域合成光波等过程的基础。

附图说明

图1是实时微波脉冲啁啾检测装置的结构示意图，箭头表示微波脉冲信号的传递方向。

具体实施方式

参照附图，一种实时微波脉冲啁啾检测装置，包括信号采集器1、中央控制器2和显示器3，且信号采集器1和显示器3均与中央控制器2相连；

所述信号采集器1具有用于与脉冲信号发生装置相连的接口；

所述中央控制器2包括用于接收信号采集器1输送的信息的接收模块、用于对接收模块输出的信息进行去噪滤波处理的预处理模块、用于对预处理模块输出的信息进行离散化处理并求取中心频率值的处理模块、基于处理模块输出的信息绘制啁啾特性曲线的绘图模块、保存绘图模块输出的信息的保存模块和基于绘图模块输出的结果进行啁啾特性判定的判定模块；

所述接收模块、预处理模块、处理模块、绘图模块、保存模块和判定模块依次相连；

且接收模块与信号采集器1相连，绘图模块、判定模块均与显示器3相连。

采用本发明所述的一种实时微波脉冲啁啾检测装置实施的检测方法，包括以下步骤：

步骤100，信号探测：信号采集器1实时采集脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号，以得到实时的微波脉冲时域信号，且采样点的总个数为N，采样总时长为T，相邻两个采样点间隔的采样时间为Δt，微波脉冲信号的采样频率为fs，则T＝N·Δt；

信号采集器1将采集到的微波脉冲时域信号输送给中央控制器2，中央控制器2的接收模块接收所述的微波脉冲时域信号；

步骤200，啁啾特性检测：

步骤201，预处理模块去噪滤波处理：首先，通过滑动平均滤波法将微波脉冲时域信号的毛刺剔除，得到平滑的微波脉冲时域波形A₁；然后，将微波脉冲时域波形A₁进行傅里叶变换，得到对应的微波脉冲频谱B₁；接着将微波脉冲频谱B₁中对应于A₁的振铃的毛刺B₂滤除，毛刺B₂的滤除方法为：在毛刺所对应的频率点前、后分别连续地取q个频率点，包括毛刺所对应的频率点在内，令频谱B₁中2q+1个频率点(2q+1应小于N)所对应的纵坐标值(幅值)为零，即可滤除毛刺B₂；获得新的微波脉冲频谱B₃；最后，将微波脉冲频谱B₃进行傅里叶逆变换，得到干净的微波脉冲时域波形A₂；

步骤202，处理模块对微波脉冲时域波形A₂进行离散化处理：在微波脉冲时域波形A₂的基础上，将采样总时长T进行离散化分割，均分为k个时段；且任意第j时段具有n个采样点，j∈{1,2,...,k}，且对任意第j时段的微波脉冲时域波形a_j进行傅里叶变换，获得微波脉冲时域波形a_j的微波脉冲频谱b_j，并根据微波脉冲频谱b_j求得对应的功率谱P_j，且P_j＝|b_j|²；基于功率谱P_j，采用一阶矩的方法求取第j时段的中心频率值ω_j，即：

其中，f_j(i)是第j时段的功率谱P_j中，第i个采样点所对应的频率值；

Δf_j为功率谱P_j中频率轴上的频率间隔，且

当/>时

当/>时，

P_j(i)为功率谱P_j中第i个采样点的频率f_j(i)所对应的功率值，且P_j(i)＝|b_j(i)|²；

步骤203，绘图模块绘制啁啾特性曲线：获取k个时段的所有中心频率值(即ω₁，ω₂，...ω_k)之后，即可得到以时间为横轴以中心频率值为纵轴的啁啾特性曲线；

步骤204，保存：中央控制器2的保存模块存储啁啾特性曲线；

步骤205，判定模块进行啁啾特性判断：判定模块监测啁啾特性曲线，当啁啾特性曲线为与时间轴平行的直线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲不具有啁啾特性；当啁啾特性曲线为不与时间轴平行的直线或曲线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号具有啁啾特性；

步骤206，显示：显示器3同时显示啁啾特性曲线和判定模块的判定结果，判定模块的判定结果为“不具有啁啾特性”或“具有啁啾特性”。

本发明所述的滑动平均滤波法指的是：在当前采样点前、后分别连续地取m个采样点数据，用(2m+1)个采样点值，包括当前采样点值在内，依次地计算出全部采样点的滑动平均值，便可消除毛刺干扰，获得一条时域信号的光滑曲线。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种采用实时微波脉冲啁啾检测装置的检测方法，其特征在于：所述检测装置包括信号采集器、中央控制器和显示器，且信号采集器和显示器均与中央控制器相连；

所述信号采集器具有用于与脉冲信号发生装置相连的接口；

所述中央控制器包括用于接收信号采集器输送的信息的接收模块、用于对接收模块输出的信息进行去噪滤波处理的预处理模块、用于对预处理模块输出的信息进行离散化处理并求取中心频率值的处理模块、基于处理模块输出的信息绘制啁啾特性曲线的绘图模块、保存绘图模块输出的信息的保存模块和基于绘图模块输出的结果进行啁啾特性判定的判定模块；

所述接收模块、预处理模块、处理模块、绘图模块、保存模块和判定模块依次相连；

且接收模块与信号采集器相连，绘图模块、判定模块均与显示器相连；

具体的，所述检测方法包括以下步骤：

步骤100，信号探测：信号采集器实时采集脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号，以得到实时的微波脉冲时域信号，且采样点的总个数为，采样总时长为/>，相邻两个采样点间隔的采样时间为/>，微波脉冲信号的采样频率为/>，则/>，/>；

信号采集器将采集到的微波脉冲时域信号输送给中央控制器，中央控制器的接收模块接收所述的微波脉冲时域信号；

步骤200，啁啾特性检测：

步骤201，预处理模块去噪滤波处理：首先，通过滑动平均滤波法将微波脉冲时域信号的毛刺剔除，得到平滑的微波脉冲时域波形；然后，将微波脉冲时域波形/>进行傅里叶变换，得到对应的微波脉冲频谱/>；接着将微波脉冲频谱/>中对应于/>的振铃的毛刺/>滤除，获得新的微波脉冲频谱/>；最后，将微波脉冲频谱/>进行傅里叶逆变换，得到干净的微波脉冲时域波形/>；

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步骤203，绘图模块绘制啁啾特性曲线：获取个时段的所有中心频率值之后，即可得到以时间为横轴以中心频率值为纵轴的啁啾特性曲线；

步骤204，保存：中央控制器的保存模块存储啁啾特性曲线；

步骤205，判定模块进行啁啾特性判断：判定模块监测啁啾特性曲线，当啁啾特性曲线为与时间轴平行的直线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲不具有啁啾特性；当啁啾特性曲线为不与时间轴平行的直线或曲线时，则判定脉冲信号发生装置输出的微波脉冲信号具有啁啾特性；

步骤206，显示：显示器同时显示啁啾特性曲线和判定模块的判定结果，判定模块的判定结果为“不具有啁啾特性”或“具有啁啾特性”；

其中，步骤201中毛刺的滤除方法为：在毛刺所对应的频率点前、后分别连续地取/>个频率点，包括毛刺所对应的频率点在内，令频谱/>中/>个频率点所对应的纵坐标值为零，即可滤除毛刺/>；

所述的滑动平均滤波法指的是：在当前采样点前、后分别连续地取个采样点数据，用个采样点值，包括当前采样点值在内，依次地计算出全部采样点的滑动平均值，便可消除毛刺干扰，获得一条时域信号的光滑曲线。