專利名稱：信號處理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，尤其涉及和傳感系統(tǒng)一道使用使得能夠?qū)鞲衅飨到y(tǒng)進(jìn)行控制和進(jìn)行增強(qiáng)的信號檢測的信號處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于在先發(fā)射的入射信號的目標(biāo)的結(jié)果信號的檢測被廣泛地用于使能進(jìn)行這些目標(biāo)的材料的識別和合成。在許多情況下，反射的或結(jié)果的信號保留入射信號的特征，例如入射信號的頻率和信號類型。在其它的情況下，結(jié)果信號例如可以包括不同于入射頻率的附加頻率。這些附加頻率和入射信號一道可以提供關(guān)于目標(biāo)物質(zhì)的成分的信息，可能包括構(gòu)成該物質(zhì)的元素的濃度。
傳感系統(tǒng)的一個(gè)特定的實(shí)施例是光譜儀，并涉及反射和熒光，具有和入射信號相同的頻率的反射信號的檢測一般比產(chǎn)生的其它頻率例如熒光的檢測容易。熒光可以在寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)射，其幅值大大低于和入射頻率相同的反射的信號的幅值。由物質(zhì)發(fā)出的熒光信號的強(qiáng)度可以在系統(tǒng)的噪聲電平以下，因此可能不能被識別或評價(jià)，其中所述噪聲可能是環(huán)境噪聲與/或系統(tǒng)內(nèi)的電噪聲。
美國專利6002477披露了一種分光光度計(jì)裝置，其提供一種用于減小檢測的光譜特征上的噪聲的影響的裝置，其中這種減小依賴于系統(tǒng)中的噪聲電平的確定，以便減小對來自物質(zhì)的被檢測的能量的檢測的影響。這種分光光度計(jì)測量由每個(gè)光脈沖產(chǎn)生的光束在和試樣交互作用之后的強(qiáng)度。每個(gè)這種光束在和試樣交互作用之前可被分成第一和第二部分，并且光學(xué)系統(tǒng)被設(shè)置用于引導(dǎo)第一部分到試樣上，引導(dǎo)第二部分到用于進(jìn)行參考測量的第二檢測器?？梢栽诿總€(gè)光脈沖之前或之后立即進(jìn)行暗信號測量。因而，借助于利用參考信號確定系統(tǒng)內(nèi)的噪聲，提供一種用于隔離接收的信號的裝置。不過，這種噪聲補(bǔ)償?shù)男问街饕M(jìn)行信號的減少，以便識別所需的信號，其中這種類型的技術(shù)可能導(dǎo)致去除所需信號。
因而需要一種新的信號處理系統(tǒng)，其使得能夠檢測來自物質(zhì)的低電平的發(fā)射，由于傳感系統(tǒng)內(nèi)的噪聲，這種發(fā)射不容易被檢測到，其中被檢測的發(fā)射是和預(yù)定類型的電磁輻射交互作用的結(jié)果。
提供這種背景信息為了使本申請人認(rèn)為是已知的信息可以成為和本發(fā)明相關(guān)的信息。顯然，上述的任何信息都構(gòu)成本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種信號處理系統(tǒng)和方法。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種信號處理系統(tǒng)，用于控制使得能夠在存在噪聲時(shí)進(jìn)行信號檢測的傳感系統(tǒng)，所述傳感系統(tǒng)包括能源，用于產(chǎn)生入射信號，發(fā)射處理系統(tǒng)，用于引導(dǎo)入射信號到測試試樣上，接收的信號的處理系統(tǒng)，用于響應(yīng)入射信號從測試試樣采集一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號，以及檢測器，用于把所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述信號處理系統(tǒng)包括發(fā)射控制系統(tǒng)，其在操作上和所述能源以及所述接收的信號的處理系統(tǒng)相連，所述發(fā)射控制系統(tǒng)向所述能源發(fā)送第一控制信號，所述能源借以產(chǎn)生呈脈沖形式的編碼的入射信號，所述發(fā)射控制系統(tǒng)向接收的信號的處理系統(tǒng)發(fā)送第二控制信號，用于控制一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號的采集，用于隨后由檢測器轉(zhuǎn)換成電信號；以及DSP接收的信號的處理系統(tǒng)，用于使來自檢測器的電信號和編碼的入射信號進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，借以使得能夠在存在噪聲的情況下隔離測試試樣對向其發(fā)射的入射信號的響應(yīng)。


圖1是包括按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的信號處理系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)的示意圖；
圖2是被集成在按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的信號處理系統(tǒng)中的信號脈沖處理系統(tǒng)的示意圖；圖3表示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于在圖2的窄帶數(shù)字濾波器的組中集成的符號速率(Fs)；圖4是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可用于圖2的脈沖編碼相關(guān)器中的時(shí)域相關(guān)模型的示意圖；圖5是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的信號處理系統(tǒng)的示意圖，其中信號處理系統(tǒng)被配置用于作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)的部分進(jìn)行操作；圖6表示使用脈沖幅值調(diào)制檢測的具有0dB信噪比的通斷鍵控信號；圖7表示使用頻域檢測的信號檢測；圖8表示從二進(jìn)制脈沖編碼信號檢測輸出的時(shí)域相關(guān)的結(jié)果；圖9是脈沖編碼通道模型的示意圖；圖10表示使用線性的FM調(diào)頻脈沖的檢測器輸出，所述脈沖是125毫秒寬的矩形函數(shù)，從500Hz到3500Hz掃頻，并以8000樣品/秒被采樣；圖11表示線性FM脈沖編碼技術(shù)的使用，其中對于200的時(shí)間帶寬乘積(TBP)，脈沖持續(xù)時(shí)間被保留在0.125秒，帶寬是1600Hz。檢測器的對數(shù)比例按照P＝20×log s計(jì)算，其中s是匹配的濾波器的時(shí)域輸出；圖12表示和圖11一樣對于800的TBP的線性FM脈沖編碼技術(shù)的使用；圖13表示和圖11一樣對于2250的TBP的線性FM脈沖編碼技術(shù)的使用；圖14是對于2250的TBP情況下的時(shí)域曲線，其中示出了檢測器的幅值；以及圖15表示具有按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
定義術(shù)語“弱信號檢測”指的是用于使得能夠測量來自試樣的低強(qiáng)度的發(fā)射輻射的技術(shù)。對于任何給定的信噪比，通過增加用于傳輸信息的帶寬可以降低信息錯(cuò)誤率。信號帶寬在噪聲信道中傳輸之前被擴(kuò)展。這個(gè)處理產(chǎn)生所謂的處理增益。
術(shù)語“信號擴(kuò)展”指的是若干個(gè)擴(kuò)展信號的方法，包括線性頻率調(diào)制(有時(shí)稱為調(diào)頻脈沖調(diào)制)和直接序列方法以及其它的技術(shù)。
術(shù)語“信號解擴(kuò)”指的是通過使用相關(guān)接收器或匹配的濾波器接收器技術(shù)使接收的信號和類似的本地參考信號相關(guān)來實(shí)現(xiàn)的一種處理。當(dāng)兩個(gè)信號匹配時(shí)，擴(kuò)展的信號在擴(kuò)展之前被折疊到其原始的帶寬，而任何不匹配的信號通過主要對傳輸帶寬的本地參考被擴(kuò)展。該濾波器則去除所需的信號之外的所有的信號。因而，為了在所需信號的干擾內(nèi)(傳感系統(tǒng)中的熱噪聲、周圍系統(tǒng)包括的噪聲、交流線噪聲，例如)優(yōu)化所需的信號，一個(gè)匹配的濾波器接收器增強(qiáng)該信號，同時(shí)抑制包括噪聲的所有其它輸入的影響。
除非另有規(guī)定，本文使用的所有的科技術(shù)語都具有和本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解的相同的意義。
本發(fā)明提供一種用于進(jìn)行信息處理的信號處理系統(tǒng)和方法。這種信號處理系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和傳感系統(tǒng)一道使用，其中編碼的信號被引導(dǎo)到測試試樣，并且采集結(jié)果信號并使其和編碼的信號相關(guān)聯(lián)，借以使得能夠進(jìn)行測試試樣對發(fā)射的信號的響應(yīng)的檢測，這可以使得能夠理解要被確定的測試試樣。這種信號可以是電磁的或聲學(xué)的，包括傳感系統(tǒng)，例如光譜儀、光-聲傳感系統(tǒng)、X-射線系統(tǒng)，或其它的用于引導(dǎo)和檢測電磁輻射的傳感系統(tǒng)，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的。信號處理系統(tǒng)對傳感系統(tǒng)提供控制信號，以控制被傳輸?shù)綔y試試樣的信號的格式和由此傳輸產(chǎn)生的從測試試樣接收的信號的檢測，并隨后使它們之間相互關(guān)聯(lián)。通過控制傳輸?shù)暮蜋z測的信號，信號處理系統(tǒng)可以使這個(gè)信息相互關(guān)聯(lián)，以改進(jìn)檢測能力，從而提供一種用于分析測試試樣的改進(jìn)的方法。
作為一個(gè)例子，在圖1中示出了信號處理系統(tǒng)5和傳感系統(tǒng)7的互連性。傳感系統(tǒng)包括能源15，其被信號處理系統(tǒng)5(特別是發(fā)射器控制電子電路10)控制，以便發(fā)射一個(gè)或多個(gè)入射信號22，以及發(fā)射處理裝置20，其被信號處理系統(tǒng)5(特別是發(fā)射器控制電子電路10)控制，以從能源15接收入射信號，并以編碼的格式把一個(gè)或多個(gè)入射信號提供給測試試樣25。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射處理裝置20可以包括用于隔離一個(gè)或多個(gè)照射波長的裝置以及用于定向和聚焦照射波長到測試試樣25上的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，其中能源是電磁照射源，在該照射和測試試樣之間的這個(gè)交互作用可以取由于測試試樣的性質(zhì)而產(chǎn)生的反射電磁輻射和熒光輻射的形式。在某些情況下，這些電磁特征由測試試樣內(nèi)的主要元素或駐存在測試試樣內(nèi)的某種物質(zhì)產(chǎn)生。例如，如果測試試樣是水，則電磁特征例如可以由水本身與/或在水的試樣內(nèi)的懸浮的固體或溶解的化合物產(chǎn)生。
傳感系統(tǒng)還包括接收的信號處理裝置30，其被信號處理系統(tǒng)5(特別是發(fā)射器控制電子電路10)控制，以采集和隔離由于在先對測試試樣傳輸?shù)娜肷湫盘柖蓽y試試樣25產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號27。接收的信號處理裝置30可以包括用于采集來自測試試樣25的結(jié)果信號的檢測器系統(tǒng)，以及用于隔離一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號的裝置。此外，傳感系統(tǒng)包括檢測器35，用于檢測由接收的信號處理裝置30發(fā)出的結(jié)果信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號，以及DSP接收的信號處理裝置40，其是信號處理系統(tǒng)5的一個(gè)元件，用于對檢測器35的輸出進(jìn)行匹配濾波(或者更具體地說進(jìn)行匹配相關(guān))。結(jié)果信號的匹配濾波根據(jù)來自檢測器35的接收的電信號和來自發(fā)射器控制電子電路10的代表入射信號的編碼格式的控制參數(shù)進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，信號強(qiáng)度估計(jì)可被輸入到控制塊500，其可以執(zhí)行根據(jù)信號強(qiáng)度的當(dāng)前值進(jìn)行實(shí)時(shí)決定的任務(wù)，與/或?qū)⑵溥M(jìn)一步輸入到通信塊510進(jìn)行隨后的傳輸。
參見圖1，具有噪聲或干擾進(jìn)入傳感系統(tǒng)7和信號處理系統(tǒng)5的各個(gè)位置，其中的干擾可能減少檢測從測試試樣接收的信號的能力，該信號是由于對測試試樣傳輸?shù)木幋a的入射信號而產(chǎn)生的。例如環(huán)境噪聲可以通過接收的信號處理裝置30進(jìn)入傳感系統(tǒng)，電噪聲可以通過DSP接收的信號處理裝置40進(jìn)入信號處理系統(tǒng)。信號處理系統(tǒng)可以提供一種用于編碼入射信號并對和編碼的入射信號相關(guān)的結(jié)果信號進(jìn)行匹配濾波(或相互關(guān)聯(lián))的裝置。這樣，這種信號處理系統(tǒng)使得能夠改善對結(jié)果信號的檢測，所述結(jié)果信號是由于向測試試樣傳輸編碼的入射信號而產(chǎn)生的。這種改進(jìn)的檢測能力來自噪聲抑制和信號增強(qiáng)，其是通過向測試試樣發(fā)送具有編碼波形的入射信號并使來自測試試樣的結(jié)果信號和發(fā)送的波形的拷貝相互關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的輸出來實(shí)現(xiàn)的，所述輸出和通過入射信號和測試試樣的交互作用而產(chǎn)生的結(jié)果信號的程度成比例。在一個(gè)實(shí)施例中，測試試樣由能源照射，相關(guān)聯(lián)的輸出和由所述照射和測試試樣的交互作用而產(chǎn)生的反射與/或熒光的程度成比例。
尤其注意到熒光，其是一種這樣的現(xiàn)象測試試樣被波長為λ0的能量照射，所述能量被試樣吸收，并由試樣發(fā)射波長為λ1的輻射，其中λ1＞λ0。如果所述發(fā)射發(fā)生在激勵(lì)階段期間或者在激勵(lì)之后的一個(gè)非常短的時(shí)間間隔內(nèi)，則這個(gè)過程通常被稱為熒光，并且時(shí)間常數(shù)通常小于10-8秒。如果激勵(lì)脈沖的持續(xù)時(shí)間很短，則熒光發(fā)射的強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減，其中熒光衰減的時(shí)間常數(shù)td是被激勵(lì)的試樣的特征。指數(shù)的尾部以發(fā)射波形e-(t/τd)衰減，其中τd是被照射的試樣的衰減時(shí)間常數(shù)。對于被照射的單原子或單分子試樣，指數(shù)項(xiàng)和在激勵(lì)能源施加之后某個(gè)時(shí)間τd將發(fā)射光子的可能性成水例。因?yàn)樵嚇影ǚ浅６嗟脑踊蚍肿映煞?，發(fā)射特性將是整個(gè)試樣的全體的平均。在這種情況下，在施加激勵(lì)之后的一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，實(shí)際上看到在時(shí)間上連續(xù)的熒光輻射的光強(qiáng)及其隨后的衰減。當(dāng)對測試試樣施加編碼的照射激勵(lì)時(shí)，能夠觀察到相同的全體平均衰減特性，如上所述。在這種情況下，可以使用比熒光衰減常數(shù)τd長得多的編碼脈沖來“調(diào)制”激勵(lì)的輻射，并使用下述的脈沖抑制技術(shù)來抑制由該發(fā)射的輻射產(chǎn)生的信號。在這種情況下的脈沖抑制技術(shù)的使用一般只用于這樣的情況，其中被激勵(lì)的測試試樣包含貢獻(xiàn)于熒光的極大量的原子或分子成分。
信號處理系統(tǒng)可以使用信號處理系統(tǒng)控制能源、發(fā)射處理裝置和接收的信號處理裝置或者它們的任何的組合。由信號處理系統(tǒng)提供的這種控制可以使得能夠檢測關(guān)于發(fā)射給測試試樣的一個(gè)或多個(gè)入射信號的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號，其中這種檢測可以在存在被引入系統(tǒng)中的噪聲的情況下進(jìn)行。信號處理系統(tǒng)包括發(fā)射器控制電子電路，其提供用于控制發(fā)射的入射信號(發(fā)射處理系統(tǒng))和接收的信號處理系統(tǒng)的裝置。此外，信號處理系統(tǒng)包括接收的信號處理裝置，其使得信號處理系統(tǒng)能夠使結(jié)果信號和最初發(fā)射的入射信號相關(guān)聯(lián)。作為一個(gè)例子，本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)可以提供用于識別由于用特定波長的光照射測試試樣而由測試試樣產(chǎn)生的反射和熒光的裝置，其中在這個(gè)例子中被控制的傳感系統(tǒng)可以是光譜儀的形式。
下面說明按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)和光傳感系統(tǒng)例如光譜儀的直接集成。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，如何集成信號處理系統(tǒng)以控制其它的傳感系統(tǒng)，包括光聲傳感系統(tǒng)或X射線傳感系統(tǒng)或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解的其它形式的傳感系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，用于控制照射輻射的發(fā)射器控制電子電路執(zhí)行的任務(wù)包括提供用于把電能轉(zhuǎn)換成照射能量的電功率和驅(qū)動(dòng)電路，控制信號源脈沖的幅值和定時(shí)，控制用于濾波、聚焦或機(jī)械地脈沖照射輻射的裝置，例如濾波器、單色儀、準(zhǔn)直儀與/或斷續(xù)器。此外，發(fā)射器控制電子電路提供用于控制接收的信號處理裝置的裝置，使得能夠隔離由于照射測試試樣而產(chǎn)生的反射和熒光信號波長。例如，在接收的信號處理裝置中包括單色儀可以提供用于隔離所需波長的裝置。單色儀的功能可以由接收的信號處理系統(tǒng)控制。
發(fā)射器控制電子電路可以使用一種形式的編碼函數(shù)在照射信號在和測試試樣交互作用之前對照射信號進(jìn)行編碼，其中這個(gè)編碼函數(shù)可以由任何數(shù)量的信號調(diào)制技術(shù)來提供。例如，可以使用脈沖編碼軟件產(chǎn)生用于直接調(diào)制信號控制裝置的頻率的同步脈沖(脈沖頻率調(diào)制，PFM)。利用PFM，脈沖的頻率被調(diào)制以編碼所需的信息?？梢允褂妹}沖編碼軟件產(chǎn)生用于直接調(diào)制信號控制裝置的幅值的同步脈沖(脈沖幅值調(diào)制，PAM)。其中利用PFM，脈沖的幅值被調(diào)制以編碼所需的信息。此外，可以使用脈沖編碼軟件產(chǎn)生用于直接調(diào)制信號控制裝置的脈沖寬度的同步脈沖(脈寬調(diào)制，PWM)。利用PWM，脈沖的寬度被調(diào)制以編碼所需的信息。最后，可以使用函數(shù)發(fā)生器對照射信號編碼，所述函數(shù)發(fā)生器用于產(chǎn)生固定的同步脈沖，使得能夠進(jìn)行脈沖速率和幅值調(diào)制，此外還有機(jī)械編碼器驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生用于間接信號調(diào)制器，例如斷續(xù)器、遮斷器、電鏡(galvomirror)等等的同步脈沖。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由發(fā)射器控制電子電路使用的編碼函數(shù)是二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)，其是一種數(shù)字調(diào)制格式。BPSK是一種調(diào)制技術(shù)，其可被用于極其有效地進(jìn)行弱信號的重復(fù)。使用BPSK調(diào)制，載波信號的相位按照數(shù)字位流被改變180度。BPSK的數(shù)字編碼方案如下“1”引起載波信號的相位轉(zhuǎn)變(180度)，而“0”則不產(chǎn)生相位轉(zhuǎn)變。使用這種調(diào)制技術(shù)，接收器進(jìn)行微分相干的檢測處理，其中每位的相位和前一位的相位比較。和其它的調(diào)制技術(shù)例如通斷鍵控相比，利用BPSK調(diào)制可以產(chǎn)生改進(jìn)的信噪比優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，DSP接收的信號處理裝置使得能夠在從檢測器接收的電信號和由發(fā)射控制電子電路確定的對應(yīng)的時(shí)間間隔之間進(jìn)行匹配的濾波器相互關(guān)聯(lián)。這種發(fā)射的和接收的信號之間的相互關(guān)聯(lián)可以提供一種用于增強(qiáng)超過噪聲(環(huán)境噪聲與/或電噪聲，例如)的接收的信號的識別的裝置，所述噪聲可以進(jìn)入傳感系統(tǒng)或信號處理系統(tǒng)中。接收的信號的濾波和時(shí)間平均、與發(fā)射的脈沖序列同步和匹配可以增強(qiáng)信噪比(SNR)，因而可以改善在一個(gè)或多個(gè)關(guān)心的波長下試樣響應(yīng)的測量的可信度。
匹配濾波器是一種相關(guān)信號的精確的復(fù)制或參考。使該參考和輸入信號相關(guān)聯(lián)，這種處理基本上是在濾波的總的持續(xù)時(shí)間內(nèi)信號乘以該參考的積的和。這個(gè)處理如圖4所示。當(dāng)使參考信號和關(guān)心的信號匹配時(shí)，相關(guān)(卷積)和一般相對于不匹配的和為最大，從而提供一種用于識別超過傳感系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)內(nèi)的外部噪聲的信號的裝置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，匹配濾波的一種形式可以由以脈沖速率的間隔為中心的窄帶濾波器組來提供，可以從脈沖頻譜中捕獲更多的諧波，因而可以提供一種用于改進(jìn)的信號脈沖能量估計(jì)并接著識別檢測的波長的裝置。這來自這樣的事實(shí)在接收的信號中的多個(gè)能量被用于確定相關(guān)性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如果時(shí)域擴(kuò)展函數(shù)由F(ω)表示，并且接收的信號由H(ω)表示，則匹配濾波器接收器的輸出可以使用數(shù)字信號處理器獲得s(t)=∫-∞+∞F(ω)H(ω)e-jωtdf]]>其中ω＝2πf在這個(gè)公式中，F(xiàn)(ω)是輸入信號f(t)的傅立葉變換，H(ω)是接收器線性濾波器h(t)的傅立葉變換。在匹配濾波器中，接收器線性濾波器H(ω)被調(diào)整，以優(yōu)化對于特定的輸入信號f(t)的接收器輸出s(t)的峰值信噪比。當(dāng)接收器線性濾波器響應(yīng)H(ω)由下式給定時(shí)H(ω)＝KF*(ω)e-jωt0則輸出信噪比被最大化，并且接收器濾波器響應(yīng)H(ω)和輸入信號f(t)匹配，其中f(t)具有傅立葉變換F(ω)。上面兩個(gè)公式取自“Information Transmission，Modulation and Noise，A UnifiedApproach to Communication Systems”；Schwartz，Mischa，ThirdEdition。匹配濾波器接收器使得能夠最大化所需檢測的輸出信號s(t)的信噪比。因而匹配濾波器接收器可以提供輸出信號的最佳的檢測。因?yàn)槠ヅ錇V波器接收器是一種線性系統(tǒng)，s(t)直接和反射強(qiáng)度和在檢測器上的熒光照射成比例。使用匹配濾波器可以使得能夠在具有噪聲的情況下(系統(tǒng)的外部和內(nèi)部噪聲)檢測弱信號，這種弱信號利用其它的系統(tǒng)可能是不能檢測的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)涉及模擬的前端和數(shù)字的后端任務(wù)。一般地說，模擬處理任務(wù)和恢復(fù)小的傳感器信號以及應(yīng)用高度選擇的濾波操作相關(guān)。數(shù)字域任務(wù)進(jìn)一步和關(guān)于能量檢測和數(shù)據(jù)輸出的信號濾波以及分析函數(shù)相關(guān)。為了盡可能使干擾最小化并提供對發(fā)射噪聲的抗擾性，照射信號可以利用一般為幾百赫茲的頻率被調(diào)制。模擬部分可被設(shè)計(jì)用于高增益地放大和前置濾波檢測器的輸出，并恢復(fù)調(diào)制頻率。利用這些信號，窄帶跟蹤濾波器可以提供高的選擇性，用于調(diào)制信號的恢復(fù)。窄帶濾波器的輸出在被放大之后被進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并被輸入到DSP，其可實(shí)時(shí)地執(zhí)行濾波、能量檢測、平均和把結(jié)果轉(zhuǎn)換成可以使用的數(shù)據(jù)的后端任務(wù)。濾波可以進(jìn)一步增強(qiáng)a/c噪聲和諧波失真的濾除，這些噪聲和失真可能是在模擬處理的最后階段被引入的。濾波之后可以進(jìn)行由平均能量檢測器進(jìn)行的處理，其輸出和傳感器信號的能量成比例的值。這些值可在短的時(shí)間間隔內(nèi)被發(fā)送給主裝置例如計(jì)算機(jī)，在那里它們可以被存儲(chǔ)和處理，以供進(jìn)一步分析。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)成如圖2所示。首先，脈沖序列發(fā)生器450向脈沖編碼相關(guān)器480發(fā)送參考信號，并進(jìn)而向數(shù)模轉(zhuǎn)換器460發(fā)送確定產(chǎn)生的序列的數(shù)字信號。結(jié)果的模擬信號在通過模擬低通濾波器470之后被發(fā)送給照射源，照射源接著根據(jù)這些脈沖照射測試試樣。在對由于該照射而從測試試樣產(chǎn)生的放射輻射進(jìn)行采集和檢測之后，作為輻射檢測的結(jié)果而由檢測器產(chǎn)生的脈沖被輸入到模擬低通濾波器(LPF)400，其向模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ACD)410傳送濾波信息。模擬LPF可以抑制例如超過fs/2的頻率，其中fs是ADC的采樣速率，借以提供防混淆濾波。這個(gè)數(shù)字化的信息被發(fā)送給窄帶數(shù)字濾波器組420，其中每個(gè)濾波器和脈沖序列頻譜(輸入信號脈沖)中的一個(gè)線匹配，并接著被傳送給求和模塊430。每個(gè)濾波器的中心在n*Fs，其中n是從1到N的整數(shù)，其中N是濾波器的最大數(shù)量。圖3是脈沖編碼信號的時(shí)域表示。這些通常被稱為偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，并且包括用于限定“代碼字”800的n個(gè)隨機(jī)位。形成代碼字的n位的每一個(gè)被稱為“符號”，其具有時(shí)間持續(xù)間隔Ts，其通常被稱為符號周期。符號速率Fs是由Fs＝1/Ts給出的符號的傳輸速率。這樣一種方法使得能夠進(jìn)行接收的信號和參考編碼波形的一個(gè)拷貝或匹配相匹配，以便識別系統(tǒng)內(nèi)的超過外部噪聲的信號，并可被稱為匹配濾波。
在窄帶數(shù)字濾波器組420中實(shí)施的各個(gè)濾波器主要濾除參考脈沖的基波頻率分量和諧波頻率分量，它們在求和模塊430被求和，以獲得信號的各個(gè)頻譜分量，從而濾波的接收信號中的大部分功率是被傳輸?shù)綔y試試樣的編碼的照射信號的結(jié)果。來自求和模塊430的和被存儲(chǔ)在濾波器脈沖周期緩沖器440中，并在脈沖編碼相關(guān)器480中和傳輸?shù)男盘栮P(guān)聯(lián)，并把結(jié)果存儲(chǔ)在相關(guān)緩沖器520中。圖4提供一種可用于脈沖編碼相關(guān)器中的時(shí)域相關(guān)模型的示意的表示，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解的那樣，可以使用其它的相關(guān)模型。信號強(qiáng)度檢測器490和質(zhì)量評價(jià)器530可以根據(jù)在相關(guān)緩沖器520中的信息計(jì)算信號強(qiáng)度估計(jì)和質(zhì)量指示數(shù)據(jù)，并接著把信號強(qiáng)度估計(jì)和質(zhì)量指示數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字處理系統(tǒng)的控制邏輯500。控制邏輯500提供一種用于進(jìn)行信號處理系統(tǒng)的調(diào)度控制和配置控制的裝置?？刂七壿?00還可以根據(jù)傳感系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)實(shí)時(shí)地進(jìn)行決定。信號強(qiáng)度估計(jì)和質(zhì)量指示數(shù)據(jù)接著例如通過通信塊510或其它裝置被傳輸?shù)轿挥趥€(gè)人計(jì)算機(jī)或中央控制器上的計(jì)算裝置，以便被組織成為可用的和可呈現(xiàn)的格式，例如產(chǎn)生采集的信息的圖形表示與/或在數(shù)據(jù)庫上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步注意到圖4，時(shí)間采樣輸入信號xm(t)850被存儲(chǔ)在n個(gè)試樣長度的移位寄存器中，移位寄存器可被稱為“抽頭延遲線”因?yàn)槠浜凶钚陆脑嚇觴1(t)和最后的n-1個(gè)試樣。在“抽頭延遲線”中的n個(gè)試樣乘以在匹配參考函數(shù)寄存器Y 860中的對應(yīng)的試樣，檢測器Y 860含有表示傳輸?shù)拿}沖序列的相關(guān)參考函數(shù)的n個(gè)試樣。在“抽頭延遲線”中對應(yīng)的試樣的積，即每次采樣的輸入信號乘以對應(yīng)的匹配參考函數(shù)的積，被求和。這個(gè)和表示在那一時(shí)刻在“抽頭延遲線”中的采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)輸出信號C(t)870。這種相關(guān)的形式可用于實(shí)施脈沖編碼傳輸方案或利用其它的編碼裝置例如“線性頻率調(diào)制”的本發(fā)明的實(shí)施例中。匹配參考函數(shù)基本上是被產(chǎn)生用于控制測試試樣的照射的信號的時(shí)間采樣的拷貝。
進(jìn)一步參見圖4，下一個(gè)采樣數(shù)據(jù)值x0被置于“抽頭延遲線”中，這在“抽頭延遲線”中產(chǎn)生被移向圖4的右方的前一個(gè)采樣。具體地說，新的試樣x0成為x1(t)，試樣x1(t)成為x2(t)，依此類推，其中試樣xn被從“抽頭延遲線”中丟棄。在“抽頭延遲線”中對應(yīng)的試樣，即每次采樣的輸入信號，和對應(yīng)的匹配參考函數(shù)再次相乘并求和，以提供下一個(gè)相關(guān)結(jié)果。這個(gè)處理隨著新的試樣被加到“抽頭延遲線”而繼續(xù)，結(jié)果是時(shí)間采樣相關(guān)結(jié)果。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)的功能還可以包括報(bào)警設(shè)置，其中在啟動(dòng)報(bào)警設(shè)置時(shí)可以進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)操作。例如，信號處理系統(tǒng)可以一直進(jìn)行被處理的數(shù)據(jù)的相關(guān)和統(tǒng)計(jì)分析，一旦接收的信號中的一個(gè)預(yù)定的改變值被達(dá)到，則信號處理系統(tǒng)便可以啟動(dòng)報(bào)警設(shè)置。報(bào)警設(shè)置的啟動(dòng)可以產(chǎn)生被發(fā)送到監(jiān)視傳感系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)的人員的信息，例如以報(bào)警燈、蜂鳴器、電子郵件、蜂窩電話信息或語音呼叫的形式，或者可以啟動(dòng)另一種處理，例如樣品提取。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以在標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號處理芯片中實(shí)施數(shù)字信號處理算法，該芯片被集成在信號處理系統(tǒng)中，借以使得集成本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)的裝置的總成本相對較低。
信號處理系統(tǒng)可被包括在呈可以安裝在計(jì)算裝置中的電路板形式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如，其中計(jì)算機(jī)可以提供一種裝置，用于操作匹配濾波之后的信息，并將其組織成為例如容易由系統(tǒng)操作者解釋的格式。此外，信號處理系統(tǒng)可以包括獨(dú)立的硬件，以對信號處理系統(tǒng)提供獨(dú)立操作的裝置。
可獨(dú)立應(yīng)用的信號處理系統(tǒng)在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)具有可獨(dú)立操作的配置。在這種類型的可獨(dú)立操作的配置中，信號處理系統(tǒng)還可以包括和整個(gè)通信系統(tǒng)例如因特網(wǎng)互連的能力，或者能夠在局域網(wǎng)(LAN)內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。和通信網(wǎng)絡(luò)的這種類型的互連使得能夠由中央站從多個(gè)測試地點(diǎn)采集信息，借以減少用于采集測試數(shù)據(jù)所需的人員。
如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，根據(jù)用于傳輸系統(tǒng)中的信息的通信系統(tǒng)(LAN，WAN，因特網(wǎng))和該信息所需的安全等級，可以要求和實(shí)施對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同等級的加密。
在這個(gè)實(shí)施例中，獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)包括DSP塊，發(fā)送器和接收器塊，宏控制器塊(MCU)，通信塊和數(shù)字與模擬電源塊。
在這個(gè)實(shí)施例中，DSP塊包括數(shù)字信號處理芯片和外部存儲(chǔ)器。DSP塊執(zhí)行計(jì)算算法，用于快速、實(shí)時(shí)地處理從一個(gè)或多個(gè)檢測器傳遞的信號。這個(gè)塊還產(chǎn)生能夠調(diào)制能源的信號；其中如果需要這個(gè)調(diào)制信號可被多路傳輸?shù)蕉鄠€(gè)能源。不過，每個(gè)檢測器，如果具有一個(gè)以上的檢測器，具有進(jìn)入DSP塊的單獨(dú)的通道，用于傳輸關(guān)于接收的信號的信息。此外，DSP塊可以控制一個(gè)或多個(gè)用于機(jī)械地脈沖照射輻射的裝置，例如斷續(xù)器(chopper)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的，DSP芯片的所需的處理速度可以由輸入的要被處理的數(shù)據(jù)的估計(jì)的數(shù)量和頻率來確定。用這種方式，可以根據(jù)其處理速度例如DSP操作的赫茲數(shù)例如40赫茲、60赫茲等來確定合適的芯片。
按照這個(gè)實(shí)施例，發(fā)射器和接收器塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和低通濾波器，其中這些濾波器使得接收的信號能夠防混淆。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用許多發(fā)光二極管(LED)或激光二極管作為傳感系統(tǒng)的能源。在這個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射器和接收器塊還包括多路傳輸器和大功率放大器，其中多路復(fù)用器可以使得能夠獨(dú)立地傳輸用于啟動(dòng)多個(gè)能源的信號，并且大功率放大器提供一種用于提供足夠的能量的裝置，以啟動(dòng)這些能源，使得獲得其最大功率輸出。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用兩個(gè)Texas儀器公司的編碼譯碼器(編碼器/譯碼器)TLV320AIC20作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)例子中，TLV320AIC20包括兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。因而，借助于把這兩個(gè)CODEC包括在單獨(dú)操作的信號處理系統(tǒng)中，通過使用多路傳輸器，提供4個(gè)獨(dú)立的輸入通道和任何數(shù)量的輸出通道。
獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的通信塊的例子包括多個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器卡，例如以太網(wǎng)芯片，無線網(wǎng)芯片與/或USB芯片，其使得獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)能夠和通信網(wǎng)絡(luò)互連，例如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)，例如GSM/GPRS或CDMA、或者局域無線網(wǎng)(例如藍(lán)牙或IEEE 802.11)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解進(jìn)行所需的網(wǎng)絡(luò)連接需要的芯片或卡的格式和類型。此外，網(wǎng)絡(luò)塊還可以包括串行接口芯片，例如RS-232端口，其可以提供和其它元件或系統(tǒng)的串行接口，例如計(jì)算機(jī)或串行的調(diào)制解調(diào)器，例如撥號或無線型調(diào)制解調(diào)器，或和單色儀的串行連接。因此，通信塊可以提供一種用于遠(yuǎn)程計(jì)算系統(tǒng)或本地計(jì)算系統(tǒng)的裝置，用于訪問由信號處理系統(tǒng)采集的信息，此外還用于修改或更換在信號處理系統(tǒng)上運(yùn)行的算法，還用于配置數(shù)據(jù)。例如，如果獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)位于遠(yuǎn)方，例如通過和因特網(wǎng)的互連，工作人員除去以遠(yuǎn)程方式訪問其上的數(shù)據(jù)之外，還可以修改信號處理系統(tǒng)的操作。
此外，在這個(gè)獨(dú)立操作的實(shí)施例中，宏控制器單元塊(MCU)包括MCU芯片，其可以是8位、16位或32位的芯片，以及外部存儲(chǔ)器。MCU塊管理DSP塊和通信塊，其中MCU塊從DSP塊采集處理的數(shù)據(jù)，并把該信息傳遞給通信塊。濾波與/或聚焦照射輻射和接收的信號的裝置例如信號濾波器或單色儀可以被MCU塊控制。MCU塊還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并且可以啟動(dòng)報(bào)警設(shè)置。例如，如果測試試樣的渾濁程度超過一個(gè)預(yù)定值，則可以啟動(dòng)報(bào)警設(shè)置，其中這個(gè)報(bào)警啟動(dòng)可以包括采集試樣供更詳細(xì)的分析，或把報(bào)警啟動(dòng)通知操作人員。在需要對DSP塊的軟件進(jìn)行更新的情況下，例如匹配濾波程序的修改，MCU塊例如可以管理DSP代碼的遠(yuǎn)程軟件更新。包括在MCU塊中的MCU芯片的類型可以根據(jù)要被處理的信息量而改變，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。在一個(gè)實(shí)施例中，MCU芯片使得其能夠控制兩個(gè)精密的雙極直流電動(dòng)機(jī)的接口，其中電動(dòng)機(jī)接口可以選擇地和MCU芯片的插腳隔離，以限制例如破壞MCU芯片的危險(xiǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，MCU芯片可以具有多個(gè)普通的輸出插腳，其可用于附加的裝置，例如控制閥、溫度傳感器或由信號處理系統(tǒng)控制的傳感系統(tǒng)外部的其它形式的傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，MCU芯片的編程可以由ISP接口來提供，該接口可以由通信塊提供，如前所述。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，MCU塊還包括FPGA(現(xiàn)場可編程的門陣列)芯片與/或CPLD(復(fù)雜的可編程的邏輯裝置)芯片，實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及復(fù)位芯片，其中FPGA/CPLD是可再編程的集成電路，其對系統(tǒng)提供附加的功能，例如地址譯碼邏輯，板復(fù)位邏輯與/或?qū)Ｓ盟惴ā?br> 可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電源塊可以提供穩(wěn)壓直流電源，根據(jù)可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的要求其具有多個(gè)電壓等級。在一個(gè)例子中，對這個(gè)可獨(dú)立操作的系統(tǒng)的輸入功率可以由未被調(diào)節(jié)的或不穩(wěn)定的電源例如墻壁插頭來提供。數(shù)字和模擬電源塊可以調(diào)節(jié)輸入功率并隨后產(chǎn)生用于可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的每個(gè)元件的所需的模擬和數(shù)字電壓值。作為例子，能夠進(jìn)行輸入功率的調(diào)節(jié)的元件包括變壓器，AC-DC變換器，或任何其它功率調(diào)節(jié)元件，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。數(shù)字和模擬電源塊還可以提供電池備份電路和電源故障檢測電路。
可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)具有在其上運(yùn)行的各種軟件，其中一般被稱為固件，其使得可獨(dú)立操作的系統(tǒng)具有其功能。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的任何一個(gè)配置上可以存在或不存在特定類型的固件，其中所需的固件可以根據(jù)特定的可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的所需的功能被確定。例如，可以在可獨(dú)立操作的系統(tǒng)上運(yùn)行的固件的功能可以從包括以下的功能的組中選擇基于所需的編碼功能例如BPSK原理的信號傳輸和檢測；用于進(jìn)行信號能量的接收的編碼脈沖的初始清除的數(shù)字濾波；用于進(jìn)行接收的編碼脈沖的二次清除的自相關(guān)；基于自相關(guān)結(jié)果的信噪估計(jì)；微控制器/DSP通信接口軟件；微控制器/串行通信接口軟件；用于編碼譯碼的軟件驅(qū)動(dòng)；微控制器的加載軟件，其被設(shè)計(jì)用于讀出16進(jìn)制文件并利用文件的內(nèi)容例如關(guān)于DSP功能的指令對DSP加載；FPGA/CPLD軟件，其被設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生用于連接微控制器、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制器和外部存儲(chǔ)器芯片的膠合邏輯；使得能夠進(jìn)行撥號與/或無線調(diào)制解調(diào)的操作的微控制器的驅(qū)動(dòng)程序。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。這種信號處理系統(tǒng)包括DSP塊1010，發(fā)射器和接收器塊1000，微控制器塊(MCU)1020和通信塊1030。DSP塊包括以下元件用于從檢測器接收的信號的模擬低通濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和用于被發(fā)送到能源的控制信號的模擬低通濾波器。DSP塊包括以下元件窄帶數(shù)字濾波器組，求和模塊，濾波器脈沖周期緩沖器，脈沖代碼相關(guān)器和信號強(qiáng)度檢測器。在這種可獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)中的這些元件之間的相互關(guān)系例如和圖2所示的類似。
弱信號檢測弱信號檢測根據(jù)按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)和光學(xué)傳感系統(tǒng)的互連進(jìn)行說明。用于弱信號的檢測的這些技術(shù)同樣適用于和其它的傳感系統(tǒng)互連的信號處理系統(tǒng)，例如光聲傳感系統(tǒng)或X射線傳感系統(tǒng)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解如何把這些弱信號檢測技術(shù)集成在和其它傳感系統(tǒng)一道使用的信號處理系統(tǒng)中。
在一個(gè)實(shí)施例中，使用音調(diào)編碼方法進(jìn)行信號編碼，這是因?yàn)槠浜唵我约跋鄬τ趶?fù)雜性能夠產(chǎn)生合理的噪聲抑制程度。在這個(gè)實(shí)施例中，主要考慮進(jìn)行一次測量所需的時(shí)間量。這由以下確定1)用于獲得用于頻域轉(zhuǎn)換的試樣所需的時(shí)間量，其基本上是所需的采樣數(shù)量除以采樣速率，以及2)在帶通濾波器技術(shù)的情況下濾波器帶寬，其基本上是濾波器帶寬的倒數(shù)。
和電信號帶寬折衷的是相對于噪聲的觀察時(shí)間。當(dāng)帶寬增加時(shí)，觀察時(shí)間被減少，噪聲功率和帶寬成比例地增加。噪聲的任何增加都減少檢測器的靈敏度。用于掃描關(guān)心的區(qū)域的總的處理時(shí)間可以由T＝Nτ確定，其中τ是在一個(gè)波長下用于一個(gè)測量的時(shí)間。在觀察時(shí)間中兩個(gè)關(guān)鍵的變量是傳感器濾波器帶寬和電濾波器帶寬。
T的粗略的一階計(jì)算的一個(gè)例子可以借助于以下的假設(shè)進(jìn)行1)分辯在250nm-800nm范圍內(nèi)的光譜，2)10nm的光學(xué)分辨率帶寬，以及3)10Hz的電帶通濾波器BW，因此τ＝0.10秒。利用這些假設(shè)，掃描時(shí)間是151.25秒，或大約2.5分。
在許多實(shí)施例中，檢測反應(yīng)輻射特征的頻率是主要目標(biāo)。這些反應(yīng)特征是由和入射信號不同的測試發(fā)出的頻率。例如，熒光便是一種反應(yīng)輻射。這種反應(yīng)輻射一般比反射光弱得多。要求傳感系統(tǒng)的光譜分辨率能夠在反射的波長和熒光波長之間進(jìn)行識別。這可以通過使用具有可變孔徑的棱鏡與/或光柵單色儀來實(shí)現(xiàn)，它們抑制雜散的輻射。
對于要被充分分解的光學(xué)特征，信號處理系統(tǒng)必須能夠檢測非常弱的信號，其來自被檢測器檢測的光輻射。最后，目標(biāo)是能夠在由于電噪聲、光學(xué)背景輻射和來自測試試樣的頻帶外的發(fā)射(由于光譜儀的光譜分辨率)而存在的噪聲背景中檢測非常弱的信號。
光譜特征的測量中的其它的變量包括a)測試試樣被照射的持續(xù)時(shí)間間隔；b)在測試試樣的第一表面上的照射的幅值；c)噪聲變量的幅值；d)在照射中光譜隨時(shí)間的偏移；以及e)在測試試樣的照射被中斷之后由測試試樣發(fā)出的熒光的衰減。這些變量需要被尋址，以便比較不同的檢測方案的性能。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，接收的光的自適應(yīng)濾波使得能夠檢測在測試試樣的照射間斷之后由測試試樣發(fā)射的熒光的衰減強(qiáng)度。照射的間斷可以是能量傳輸?shù)耐耆慕K止，或者是一個(gè)特定的照射波長的間斷。使用由按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)控制的傳感系統(tǒng)，由測試試樣發(fā)射的熒光的衰減的測量可以提供一種用于識別測試試樣的方法。
應(yīng)用于這種情況的脈沖幅值調(diào)制技術(shù)可以是照射的通斷鍵控。檢測基于在環(huán)境噪聲中檢測信號存在的能力。信號的可檢測能力可以基于從噪聲中識別信號的能力，并且一般需要比噪聲大得多的信號功率(一般＞10dB)。通斷鍵控的信號的一個(gè)例子如圖6所示。在這種情況下的信噪比(SNR)是0dB，不能從包括信號和噪聲的部分識別信號的噪聲部分。
頻域檢測機(jī)構(gòu)是一種基于利用恒定頻率調(diào)制的信號的頻率調(diào)制的檢測裝置。其具有超過時(shí)域檢測裝置例如通斷鍵控的許多優(yōu)點(diǎn)。即使信號和噪聲的RMS幅值可以相等(SNR＝0dB)，調(diào)制信號的功率頻譜密度通常比寬帶噪聲的功率頻譜密度大得多。利用許多方法，可以使載波和噪聲隔離，其中包括a)頻譜測量技術(shù)，例如DFT或FFT，以及b)利用中心頻率位于調(diào)制頻率的窄帶濾波。
圖7表示這種情況的一個(gè)例子。在這種情況下，第一信號和噪聲的RMS幅值相等(SNR＝0dB)。兩個(gè)其它的信號相加，它們分別具有相對于第一信號為0.50和0.1的幅值。時(shí)域信號正巧看起來完全如圖6所示。不過，在頻域中，第一和第二信號的峰值是明顯的。這個(gè)信號的特征被掩埋在噪聲中因而不能被分辨。這種檢測技術(shù)在實(shí)際實(shí)施時(shí)相對簡單，并且可以適用于弱信號檢測系統(tǒng)。
脈沖編碼技術(shù)(二進(jìn)制的，線性的，增強(qiáng)的)是另一種檢測方法。脈沖編碼技術(shù)通常用于在存在噪聲時(shí)檢測非常弱的信號。它們可能比傳統(tǒng)技術(shù)例如音調(diào)檢測和脈沖幅值檢測更加復(fù)雜，不過當(dāng)要被檢測的信號的幅值相對于噪聲較弱，而除去脈沖編碼之外沒有可供利用的方法用來增加信噪比時(shí)，它們有時(shí)是一種選擇。兩種脈沖編碼技術(shù)是二進(jìn)制脈沖編碼和線性頻率調(diào)制(FM)編碼。這兩種技術(shù)都落在脈沖壓縮和擴(kuò)展頻譜的領(lǐng)域內(nèi)，并且在大量的參考文獻(xiàn)中被描述了，其中包括Barton，DK(1978)Radars Volume 3Pulse Compression，Artech HouseInc.。
作為一個(gè)例子，二進(jìn)制脈沖編碼使用1000位的同步字，其可以通過使用均勻隨機(jī)數(shù)發(fā)生器并由其數(shù)據(jù)構(gòu)成二進(jìn)制序列來產(chǎn)生。脈沖被在時(shí)域中的特定位置產(chǎn)生，并測量相對幅值。時(shí)域相關(guān)輸出的結(jié)果如圖8所示。在一個(gè)幅值曲線中，可以檢測所有3個(gè)脈沖。第三個(gè)和最小的信號脈沖剛好可從噪聲中被識別。
線性FM脈沖壓縮方案一直按照慣例在雷達(dá)系統(tǒng)中被使用，用于減少傳輸?shù)男盘柕目偟姆逯倒β?，同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)大的檢測范圍。它們還主要出現(xiàn)在合成孔徑雷達(dá)處理中，用于機(jī)載的和空載的成像雷達(dá)。這種編碼形式是通過在時(shí)間間隔τ內(nèi)線性掃描從fl到f2的載波信號(對于Δf的掃描帶寬)。一般地說，線性FM編碼信號的“輸出功率”增加時(shí)間帶寬的乘積(TBP)Δfτ，這是以秒計(jì)的脈沖持續(xù)時(shí)間和以赫茲計(jì)的掃描帶寬的乘積。這種檢測處理基本上是一種匹配濾波檢測器，其和線性FM傳輸脈沖匹配。總的處理如圖9所示。信號s(t)可以是迪拉克Δ(Dirac Delta)函數(shù)，實(shí)際上是用于編碼器h(t)的觸發(fā)脈沖，其產(chǎn)生傳輸信號U(τ，Δf)，這是線性FM編碼的脈沖(或調(diào)頻脈沖)，其具有持續(xù)時(shí)間τ和帶寬Δf。這是用于驅(qū)動(dòng)發(fā)生器以照射測試試樣的信號。在系統(tǒng)以及電子電路中噪聲n(t)被加于編碼信號上。該信號被檢測器檢測，檢測器的電輸出信號包括所關(guān)心的實(shí)際信號，系統(tǒng)背景噪聲和檢測器與電子電路中的電噪聲。匹配濾波檢測器接著處理這個(gè)電信號。因?yàn)樗P(guān)心的信號僅僅是和匹配濾波器匹配的信號的3個(gè)分量中的一個(gè)，其是由于線性FM脈沖編碼而經(jīng)歷增益的唯一元件。系統(tǒng)和電噪聲分量相對于編碼信號基本上被抑制。這是這種方法的優(yōu)點(diǎn)。線性FM調(diào)頻脈沖輸出如圖10所示。在幅值曲線中，只有最大的兩個(gè)脈沖可被檢測到，第三個(gè)基本上被掩埋在噪聲中。這個(gè)例子用圖說明由線性FM脈沖壓縮技術(shù)提供的編碼增益。
增強(qiáng)的脈沖編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，通過增加時(shí)間帶寬的乘積，可以實(shí)現(xiàn)較大的編碼增益。使用這種技術(shù)，最弱的時(shí)域脈沖也能成為可視的。
具有200的TBP的原始情況的曲線示于圖11，具有800的TBP的新的情況示于圖12。時(shí)間帶寬乘積的增加足夠大地增加了編碼增益，使得第三和最弱的脈沖現(xiàn)在在固有噪聲電平以上是可見的。編碼增益從23.0dB增加到29.0dB，或者總的增加為6.0dB。在兩個(gè)曲線中，功率對于位于試樣100的峰值被標(biāo)稱化了。在TBP從200到800的進(jìn)展中固有噪聲電平的下降是顯然的。
為了進(jìn)一步說明該點(diǎn)，圖13示出了2250的TBP的曲線。為了比較這個(gè)大的時(shí)間帶寬乘積檢測方法和其它的編碼技術(shù)，一個(gè)時(shí)域幅值曲線示于圖14，其中示出了檢測器幅值。噪聲幅值將被抑制 或者大約47.4。脈沖1的峰值幅值是2505，脈沖2的是1252，脈沖3是250。噪聲幅值和關(guān)于峰值1的信號的相同，因此噪聲幅值將被抑制為大約52的水平。由圖14可見，大約是這種情況。由于實(shí)現(xiàn)的大的噪聲抑制，關(guān)于脈沖3的信號相對于噪聲背景是清楚可見的。和圖4的情況TBP＝2250，其中脈沖3是可見的相比，當(dāng)圖10的情況TBP＝375時(shí)，其中脈沖3是不可見的，這是顯然的。
較高的時(shí)間帶寬乘積可用于實(shí)現(xiàn)較高的編碼增益，不過根據(jù)用于實(shí)現(xiàn)信號編碼的方法這些可能被限制。機(jī)械斷續(xù)器(chopper)將受到在斷續(xù)器輪上復(fù)制線性FM代碼的能力的限制，而聲光調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的TBP，但是成本高得多。
例子例1和光學(xué)系統(tǒng)集成的信號處理系統(tǒng)在這個(gè)例子中，按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)集成。組合的檢測和信號處理系統(tǒng)包括作為照射光源的發(fā)光二極管(LED)，其被所述信號處理系統(tǒng)控制以發(fā)射范圍從380nm到500nm的輻射帶寬；b)步進(jìn)電機(jī)控制的光柵單色儀，其被所述信號處理系統(tǒng)控制以接收來自照射裝置的光，并在脈沖序列中輸出第N個(gè)波長；c)光纖探針，其和單色儀耦連，所述單色儀具有準(zhǔn)直和聚焦元件，對測試試樣輸出第N個(gè)波長，所述測試試樣位于一個(gè)裝置內(nèi)，所述裝置利用采集光學(xué)系統(tǒng)的方位對照射光學(xué)系統(tǒng)定向，使得它們彼此成一個(gè)恒定的角度；d)采集裝置，用于收集第N個(gè)波長的結(jié)果的輻射，并通過和步進(jìn)電機(jī)控制的光柵檢測單色儀耦連的光采集透鏡與光纖輸出信息，所述單色儀也被信號處理系統(tǒng)控制用于波長隔離；以及e)光檢測器例如Ga-As集成光二極管和放大器。
這種信號處理系統(tǒng)還使得能夠產(chǎn)生照射調(diào)制編碼信號，其使用32位的線性FM脈沖編碼技術(shù)進(jìn)行照射的脈沖編碼。檢測脈沖編碼是利用和使用的編碼技術(shù)匹配的匹配相關(guān)接收器分辨時(shí)間帶寬乘積，并且輻射的特定幅值的檢測可以提示信號處理系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)特定的程序以測試特定的信號響應(yīng)特性。例如，熒光和反射系數(shù)可以根據(jù)照射的波長的限制來測量。
和光學(xué)傳感系統(tǒng)集成的本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)的這個(gè)例子使得能夠檢測通過利用特定波長照射試樣而從測試試樣發(fā)出的反射和熒光。
例2和用于分析流體試樣的光學(xué)系統(tǒng)集成的信號處理系統(tǒng)在按照本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)的另一個(gè)例子中，集成有被設(shè)計(jì)用于進(jìn)行流體試樣分析的光學(xué)系統(tǒng)，例如用于檢測在流動(dòng)的水的試樣中的混濁度與/或生物量。這種形式的信號處理系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)例如也可以用于分析石油試樣。在光學(xué)系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施例中，檢測和評價(jià)在測試試樣的光譜特性的改變。
圖15表示用于水分析的按照這個(gè)例子的集成的系統(tǒng)。所示的集成的系統(tǒng)包括信號處理系統(tǒng)600，LED控制系統(tǒng)610，照射系統(tǒng)620，試樣室或水流630，光學(xué)探針700可被置于其中，檢測器光學(xué)系統(tǒng)640，光檢測器650，光檢測器電子電路660和與信號處理系統(tǒng)600相連的網(wǎng)絡(luò)670?？杀徊迦肓鲃?dòng)的水中的光學(xué)探針700包括照射系統(tǒng)620和檢測器光學(xué)系統(tǒng)640，其可以被對準(zhǔn)，以使得檢測到的由被照射的水試樣發(fā)射的輻射最大。
信號處理系統(tǒng)600包括軟件和被集成在一起的硬件，使得其能夠執(zhí)行以下任務(wù)信號處理，數(shù)據(jù)處理，通過使用控制邏輯而進(jìn)行系統(tǒng)控制以及和外部網(wǎng)絡(luò)例如互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)(LAN)通信。由這種信號處理系統(tǒng)進(jìn)行的信號處理包括信號發(fā)生器的操作，使得能夠編碼照射信號(輻射)。此外，由信號處理系統(tǒng)使能的信號處理包括FIR匹配濾波和接收的光信號(檢測到的由水試樣發(fā)射的輻射)的相關(guān)濾波。由這種信號處理系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理可以包括采集的數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析也可以由信號處理系統(tǒng)進(jìn)行，以便例如確定檢測的輻射的特定值的返回周期。由包括在信號處理系統(tǒng)中的控制邏輯提供閥門的控制，以便把試樣從水流中抽入試樣室，并提供LED開關(guān)的控制，借以控制LED的啟動(dòng)?？刂七壿嬤€可以控制光學(xué)擦凈器，用于除去可能聚集和生長在光學(xué)探針上的生物污染。包括光學(xué)擦凈器可以減少從試樣室或水流中取出探針進(jìn)行清潔的頻率。信號處理系統(tǒng)還包括通信系統(tǒng)，其使得信號處理系統(tǒng)能夠和網(wǎng)絡(luò)相連，借以使得能夠把采集的信息傳輸?shù)狡渌牡攸c(diǎn)而不需要人員訪問測試地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。在本實(shí)施例中，這種通信由軟件和硬件提供，它們使得能夠形成以太網(wǎng)鏈接。
LED控制610包括LED開關(guān)和大電流放大器，其中LED開關(guān)啟動(dòng)所需的LED，大電流放大器對于一個(gè)所需的強(qiáng)度值把可利用的電源轉(zhuǎn)換成可以和LED的啟動(dòng)相適合的值。
光學(xué)探針700包括照射系統(tǒng)620和檢測器光學(xué)系統(tǒng)640，其中該探針可被直接插入水流中或插入含有從水流提取的水的試樣室中。如果探針被插入運(yùn)動(dòng)的水流中，則探針的形狀應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成對水流的分裂最小的形狀。照射系統(tǒng)包括LED陣列和LED光學(xué)系統(tǒng)，用于聚焦由LED陣列產(chǎn)生的光子輻射。LED陣列可以是一個(gè)二極管或者是二極管的集合，借以跨過預(yù)定的波長帶。在一個(gè)實(shí)施例中，在光學(xué)系統(tǒng)中使用綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管。檢測器光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡，用于采集由水試樣發(fā)射的輻射，此外還有光學(xué)低通濾波器，用于對采集的輻射預(yù)濾波，然后由光檢測器650檢測，以把檢測的輻射轉(zhuǎn)換成電子信號。
光檢測器電子電路660包括濾波器的集合，其對采集的信息進(jìn)行預(yù)濾波，然后由信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，例如和水試樣照射有關(guān)的采集的信息的匹配濾波。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，信號處理系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立操作的系統(tǒng)，其可以包括內(nèi)部電源或電源變換器，以便信號處理系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的交流電源互連，例如墻壁插座。此外，這種獨(dú)立操作的信號處理系統(tǒng)使得能夠在多個(gè)地點(diǎn)使用這個(gè)集成的系統(tǒng)，例如在水源系統(tǒng)中的不同的位置。通過使集成的系統(tǒng)的這個(gè)集合和通信網(wǎng)絡(luò)互連，例如因特網(wǎng)或局域網(wǎng)，由這些集成的系統(tǒng)采集和處理的信息可以被傳輸?shù)街醒胝荆恍枰藛T為收集信息而訪問每個(gè)測試點(diǎn)。這種類型的集成系統(tǒng)可以提供一種效率高而成本低的用于評價(jià)水源系統(tǒng)的裝置。
這種集成系統(tǒng)能夠檢測反射系數(shù)和熒光，其中反射系數(shù)表示水試樣的混濁度，熒光表示在水試樣中包含的生物物質(zhì)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知，當(dāng)試樣被照射時(shí)，將發(fā)出熒光，檢測熒光的強(qiáng)度使得能夠確定在水系統(tǒng)內(nèi)的生物物質(zhì)的數(shù)量。集成系統(tǒng)的這個(gè)實(shí)施例評價(jià)在水流內(nèi)的反射系數(shù)和熒光的改變，借以使得能夠識別一些特別有關(guān)的情況。用這種方式，在檢測到水流的光學(xué)特征的特定程度的改變時(shí)，信號處理系統(tǒng)能夠啟動(dòng)采樣處理，其中采集水流的試樣以供實(shí)驗(yàn)室分析。這種類型的幾乎連續(xù)不斷的測試和選擇的實(shí)驗(yàn)室分析可以降低用于監(jiān)視水系統(tǒng)的費(fèi)用，并提高潛在問題的識別能力。
例3和光-聲傳感系統(tǒng)集成的信號處理系統(tǒng)本發(fā)明的另一個(gè)例子集成信號處理系統(tǒng)和光聲傳感系統(tǒng)，所述光聲傳感系統(tǒng)使得能夠調(diào)制光信號并解調(diào)和測試試樣的照射產(chǎn)生的聲信號。信號處理系統(tǒng)的這種集成可以提供一種用于根據(jù)對于選擇的使用其它技術(shù)不能被檢測的電磁輻射的聲學(xué)響應(yīng)識別測試試樣的特征，例如用于評價(jià)光學(xué)響應(yīng)。
例4和X射線傳感系統(tǒng)集成的信號處理系統(tǒng)另一個(gè)例子是和X射線傳感系統(tǒng)集成的信號處理系統(tǒng)的使用，借以使得X射線或其它的高能電磁信號可用于例如原子結(jié)構(gòu)或其它特征的評價(jià)。這種類型的電磁輻射多年來被用于有機(jī)或無機(jī)材料的寬范圍的分析。利用本發(fā)明的信號處理系統(tǒng)的這種集成，可以實(shí)現(xiàn)X射線檢測裝置的增強(qiáng)的檢測特征。
盡管非常小的波長和目前的在原子數(shù)量級的尺寸之間的識別能力，用于調(diào)制和解調(diào)X射線信號的DSP系統(tǒng)的使用還是提供了用于改進(jìn)X射線分析系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。這些X射線檢測系統(tǒng)包括X射線反射、X射線吸收和X射線熒光系統(tǒng)。
因而，已經(jīng)說明了本發(fā)明的實(shí)施例，顯然，這些實(shí)施例可以用許多方式加以改變。這些改變不認(rèn)為脫離了本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，所有這些改變顯然包括在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種信號處理系統(tǒng)，用于控制使得能夠在存在噪聲時(shí)進(jìn)行信號檢測的傳感系統(tǒng)，所述傳感系統(tǒng)包括能源，用于產(chǎn)生入射信號，發(fā)射處理系統(tǒng)，用于引導(dǎo)入射信號到測試試樣上，接收的信號的處理系統(tǒng)，用于響應(yīng)入射信號從測試試樣采集一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號，以及檢測器，用于把所述一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述信號處理系統(tǒng)包括a)發(fā)射控制系統(tǒng)，其在操作上和所述能源以及所述接收的信號的處理系統(tǒng)相連，所述發(fā)射控制系統(tǒng)向所述能源發(fā)送第一控制信號，所述能源借以產(chǎn)生呈編碼格式的編碼的入射信號，所述發(fā)射控制系統(tǒng)向接收的信號的處理系統(tǒng)發(fā)送第二控制信號，用于控制一個(gè)或多個(gè)結(jié)果信號的采集，以便隨后由檢測器轉(zhuǎn)換成電信號；以及b)DSP接收信號處理系統(tǒng)，用于使來自檢測器的電信號和編碼的入射信號進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，借以使得能夠在存在噪聲的情況下隔離測試試樣對于向其發(fā)射的入射信號的響應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述編碼的入射信號使用從包括以下調(diào)制技術(shù)的組中選擇的調(diào)制技術(shù)被編碼脈沖幅值調(diào)制，脈沖頻率調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制，二進(jìn)制移相鍵控，函數(shù)發(fā)生器或機(jī)械方法調(diào)制。
3.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述匹配相關(guān)使用窄帶濾波器組和求和模塊進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，還包括使得能夠和通信網(wǎng)絡(luò)互連的集成通信模塊，所述通信網(wǎng)絡(luò)從包括以下各網(wǎng)絡(luò)的組中選擇局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，無線網(wǎng)，因特網(wǎng)或以太網(wǎng)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述傳感系統(tǒng)能夠檢測包括低頻到X射線的電磁信號、聲信號和聲信號。
6.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述測試試樣是流體試樣或生物試樣。
7.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述測試試樣是運(yùn)動(dòng)的。
8.如權(quán)利要求1所述的用于控制傳感系統(tǒng)的信號處理系統(tǒng)，其中所述結(jié)果信號是測試試樣對入射信號的反射，或者所述結(jié)果信號是由在測試試樣和入射信號之間的交互作用產(chǎn)生的熒光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種信號處理系統(tǒng)和利用所述信號處理系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的方法。所述信號處理系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和傳感系統(tǒng)一道使用，其中把編碼的信號引向測試試樣，并采集結(jié)果信號，使其和編碼的信號相關(guān)，借以使得能夠檢測測試試樣對發(fā)射的信號的響應(yīng)，這使得能夠理解要被確定的測試試樣。信號處理系統(tǒng)對傳感系統(tǒng)提供控制信號，以便控制被傳輸?shù)綔y試試樣的信號的格式和由該傳輸引起的從測試試樣接收的信號的檢測，并接著使它們之間相互關(guān)聯(lián)。通過控制傳輸?shù)暮蜋z測的信號，信號處理系統(tǒng)可以關(guān)聯(lián)這個(gè)信息，以便改善檢測能力，從而提供一種用于分析測試試樣的改進(jìn)的裝置。
文檔編號G01J3/44GK1777796SQ200480010499
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月12日
發(fā)明者布魯司·W·亞當(dāng)司, 彼得·R·H·邁克尼爾 申請人:焦耳顯微系統(tǒng)加拿大公司