[发明专利]一种时变信号频谱的探测获取系统及方法

说明书

本发明公开了一种时变信号频谱的探测获取系统及方法，包括有光源、光调制器、扩束镜、汇聚透镜、探测器、数据采集系统和计算机；所述光源经光调制器调制后具有光强随时间按正/余弦变化形式，调制光经扩束器后对时变信号源进行照射，反射或透射光经汇聚透镜后到达探测器上，数据采集系统经时间积分获取一段时间内的总光强信息，计算机对相应的调制和探测信息进行保存并进行相应的运算来获取时变信号的频谱形式。本发明结合光调制技术和傅里叶变换原理，对时变信号进行时间积分探测，根据时间积分获取的强度值及其光调制信息来获取时变信号的频谱。本发明系统结构简单，成本低，探测信噪比高，可对重复时变信号进行探测。

技术领域

在信号分析等领域，时变信号主要表示加载了信息的随时间变化信号，但直接探测时变信息只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频分量的简谐波外，很难明确揭示信号的频率组成和各频率分量的大小，而傅里叶变换的频域分析可以有效弥补以上不足。对信号进行傅里叶变换获取频谱分布是对信号进行分析的重要手段，现已广泛应用于表述及分析时变信号领域。一些特殊信号和工业的重要信号在时域内无法进行有效地处理和理解，而傅里叶变换把原来不容易处理的信号变成了比较容易分析的信号，而且可以用这一理论来对一些信号进行后期的加工和处理，从而得出比较容易理解和更具科学性的东西。本专利提出一种新型的时变信号频谱获取系统及方法。

背景技术

传统方法利用快速响应探测器来对时变信号进行直接探测并获取时域信号，而本专利系统中不需要探测器对时变信号进行时间分辨探测，而是结合光调制技术和傅里叶变换原理，对时变信号进行时间积分探测，根据时间积分获取的强度值及其光调制信息来获取时变信号的频谱。由于探测器对时变信号进行时间积分探测，因此本系统及方法在微弱、瞬时等信号的获取分析领域将具有重要的应用和科学价值。同时专利中可采用成本较低的慢探测器来实现对快速时变信号的探测获取，可以降低系统成本。

发明内容

为了弥补已有技术的不足，本发明提供了一种时变信号频谱的探测获取系统及方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种时变信号频谱的探测获取系统，其特征在于：包括有光源、光调制器、扩束镜、汇聚透镜、探测器、数据采集系统和计算机；所述光调制器可对光源出光强度进行调制，可产生强度随时间按不同频率正/余弦变化的输出光，且该变化形式可精确控制；所述光源经光调制器调制后具有光强随时间按正/余弦变化形式，调制光经扩束器后对时变信号源进行照射，反射或透射光经汇聚透镜后到达探测器上，数据采集系统经时间积分获取一段时间内的总光强信息，计算机对相应的调制和探测信息进行保存并进行相应的运算来获取时变信号的频谱形式。

一种时变信号频谱的探测获取方法，其实现步骤为：

第一步：利用光调制器对光源进行调制使其出光强度按照余弦形式变化，可表示为：

其中，b为背景项，k为调制比例系数，φ为余弦相位，u为调制频率。使用两个不同相位的调制光信号，分别表示为：

调制光对时变信号源进行照射，并利用探测器按照时间积分的形式对反射光或者透射光进行探测，其探测信号值可以表示为：

其中，O(t)表示由时变信号源产生的时变信号。利用探测器获取的两个探测值进行相减并除两倍的调制比例系数可得：

其中，调制比例系数k可以通过对系统的标定来获取。根据离散傅里叶变换原理：

可以发现，等式4右边表示形式与离散傅里叶变换的实部表示形式相一致，等式4左边结果即为某一频率下实部幅值。利用不同调制频率u的调制光对时变信号进行探测采集就可获取时变信号的实部频谱。