用于检测和追踪气体中吸收线的中心频率的锁定系统

摘要

一种检测气体吸收线的方法包括交替地传输和扫描(402)通过吸收单元(102)的两个射频(RF)信号，其中两个RF信号在分开某一范围的不同频率下被传输并且在频谱的微波和毫米波区域中的某一频率跨度上被扫描。通过接收器接收(404)RF信号，并且针对由扫频跨度中的气体的吸收线导致的气体的相对吸收，通过闭环系统对接收到的信号进行分析(406)。当两个RF信号跨越气体吸收线并且两个RF信号的相对吸收相等时，检测(408)气体的吸收线。

说明书

背景技术

光谱学和光谱仪可以被用作多种测量和参考工具。它们可以将一系列 测量技术用于几乎任何形式的物质。测量技术可以取决于感兴趣的材料， 所述感兴趣的材料可以规定可能最适合用于测量的频率/波长。举例来说， 光谱仪可以适用于测量发射或吸收光谱。此外，吸收光谱仪可以具体地寻 找材料的特征吸收线。吸收线可以用于从已知光谱类别中识别未知物质， 或者其可以用于检测样本中已知物质的量。通常，光谱学原理可以用于多 种测量或用于基于频率或波长来限定参照物。

发明内容

本文描述一种用于检测和追踪吸收线的中心频率的方法、装置和系统。 一个实施例是一种方法，其包括交替地传输和扫描通过吸收单元的两个射 频(RF)信号，其中两个RF信号在分开一定范围的不同频率处被传输并 且在频谱的微波和毫米波区域中的某一频率跨度上被扫描。通过接收器接收 RF信号，并且针对由扫频跨度中的气体的吸收线导致的气体的相对吸收，通 过闭环系统对所接收的信号进行分析。当两个RF信号跨越气体吸收线并且两 个RF信号的相对吸收相等时，检测气体的吸收线。

另一实施例包括一种用于检测气体的吸收线的系统，所述系统包括处 理器、耦合到处理器的信号发生器、耦合到被配置为产生两个射频(RF) 信号的信号发生器的发射器。每个RF信号在不同频率处产生并且被设定 的频率范围分离。两个RF信号被交替地传输并且在频谱的微波和毫米波区 域中的某一频率跨度上被扫描，以检测气体的吸收线。接收器耦合到处理器 上，并且吸收单元填充有处于一定压力下的气体，其中发射器传输两个RF 信号通过吸收单元，并且两个RF信号由接收器检测到。而且，检测器模 块用于比较两个接收到的RF信号的振幅并且用于基于两个RF信号之间的 振幅差确定何时检测到气体的吸收线。

又一实施例是一种气体吸收线检测和追踪装置，所述装置包括：填充 有气体的吸收单元；用于传输RF信号通过吸收单元的发射器；用于接收 RF信号的接收器；以及耦合到发射器和接收器上的控制模块，其用于利用 在光谱的微波和毫米波频率区域中操作的频移键控(FSK)检测方案来检 测气体的吸收线。

附图说明

为了对本发明的示例性实施例进行详细描述，现将参考附图，其中：

图1示出根据本文中描述的各实施例的光谱仪的框图，所述光谱仪可以 用于气体吸收线的检测和追踪；

图2A是包括用于测量光谱200的两个色调的透射光谱200的代表性曲 线；

图2B是由检测器从两个接收到的FSK色调中接收的方波212的代表性 曲线，所述FSK色调已由气体的透射光谱进行调制；

图2C是在非常接近气体的吸收线的多个频率下的锁定振幅的代表性偏 移曲线220；

图3示出根据本文中描述的各示例的由光谱仪100实施的闭环控制功能 300的框图；以及

图4示出根据本文中描述的各实施例的用于实施气体吸收线的检测和追 踪的方法400的流程图。

具体实施方式

标号和术语

特定的术语在整个以下描述和权利要求书中被用来指代特定的系统组 件。本领域技术人员将认识到，各公司可以利用不同的名称来指代同一组件。 此文档并不意欲区分名称不同而非功能上不同的组件。在以下论述中并且在 权利要求书中，术语“包括”以及“包含”以一种开放方式使用，并且因此 应解释为意指“包括但不限于...”。并且，术语“耦合”意图表示间接或直接 的电气连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么该连接可能通过直 接或间接连接。

具体描述

以下论述针对本发明的各实施例。虽然这些实施例中的一个或多个可能 是优选的，但是不应将所公开的实施例解释为或用于限制本发明的范围(包 括权利要求书)。此外，本领域技术人员将理解以下描述具有广泛的应用， 并且任何实施例的论述仅意味着该实施例的示例性论述，而并非意图暗示将 本发明的范围(包括权利要求书)限制于该实施例。

取决于所测量的材料以及感兴趣的特征，常规光谱仪利用一系列广泛的 探测和测量技术。本文中所使用的“探测”可以表示照射到所测量材料上或 被传输穿过所测量材料的辐射信号。所测量材料与探测信号的交互作用可以 产生所测量的光谱。因此，光谱仪可以被设计为检测和测量反射、透射或激 发(仅举几个例子)。另外，单一材料可以具有在不同频率范围内的不同频 率下激发和观察到的不同机制。例如，气体可以显示由于在一个频率范围内 的气体的振动态的激发而产生的吸收，并且随后显示在不同频率范围内的与 旋转激发相关联的吸收。气体分子内的电子激发可以在第三频率范围内发生。 简言之，取决于期望研究和测量的材料的哪个方面，可以使用不同的激发和 测量机制。

光谱学利用辐射能量来探测所测量的材料。举例来说，为了测量空气的 吸收光谱，处于不同频率的采用射频(RF)信号形式的电磁(EM)辐射可以 被传输通过气体单元中的空气样本。在RF信号离开单元之后，可以对所传输 的信号进行检测和测量。所得的光谱可以针对所传输或测量的频率显示空气 的不同吸收/透射特征。此外，RF信号可以在透射之前被调制以协助RF信号 的检测。调制方案可以包括振幅调制(AM)、频率调制(FM)以及频移键 控(FSK)(仅举几个例子)。如上所述，调制方案可以帮助检测在那些频率 下从噪音或任何背景辐射中检测出信号。

在吸收光谱学的情况下，所测量的信号可以示出与传输信号相比减小的 振幅，其中振幅减小量表示在该频率下的气体的吸收量。因此，在一系列频 率上的吸收光谱可以示出在该系列内的多种频率下的不同吸收特征，所述吸 收特征与旋转或振动激发状态相关联或者换言之与材料的吸收线相关联。由 于吸收线与材料的物理激发相关联，因此该激发的中心频率应保持大致恒定， 其中仅由于压力和温度变化而导致较小的偏移。

然而，吸收线的形状可能由于样本的环境条件而发生改变。理想的吸收 线将是δ函数，但事实上，吸收线具有覆盖小频率范围的宽度。该范围的宽 度或吸收线的宽度可以归因于环境因素，例如温度或压力。吸收线的宽度可 以表明样本的多余能量。在高压下，吸收线可以是非常宽的并且难以从剩余 的测量光谱中辨别出。在极低压力下，单元中可能不具有足够的气体来允许 可靠的测量。因此，优选的压力范围可以给出可靠且可重复的测量。温度变 化可以赋予样本相同的效果。

测量的可靠性和重复性也可以通过由光谱仪使用的调制方案来实现。由 于检测器被调谐到那些调制方案，因此使用FM、AM或FSK调制可以在检测 器处产生更加可检测的信号。另外，使用两个探测信号的FSK可以允许光谱 仪更容易地锁定和追踪材料的吸收线，这是因为两个信号可以被定位在吸收 线周围并且反馈机制被用于在需要时改变两个信号，以使得两个信号相对于 吸收线保持在相同位置。

本文中公开的是检测和追踪EM光谱的毫米波(mmwave)、微波和/或 太赫兹(THz)区域中的气体的吸收线的装置、系统和方法。吸收的检测和追 踪可以使用FSK调制方案和允许锁定并追踪吸收线的中心频率的闭环控制模 块。闭环控制模块可以使用由FSK调制方案产生的误差信号作为模块的控制 函数中的因数。此外，FSK方案的两个色调可以用于检测和追踪水的183.31 GHz吸收线。

图1示出根据本文中描述的各实施例的光谱仪100的框图，所述光谱仪 可以用于气体吸收线的检测和追踪。光谱仪100可以包含吸收单元102(吸收 单元102在本文中也可以称为单元102)、信号发生器104、闭环控制模块106 和检测器模块108。此外，光谱仪100还可以包含具有相关天线112的发射器 110以及具有相关天线116的接收器114。发射器110和接收器114经由它们 相应的天线112、116可以用于传输和接收EM光谱的毫米波、微波和/或THz 区域中的EM辐射能量。因此，传输信号的频率可以在从低千兆赫兹范围到 较高的太赫兹范围中变化。

单元102可以填充有处于一定压力下的气体并且可以具有变化的长度。 单元102中的气体的压力可以在0.01mbar(毫巴)到10mbar的范围内变化。 单元102的长度可以影响接收到的信号的信噪比，并且还可以影响光谱仪100 用来检测和锁定气体的吸收线所花费的时间长度。吸收单元可以包括阀和泵 (未示出)，以使得单元102内的气体可以被改变和/或单元102的压力可以 被调节到期望水平。单元102的温度也可以是可调节的(未示出)。根据各 实施例，单元102可以填充有处于约0.1mbar压力下的空气。

图2A是包括两个色调的吸收光谱200的代表性曲线，这两个色调用于测 量单元102中的气体的光谱200。吸收光谱200显示出吸收线202和两个RF 信号或色调f1204和f2206。吸收光谱200的x轴可以是频率(Hz)、波长 或波数的单位，并且y轴可以是表示信号强度的量值的单位且可以是伏特或 相对透射率(百分数、dB或无单位)。信号发生器104可以可替代地产生由 设定的频率范围(例如小于1MHz)分离的两个色调204和206。可替代地， 分离两个色调204、206的范围可以被设定成等于感兴趣的吸收线的带宽，或 者等于图2A中的点208和210处所示的吸收线的最大斜率点。设定分离两个 色调的范围与吸收线在最大斜率点处(图2A中的点208、210)相交可以有 助于增大所测量信号中的信噪比并且可以允许更快地追踪吸收线。两个色调 204、206可以在锁定步骤中扫过一频率跨度，同时保持分离所述两个色调的 范围恒定。此外，产生两个色调204、206的频率可以在50％的工作周期之间 交替，以使得每个色调被单独地产生。由信号发生器104产生的两个色调204、 206可以通过发射器110/天线112的组合体传输到单元102中并且穿过单元 102。

在所传输的色调204、206已穿过单元102之后，接收器114经由天线116 接收所传输的色调。接收器114将所接收的信号传送到检测器模块108。检测 器模块108可以在两个接收到的色调之外产生方波。该方波可以表示单元102 中的气体对两个色调的相对吸收。

图2B是通过检测器模块108从两个接收到的FSK色调产生的方波212 的代表性曲线。方波212包含两个信号级214和216，其中所述信号级表示接 收到的信号以及偏移218的量值。方波212的x轴可以是时间的单位，并且y 轴可以是量值、电压或相对吸收的任意单位。信号级214可以对应于接收到 的信号208，而信号级216对应于接收到的信号206，或者该对应关系可以调 换过来。由于两个色调204、206经受单元102中的气体的不同吸收量，因此 方波212可以由检测器模块108产生。当两个信号被吸收不同量时，在方波 中产生偏移218。换言之，方波212并且更具体地说偏移218可以表示沿着频 率轴的两个色调204、206与吸收线202的中心频率的差值并且可以与该差值 成比例。或者，所述偏移表示分离两个色调的范围的中心点距离吸收线202 的中心频率多远。因此，当方波212变成直线时，两个色调204、206可以跨 越吸收线202。换言之，当偏移218变成零时，已发现吸收线202的中心频率。

此外，由检测器模块108检测到的接收信号可以提供关于在对两个色调 进行扫描的频率跨度范围内的气体吸收特征的信息。此信息即与吸收线202 周围的频率范围相对应的偏移可以由闭环控制模块106使用，以锁定和追踪 吸收线的中心频率。偏移218即误差信号可以用于驱动积分器控制回路。检 测器模块108可以产生针对有疑问的吸收线周围的一系列频率的偏移218值 的表格。偏移218值的表格可以用于产生曲线，所述曲线可以由闭环控制模 块106使用，以进一步限定积分器控制回路的额外参数。

尽管检测器模块108可以产生偏移218范围信息，以协助限定某些反馈 控制参数，但是偏移范围信息的产生可能对光谱仪100的操作来说是不必要 的并且出于说明的目的进行论述。偏移218与频差线性地成比例(并且当吸 收线频率和两个色调204、206的中心重合时，所述频差理想上为零)的特性 是误差信号可能唯一所需的。再者，确定所产生曲线的斜率可以有助于决定 最佳控制参数即斜率的倒数，以利用最小振铃信号获得最快的可能响应，尽 管这并非被严格要求。

图2C是在气体的吸收线周围的多个频率下的代表性偏移曲线220。偏移 曲线220具有针对x轴的频率(Hz)值和针对y轴的电压值。当两个色调204、 206相对于吸收线的中心频率处于不同频率下，但仍以不同程度跨越吸收线 时，偏移曲线220的斜率222对应于偏移218的变化。斜率222表示每频率 的伏特变化，并且可以由闭环控制模块106使用，以协助检测、锁定以及追 踪吸收线202。

闭环控制模块106可以使用误差信号来驱动信号发生器104，以在检测到 吸收线之后锁定和追踪感兴趣的吸收线。在两个色调204、206精确地跨越吸 收线之后，误差信号可以减小到零。然而，如果两个色调204、206开始偏移 到频谱之上或之下，那么误差信号可以正向地或负向地变化。误差信号的变 化可以使得闭环控制模块调节由信号发生器104产生的两个色调204、206的 频率。

闭环控制模块106可以实施积分器控制回路，所述积分器控制回路包含 误差信号和误差信号斜率的倒数(对比频率偏移)作为控制回路传递函数中 的因数。图3示出根据本文中描述的各实例的由光谱仪100的闭环控制模块 106实施的闭环控制功能300的框图。控制功能300可以包括加法器块302、 乘法器块304以及第二乘法器块306。加法器块302产生两个信号f_气体与f_{信号发生器}之间的误差量。该误差量随后乘以块304中将频率转换成电压的转换因数。 以电压为单位的所得误差量随后乘以块306，所述块306驱动闭环控制模块 106的响应时间。

控制功能的输入可以是所测量的吸收线的理想中心频率(在图3中表示 为f_气体)并且可以被闭环控制模块106用作参考。控制功能的输出可以是吸收 线的中心频率的估计值(在图3中表示为f_{信号发生器})并且可以用于驱动信号发 生器104。频率f_{信号发生器}可以是两个色调204、206之间的中点频率，这可以用 于确定两个色调中的每一个应被驱动的频率。k1308可以是给出由检测器模 块108产生的频率偏移(Hz)的误差响应的斜率，并且k2310可以是k1308 的倒数。通过将k2310选择为k1308的倒数，闭环离散极点z312可以被驱 动至零，这样可以产生用于由光谱仪100锁定吸收线的最快响应时间。

闭环控制模块106随后可以控制信号发生器104以连续地改变两个色调 被传输时所处的频率，以使得吸收单元的中心频率被追踪。通过追踪吸收线 的中心频率，光谱仪100可以以十亿分之一的频率精确度提供参考频率。

图1描绘了包含光谱仪100的若干分离元件。然而，应当了解多个元件 可以被组合。举例来说，信号发生器104、闭环控制模块106以及检测器模块 108可以组合成单个装置例如检测和控制模块。可替代地，一些工件可以被实 施为由计算机或数字信号处理器执行的软件或者硬件与软件的组合。

图4示出根据本文中描述的各实施例的用于实施气体吸收线的检测和追 踪的方法400的流程图。方法400开始于在块402处交替地传输和扫描通过 吸收单元的两个RF信号。两个RF信号在分开某一范围的不同频率下被传输 并且在频谱的微波和毫米波区域中的某一频率跨度上被扫描。两个色调的频 率可以以50％占空比/工作周期(duty cycle)传输，以使得一次仅传输两个色 调中的一个。两个RF信号或色调类似于上文所述的两个色调204、206并且 可以由信号发生器104传输并且在所述频率跨度上被扫描。

方法400的块404包括通过接收器接收RF信号。两个RF信号或色调可 以由如上所述的接收器114/天线116的组合接收。接收器114随后可以将接 收到的信号传送到检测器模块108，其中信号的分析可以通过检测器模块108 来执行。

方法400的块406包括：针对由于气体的吸收线在扫频跨度中而导致的 气体的相对吸收，由闭环系统对接收到的信号进行分析。该闭环系统可以是 检测器模块108和闭环控制模块106的组合。可替代地，该闭环系统可以进 一步包含信号发生器104。接收到的信号的分析可以遵从由上述检测器模块 106执行的分析。两个接收到的信号将被用于产生方波，所述方波将向闭环系 统通知两个色调与气体的吸收线之间的相对频率关系。方波级/水平(level) 可以表示气体对传输信号的相对吸收。方波可以经由锁定技术进行检测，以 有助于改进信噪比并且减少获取时间。

方法400的块408包括：当两个RF信号跨越气体吸收线且两个RF信号 的相对吸收相等时，检测气体的吸收线。如上所述，当两个RF信号(即色调) 的相对吸收相等时，检测气体吸收线且更确切地说，检测吸收线的中心频率。 该相等类似于当上述方波变成直线且偏移218变成零的情况。当偏移218变 成零时，两个色调可以准确地跨越吸收线的中心频率。

另外，方法400可以进一步包含通过闭环系统追踪气体的吸收线。吸收 的中心频率可以被维持在分离两个RF信号的频率范围的中部。可以通过将偏 移218用作闭环控制模块106的误差信号来实现追踪。实施利用该误差信号 的闭环控制可以使得能够使用单元102中的气体对两个RF信号的相对吸收来 对吸收线进行追踪。

方法400所描述的顺序并不决定该方法可以被如何实施。方法400的步 骤能够以与呈现的顺序不同的顺序执行，或者步骤可以组合起来并且同时执 行。可替代地，方法400的步骤中的一些(如果不是全部)可以并行地执行。 本领域技术人员应当了解，执行所述方法的变体也会产生期望的结果。

上述讨论旨在图示说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上 述公开内容，则许多变体和修改对于本领域技术人员来说将变得显而易见。 希望将随附的权利要求解释为涵盖所有此类变体和修改。