I. 定义
除非另有指示，否则下列术语具有如下定义。
“显示分子转动的样本”涉及的是这样一种样本物质，它可以处于 气态、液态或固态(不同于固态金属)形式中，其中构成或存在于所 述样本中的一个或多个分子化合物或原子离子将会显示正在旋转。
“时域信号”或“时间序列信号”指的是一种瞬态信号特性会随时 间变化的信号。
“样本源辐射”指的是磁场中的分子偶极子旋转所产生的磁通量 辐射。
“高斯噪声”是指具有高斯能量分布的随机噪声。
“静态高斯白噪声”是指没有可预测分量的随机高斯噪声。
“频域频谱”指的是时域信号的傅里叶频率曲线。
“频谱分量”指的是可以在频率、振幅和/或相位域中测得的时域 信号内部的单个或重复特性。频谱分量通常是指频域中出现的信号。
“类似样本”是相对第一个样本而言的，它是指同一样本或是与第 一样本具有实质相同的样本分量的样本。
II. 设备
本发明的设备工作在直流(DC)与50千赫(KHz)之间的电磁 频谱的极低端。这种技术是无源的，这意味着它不需要使用有害辐射 或电离辐射(尽管某些实施例将白噪声引入系统/样本)来“描绘”目标。 在至少一个实施例中，这个分子感测发明检测的是很容易出现的热电 磁辐射，并且提供了一种用于远程感测极低分子浓度的快速简单的方 法。这些应用可以包括但不局限于：武器、爆炸物和生物危害的遥测， 谷物和作物的基因修改的检测，诸如大肠杆菌和艾滋病病毒这类有机 体的实时检测，以及在易挥发、侵蚀性或热环境中的工业生产液流的 实时化学分析。
这种遥测系统对分子的电磁辐射进行检测，并且执行时间序列的 傅立叶频谱分析，此外还将结果与存档数据进行比较，从而以接近实 时的方式来识别那些未必能以其他方式检测的分子物质。所述设备具 有同时检测多种物质的能力，并且可以从小型手持设备缩放到大型工 业应用。
图1描述了依照本发明一个实施例构造的用于检测选定物质的设 备20，其中举例来说，所述选定物质可以是样本中包含的化合物、离 子种类、颗粒物质。该设备包括一个具有检测器线圈24的检测器部件 22，以便产生一个与样本中的物质产生的低频电磁放射有关的时域信 号。尽管图1并未显示，但是所述样本置于一个邻近所述线圈的样本 区域26中。如在下文中将要了解的那样，所述样本区域可以包括一个 开放的区域，该区域介于样本线圈、诸如薄膜(membrane)这样的 样本采集器或是样本物质流经的采样管之间。此外还将包含了特定样 本架的样本区域视为检测器部件的一部分。图6A显示了使用本发明 的设备记录的0.25摩的氯化钠样本的一个典型的时域信号。
在27显示的是信号调节组件，用于将来自检测器线圈的信号转 换成一个经过放大的调节信号，其中从所述调节信号中去除了高于选 定频率的频率分量。在图3中描述的这些组件还在25显示了检测器部 件产生的目标模拟信号。图中的组件27包括一个将信号放大到可用电 平且增益介于例如1到1000之间的低噪声放大器28(较为适合的是 AD 620LNA 7及其等价物)。所述放大器的增益可以由用户寻址，以 此作为一种用于调整传感设备灵敏度的方法。此外，组件27中还包含 一个模拟低通滤波器，其功能是通过传递低于50kHz的频率来对用于 模-数转换的信号进行调节，其中举例来说，所述滤波器可以是常规的 巴特沃思(Butterworth)模拟滤波器。这个滤波器根据下游处理的需 要来调整和限制接收信号带宽。它可以由用户和解释器依照存档中保 持的数据特性来进行寻址。如果存档信号的主频谱分量出现在一个窄 带内部，则解释器可以指示滤波器将带宽变窄，由此提高傅立叶处理 器的效率。数字滤波器还可以提供一个陷波滤波器，以便消除噪声环 境中的非预期信号。图6B显示了在为了去除高于50kHz的频率分量 而经过放大和带通滤波之后的用于0.25摩氯化钠样本的图6A的信号。
低通滤波器的输出提供到一个模-数转换器34，以便将经过放大 和滤波的模拟信号转换成数字形式。举例来说，典型的模-数转换器可 以是Analog Devices(Los Angeles，CA)提供的16位模-数转换器， 但是其他如24位之类的分辨率也是可行的。
模-数转换器的输出以可操作的方式与所述设备中的电子计算机 36相连，以便执行一系列信号处理步骤，如将要描述的那样，所述步 骤会使表征样本物质的频谱分量标识得到识别。所述计算机包括一个 被设计成用于所要描述的高速信号处理操作的数字信号处理模块35。 此外计算机中还包括一个用于保存包括选定物质在内的一种或多种预 选物质中的每一种物质数据存储设备37，例如常规的薄膜存储设备 37，以及一个数据集，其中包含了(i)处于DC到50khz之间的选定 频率范围之中并且(ii)表征所述物质的低频频谱分量。这个数据集 是在高磁性和电磁屏蔽条件下通过记录和处理来自选定物质的低频信 号而产生的，其中使用了2003年3月28日提交的PCT申请＿＿中 描述的低频记录设备，该申请的名称是“System and Method for Characterizing a Sample by Low-Frequency Spectra”，所述申请在此 引入作为参考。在以下的“生成信号”一节中则提供了更进一步的细节。
简单地说，低频记录设备产生一个数据集，所述数据集包含了通 常处于100Hz到6.6KHz这个范围的多个低频频谱分量，但也包含了 表征样本物质并从DC直到50KHz的更宽范围，其中举例来说，所述 样本物质可以是水、电离盐、溶解物质、不希望有的杂质、生物样本 物质或其他物质。通常，样本物质越复杂，数据集包含的样本物质也 就越复杂(特有频谱分量的数目越大)。从下文中将会了解，通过本 发明的方法来检测选定样本物质，这种能力依赖于这样一个事实，那 就是所关注的不同选定物质是由不同频谱“特征”来表征的，其中所述 不同频谱特征即为不同的特有低频分量集合，由此使得物质的至少一 个并且通常若干个的特有频谱分量相对所述物质是唯一的。
对设置在所述设备中的存储设备上的数据集来说，其特性取决于 人们想用设备检测的选定物质。通常，对一个移动场单元(mobile field unit)来说，所述数据集包含了为个人希望在所提交的设置中检测的 全部物质所设定的数据集，其中包括例如水样中存在的各种杂质或是 希望检测的各种空气传播样本，例如大气微粒、空气传播的生物微粒 或是空气中存在的化学成分。
如上所述，计算机旨在执行如图3所示的各种信号处理操作。在 这里将会执行第一操作信号处理，以便有选择地通过那些与所关注样 本物质的低频频谱成分相对应的频率分量。因此，这个阶段执行了多 个陷波滤波器的功能，其中每一个槽口都传送所关注物质的数据集中 的一个谱带。在执行这个操作的过程中，计算机首先从数据存储设备 中检索一个表征选定样本物质的低频频谱成分的数据集，并且记录与 所述物质相关联的低频频谱成分。该数据被用在一个常规的数字陷波 带通滤波器38中，以便(i)删除(陷波滤波器)60Hz的频率分量， 并且通过那些与所检索数据集中的频谱频率相对应的频率(带通滤波 器)。通常，数字滤波器通过的是介于DC与50kHz之间的选定频率。 所述带通滤波器可以包括一个能够提供多个通带的可寻址数字滤波器 阵列，同时还提供了一个处于电源线频率和其他已知噪声频率上的陷 波滤波器。所述数字滤波器可以由处理器寻址并且被配置成可以由用 户进行寻址。
在信号的模-数转换中有可能存在某种压缩。此外在ADC与傅立 叶处理器之间还存在一个数据缓冲器39，用于临时保存那些来自输入 端的流数据。分析结果(并非信号)则以某种图形显示形式给出并且 将会保存在机载数据档案中，以供稍后检索。
在接下来的处理步骤，在40，经过带通滤波的时域信号与所检索 数据集的频谱分量进行互相关，以便在从DC到50KHz以内的频率范 围中产生一个频域频谱，其中所述频谱包含了作为频谱分量并存在于 已滤波信号和数据集中的频谱频率。也就是说，依据是否存在特有频 谱分量，所述频谱将会证明是否存在所关注的样本物质。互相关模块 使用基2、基4或分裂基算法来对接收数据执行一个时间序列的快速 傅里叶变换。最终得到的数据表示的是包含了以每个周期中以秒为单 位测得的频谱振幅(等价于时间、频率和振幅的时间序列)的原始信 号。在图6C中显示了关于0.25摩氯化钠的频谱，其中所述频谱是通 过互相关图6B中的信号以及所述样本的频谱分量的数据集而产生的。
所述互相关功能可以由一个单片机芯片执行，其中对所述单片机 芯片进行编程，以便执行一个关于未知信号的傅立叶相关分析，其中 所述未知信号与来源于已知信号的傅立叶数据进行比较。分析结果是 作为未知信号与已知信号之间的百分比频谱拟合(fit)来提交的，所 述“拟合”百分比与统计显著性相互关联，然后将这个数据发送到一个 解释器，以便通过一种算法来对其进行过滤，从而确定肯定(positive) 检测或匹配的可能性。
所述处理器可以是一个奉命对照归档数据来执行互谱相关的数 字信号处理器(“DSP”)或微处理器。根据结构，所述处理器既可以 独立运作，也可以结合其他处理器来运作。这个处理器还可以向有源 数字滤波器提供指令来建立傅立叶滤波器，以此作为为互谱相关进行 的信号准备。该处理器可以是更大的处理系统的一部分，其中所述系 统包括数据存储器和对接到一个或多个输出设备的恰当用户接口(例 如可视显示器、音频扬声器，无线收发信机等等)。所述用户接口可 以供用户控制放大器和滤波器模块、ADC以及相关器所用。
通常，上文产生的频谱需要进行附加滤波和/或求和及取平均值 的运算，以便提高频谱分量，和/或估算频谱分量是否超出所定义的允 许对选定样本物质标识进行可靠测量的统计阈值。在一种示范性方法 中，互相关样本信号频谱与互相关噪声(没有样本)信号进行比较。 比较器算法在例如0.1Hz的间隔中逐渐向前穿越互相关样本频谱和互 相关噪声频谱，从而观察各个频率点的相关值，此外还从所述点的样 本相关中减去噪声相关，从而产生一个经过校正的相关值频率曲线(当 然在这里也可以根据应用而使用更大或更小的频率间隔)。这些值涉 及某个特定样本并且举例来说，所述值依赖于任何噪声分量的相对幅 度。
作为选择，从单次读取中产生的频谱可以依次与相同样本中产生 的频谱一起进行求和以及求平均值。也就是说，如上所述从相同样本 中产生的第二频谱被添加到第一频谱中，并且将对这两个频谱进行求 和以及求平均值。所述处理将会重复，直至发觉频谱分量高于某个统 计阈值为止。然后则对这些分量进行“读取”或比较，以便确定它们是 否匹配于选定物质的特性频率。上述操作是如图3中的42所示来执行 的。在图6D中显示了用于一个氯化钠样本的总和及平均频谱。
解释器可以是另一个能够保存和使用一种简单算法来从事件(或 是由上述处理器芯片或系统组件执行的例程)中确定结果的单片机芯 片。所述事件是一个反映了未知与已知信号之间拟合的统计显著性的 数字(作为百分数)。所述算法是对照预置阈值来测量拟合程度的， 由此根据特定分子频谱数据的已知特征来确定一个匹配似然性。作为 实例，其中一个分子可以在某些频率以内具有特别高的频谱能量并且 随时间变化来循环。另一个分子可以在相同频率和时间上具有更均匀 的频谱能量。其中每一个分子都可以导致一个不同但却具有等量加权 的统计显著性。解释器则在数据档案中具有多个已知分子数据集时对 此加以补偿。在最简单的实施例中，所述解释器是一个阈值，其中百 分比拟合信号与所述阈值进行比较。所述阈值可以根据不同因素而被 调整(举例来说，如果环境噪声电平很高，则降低阈值)。
数据和/或判定结果是在计算机显示器44上显示给用户的。作为 选择或补充，所述结果保存在一个通常与计算机相关联的存储设备46 中。此外如图1所示，所述计算机具有一个键盘48，由此用户可以指 定信号处理参数、样本标识等等。
典型的输出是对所关注的选定样本加以识别，并且显示一个具有 并排的列的表格，其中列举了(i)与选定样本相关联的频谱分量，以 及(ii)与来自数据集的频谱分量相匹配的统计意义上的样本分量。 用户由此可以确定选定物质是否处于样本中。所述输出还可以显示一 个平均频谱，以便向用户提供某些针对结果可靠性的统计度量，其中 频谱分量就是从所述平均频谱中导出的。
在图2中描述了依照本发明第二实施例构造的设备50。在这里， 所述设备与设备20的不同之处仅仅是在检测器部件这个方面描述的， 因此所述设备中其他组件的参考数字与设备20指示的参考数字相同。 在52所表示的设备中的检测器部件包括一个作为检测器线圈的亥姆 霍兹线圈54，它包括一对不同极性的线圈元件56、58。这两个线圈元 件在其间定义了一个样本区域60，其中举例来说，可以移动62所示 的样本并经由所述样本区域。举例来说，这个实施例可被用于检测那 些经过掩蔽或是受到阻止的样本，例如便携物体。如所示，线圈元件 分别与噪声引入线圈中的信号放大器相连。在操作中，针对这两个独 立的信号所进行的处理与上文所述的处理是相同的。
在这里有很多替换组件都是可以接受的。举例来说，虽然检测器 线圈是一个用于在DC与50kHz之间操作并能检测特定面积中存在的 低频电磁放射的调谐线圈，但是还可以实施多种线圈，其中包括但不 局限于特斯拉线圈、环形线圈、亥姆霍兹线圈、磁心调谐线圈以及测 定波长和随机的线环。
在接下来的这两节中描述了备选的检测器部件，其中第一个部件 具有采样管和用于检测流体样本中的物质的环形检测器，第二个部件 则具有一个过滤器样本采集器，用于检测空气传播的样本物质。
A. 环形的检测器
许多商业和工业应用都需要在嘈杂的电磁环境中评估工业生产 液流中的物质。处于环形变压器内部的感测分子物质提供了一个高电 平的电磁隔离。针对这个系统的应用包括但不局限于对易失、侵蚀性 或热环境中的工业生产液流进行实时化学分析，针对商业或公共环境 中的污染而对空气进行测试，以及对供水或其他那些可以在市场买到 的消费品进行测试。
本系统提供了在用流体或气体来替换主放射元素时移动流体和 气体而使之经过一个环形变压器的能力。气体或流体是在环形磁心与 感应线圈之间的螺旋管圆周上抽取的。高斯白噪声则经由一个噪音部 件引入螺旋管内部，其中所述噪声部件以1∶1的比率(但也可以使用 其他比率)与采样管缠在一起，所述采样管则移动气体或液体而使之 通过螺旋管。
在分子物质穿过螺旋管时，高斯白噪声将被引入，其电平比分子 信号电平高出30到35dB。所述分子信号与白噪声相加，以便形成一 个随机产物，所述产物保持识别分子信号特征。然后如上所述对信号 进行放大和处理，以便识别样本中具有唯一低频频谱特征的物质。
所述设备使用了螺旋管的折叠磁场并且在主次元件(采样管和检 测器线圈)之间提供了电感。在螺旋管空腔内部的封闭磁场(B)则 是通过以下简单等式来精确量化的：B＝A/r，其中A是一个比例常数 (环形线圈因数)，r是从空腔长轴开始的径向距离。
在图4中，在64显示了依照本发明这个实施例构造的环形的检 测器部件的平面图。在由铁氧体这类铁磁物质构成的环形磁心72的外 圆周长上放有玻璃和塑料，其中最好是放置派热克斯玻璃(Pyrex)管 66。所述管在其相对的两端分别与输入和输出端口68、70相通，由此 允许在一个检测操作中通过所述管来抽取液体或气体样本。螺旋管与 管道的尺寸取决于单独的应用，并且只对制成品设计规范而言是重要 的。此外，所述管环(tube ring)可以位于线圈内部的其他位置，例 如磁心72的中心内部。
如所示，其中将噪声引入线圈76排列在所述管的外部圆周上。 虽然这里显示线圈76是一个圆环，但是它也可以采取像绕组74那样 部署的线圈的形式。线圈76的用途是允许将高斯噪声源噪声78提供 的高斯噪声添加到样本中。
次级线圈74形成了设备中的检测器线圈，该线圈沿径向缠在螺 旋管磁心、所述管66以及噪声线圈76上。环绕螺旋管的导线类型和 匝数取决于次级线圈的谐振频率。尽管并不重要，但是所述结构应该 能够实现一个尽可能高的变压器品质因数。检测器线圈则与一个信号 放大器相连，以便进行如上所述的信号调节。
在操作中，流体或气体是以一种提供了所支持的低速流的方式经 由变压器抽取的。经过所述管道的样本物质发出振幅极低的电磁波， 所述电磁波由线圈进行检测。白噪声则经由一个噪声线圈引入样本区 域，以便与来自目标物质的固有电磁放射相混合。然后则向噪声施加 所述增益，直到噪声高出目标信号30到35dB为止。这时，噪声将会 呈现出基础信号特征，由此在通常所说的随机共振这种自然条件下有 效放大分子信号。所述随机产物在次级线圈产生一个感生电压，其中 所述电压由一个前置放大器电路拾取和放大。
系统有效地将四周的电磁环境噪声用作一个随机源，并将傅里叶 分析用于识别那些与具体分子(波形)特征相似的随机(波形)特征。 由此设立了针对检测器功能范围的理论极限。
值得注意的是，螺旋管的大小取决于应用。例如，可以使用一个 很大的螺旋管来制造一个大型检测器，由此对大量物质进行采样。
B. 空气检测器
在图5中描述的是具有空气样本检测器部件的设备80，用于检测 和识别那些以气态形式存在的未知物质，例如空气传播微粒。所述装 置包括一个空气输送管，诸如1微米的颗粒过滤器，一个检测器线圈 84，一个射频防护罩86，以及用于经由所述管和过滤器来抽取空气的 泵88。其中将所述检测器线圈定向为其绕组与过滤器平面平行并且紧 靠过滤器背面放置。
空气管可以由任何恰当材料制成，但是最好采用塑料和纤维复合 原料。空气管的用途是允许空中悬浮粒子穿过设备。在空气穿过过滤 器时使用了一个可拆卸的1微米静电过滤器来俘获空气传播的颗粒。 作为选择，在设备意欲测量NO、SO2、氟氯烃、烷基气体等分子气体 形式的物质时，所述过滤器可以提供一个起化学反应的表面，其中所 述物质可以吸附或吸引到这个表面上，但是所述物质也可以与所述表 面发生化学反应。
在有必要通过分解溶剂中的那些受到关注的选定物质来检测其 低频旋转模式的时候，作为选择，所述设备中的检测器部件可以包括 独立的收集器和检测站。因此举例来说，所述设备可以包括一个用于 对过滤器上的物质进行收集的系统，以及一个单独的检测系统，其中 包括一个内置了所述过滤器的溶剂容器，由此允许将那些在过滤器上 捕获的物质释放到水或有机溶剂之类的溶剂中。然后可以使用外部缠 有检测器线圈的派热克斯玻璃容器中的溶液来检测所述悬浮物溶剂。
在另一个实施例中，空气是通过一个装有水或有机溶剂这类溶解 了分子气体物质的溶剂的容器来提取的。也就是说，空气样本是在一 个有效俘获所关注选定物质的速率上以气泡方式通过容器的。在这个 实施例中，检测器线圈可以缠在一个容器外部，例如派热克斯玻璃圆 柱容器外部。其中空气是以气泡形式通过所述容器的。带有所捕获气 体物质的液体样本可以转移到单独的检测器中，例如上文所述的环形 检测器。
III. 产生信号
现在将对如何用基准或数据集信号之类的信号来与采样信号加 以比较进行说明。
参考图7，采用了本发明某些方面的处理单元包括一个样本托盘 840，它允许将样本842插入法拉第圆筒844和亥姆霍兹线圈846，也 允许从中去除所述样本。在低温真空瓶(cryogenic dewar)850内部 存在一个SQUID/倾斜计。锁定磁通量的环路852则耦合在SQUID/ 倾斜计848与SQUID控制器854之间。SQUID控制器854可以是由 San Diego的Tristan提供的型号iMC-303iMAG多通道控制器。
模拟噪声发生器856将一个噪声信号(如上所述)提供给锁相环 858。锁相环的x轴输出提供到亥姆霍兹线圈846并且所述输出可以衰 减例如20dB。锁相环的y轴输出由一个信号分路器860进行拆分。一 部分y轴输出被输入到处于SQUID的噪声消除线圈，其中所述SQUID 具有一个用于倾斜计的单独输入端。Y轴信号的其他部分则输入到示 波器862，例如Tektronix TDS 3000b这种具有傅立叶函数的模拟/数 字示波器。也就是说，锁相环的x轴输出驱动亥姆霍兹线圈，而它的 Y轴输出则处于反相形式中并且通过拆分而被输入到SQUID和示波 器。这样一来，锁相环充当的是一个信号变换器。并且举例来说，示 波器迹线是被用于监视模拟噪声信号，以便确定何时得到一个足以产 生非平稳频谱分量的噪声电平。模拟磁带录音机或记录设备864与控 制器854相耦合，它记录的是从所述设备输出的信号，并且所述记录 设备最好是一个宽带(例如50kHz)记录器。PC控制器866可以是 一台基于微软公司视窗系统的PC，它是经由例如RS232端口对接到 所述控制器854的。
图8中显示了处理单元的另一个实施例的框图。双相位锁定放大 器202被配置成将一个第一信号(例如“x”或噪声信号)提供给线圈 726、728，并且向超导量子干涉仪(SQUID)206的噪声消除线圈提 供一个第二信号(例如“y”或噪声消除信号)。放大器202则被配置成 在没有外部干扰的情况下进行锁定，并且可以是一个Perkins Elmer 的型号为7265DSP的锁定放大器。这个放大器工作在一种“虚拟方式” 中，在这种模式中，所述放大器锁定到一个初始基准频率，然后则去 除基准频率，从而使之能够自由运行并且锁定到“噪声”。
模拟噪声发生器200电耦合到放大器202。所述发生器200被配 置成经由放大器202而在线圈726、728那里产生或诱发一个模拟高斯 白噪声。举例来说，所述发生器200可以是由General Radio制造的 模型1380。
阻抗变换器204则电耦合在SQUID 206与放大器202之间。在 这里将阻抗变换器204配置成在SQUID 206与放大器202之间提供阻 抗匹配。
SQUID206的噪声消除特性可以开启或关闭。在开启噪声消除特 性时，SQUID 206能够从所检测的放射中消除或抵消所引入的噪声分 量。为了提供噪声消除，提供给线圈726、728的第一信号是一个比尝 试检测的分子电磁放射高出20dB的噪声信号。在这个电平上，所引 入的噪声通过随机共振具有了分子电磁信号的特性。提供给SQUID 206的第二信号是一个大小为45dB的噪声消除信号，它是从幅度足以 抵消SQUID输出端噪声的第一信号转化而来的(例如与第一信号的 相位相差180度)。
SQUID 206是一个低温直流部件SQUID。举例来说，SQUID 206 可以是一个由Tristan Technologies，Inc制造的模型LSQ/20 LTS dC SQUID。作为选择，在这里也可以使用高温或交流SQUID。经过组合 的线圈722、724(例如倾斜计线圈)及SQUID206(合起来称为SQUID/ 倾斜计检测部件)具有大约为5微特/伏*赫兹的磁场测量灵敏度。线 圈722、724中的感生电压由SQUID 206检测和放大。SQUID 206的 输出是一个大约处于0.2～0.8微伏的范围以内的电压。
SQUID 206的输出端即为SQUID控制器208的输入端。在这里 将SQUID控制器208配置成控制SQUID 206的操作状态并且进一步 调节这个经过检测的信号。举例来说，SQUID控制器208可以是一个 由Tristan Technologies，Inc制造的iMC-303iMAG多路SQUID控制 器。而锁定磁通量的环路则以运作方式处于SQUID和SQUID控制器 之间。
SQUID控制器208的输出被输入到放大器210。所述放大器210 被配置为提供一个处于0～100dB这个范围的增益。当在SQUID 206 那里打开噪声消除节点时，则会提供一个大约20dB的增益。当SQUID 206并未提供噪声消除时，则提供一个大约为50dB的增益。
经过放大的信号输入到一个记录器或存储设备212中。所述记录 器212被配置为将模拟放大信号转换成一个数字信号并且保存所述数 字信号。在一个实施例中，记录器212在每一赫兹都保存了8600个数 据点并且能以2.46兆比特/秒的速率来进行处理。举例来说，记录器 212可以是Sony公司的数字音频磁带(DAT)记录器。通过使用DAT 记录器，可以将原始信号或数据集发送到第三方来进行显示或是根据 需要来进行特定处理。低通滤波器214则对来自记录器212的数字化 数据集进行滤波。所述低通滤波器214是一个模拟滤波器并且可以是 一个巴特沃斯滤波器。其截止频率大约是50kHz。
接下来，带通滤波器216对经过滤波的数据集进行滤波。所述带 通滤波器216被配置成一个带宽介于DC到50kHz之间的数字滤波器。 此外还可以调整带通滤波器216，以便将其用于不同带宽。
带通滤波器216的输出即为傅里叶变换处理器218的输入。所述 傅里叶变换处理器218被配置成将时域中的数据集转换成频域数据 集。它执行的是一个快速傅里叶变换(FFT)类型的转换。
经过傅里叶变换的数据集是相关和比较处理器220的一个输入。 记录器212的输出也是处理器220的一个输入。所述处理器220被配 置成对数据集以及先前记录的数据集进行相关并确定阈值，此外还执 行噪声消除(在SQUID 206没有提供噪声消除的时候)。处理器220 的输出是一个表示样本分子低频电磁发射频谱的最终数据集。
举例来说，诸如图形用户界面(GUI)这样的用户接口(UI)222 可以连接到至少一个滤波器216和处理器220，以便指定信号处理参 数。滤波器216、处理器218以及处理器220可以作为硬件、软件或 固件来实施。举例来说，滤波器216与处理器218可以在一个或多个 半导体芯片上实现。而处理器220可以是在计算设备中执行的软件。
放大器则工作在一种“虚拟模式”中，在这种模式中，所述放大器 锁定到一个初始基准频率上，然后则去除基准频率，从而使得所述放 大器能够自由运行并锁定到噪声。对亥姆霍兹线圈和噪声消除线圈来 说，所述模拟噪声发生器(它是由General Radio制造的并且是一个 真正的模拟噪声发生器)分别需要20dB和45dB的衰减。
亥姆霍兹线圈可以具有一个大小约为一立方英寸并且均衡百分 比为1/100的最适点(sweet spot)。在一个替换实施例中，亥姆霍兹 线圈能以垂直和旋转方式移动(在垂直通路周围)，此外该线圈还可 以从一条平行线开始移动，以便能以饼图形状扩展开来。在一个实施 例中，SQUID、倾斜计和驱动变压器(控制器)的值分别是1.8、1.5 和0.3微亨。并且所述亥姆霍兹线圈可以在最适点具有0.5高斯/安培 的灵敏度。
随机响应有可能需要大约10到15微伏的电压。通过引入噪声， 系统提升了SQUID设备的灵敏度。在没有噪声的情况下，所述SQUID 设备具有大约5毫微微特斯拉的灵敏度。这个系统能够通过引入噪声 并使用随机谐振响应来将灵敏度提升25到35dB，而这几乎相当于 1,500％的增长。
在从系统接收和记录了信号之后，举例来说，诸如大型计算机、 巨型机或高性能计算机这样的计算机将会执行预处理和后处理，其中 通过使用Richmond CA的Systat Software提供的Autosignal软件产 品来进行预处理，同时通过使用Flexpro软件产品来进行后处理。所 述Flexpro是由Dewetron公司提供的数据(统计)分析软件。
在图9中显示了系统执行的信号检测和处理的流程图。当一个样 本受到关注时，至少有四个信号检测或数据运算是可以执行的：在时 间t1进行的没有样本的第一数据运算，在时间t2执行的带有样本的第 二数据运算，在时间t3执行的带有样本的第三数据运算，以及在时间 t4执行的没有样本的第四数据运算。通过从一个以上的数据运算中执 行并收集所述数据集，可以增加最终(例如所收集的)数据集的精度。 而在这四个数据运算中，系统的参数和条件(例如温度、放大倍数、 线圈位置、噪声信号等等)将会保持恒定。
在方框300中将恰当的样本(如果它是第一或第四数据运算，则 没有样本)置于系统中。在没有引入噪声的情况下，给定样本以等于 或小于大约0.001毫特斯拉的振幅而在DC～50kHz的范围中发出电磁 放射。为了捕获这种低放射，在方框301中引入了一个高斯白噪声。
在方框302，线圈722、724检测的是表示样本放射和所引入噪声 的感生电压。所述感生电压包括一个电压值(振幅和相位)的连续流， 以此作为数据运算过程中的时间函数。数据运算的长度可以是2～20 分钟，因此，这个与数据运算相对应的数据集包含了作为时间函数的 2～20分钟的电压值。
在方框304，当检测感生电压的时候，引入的噪声将被消除。而 在关闭SQUID 206的噪声消除特征时则忽略所述方框。
在方框306，根据方框304中是否发生噪声消除，所述数据集的 电压值将会放大20～50dB。在方框308，经过放大的数据集经由模数 (A/D)转换并且存入到记录器212中。其中一个数字化的数据集可 以包括数百万行数据。
在保存了所获取的数据集之后，在方框310那里将会执行一个检 查，以便了解是否发生了至少四个关于样本的数据运算(例如已经获 取了至少四个数据集)。如果已经得到了关于给定样本的四个数据集， 则在方框312中执行低通滤波，否则将会开始下一个数据运算(返回 方框300)。
在对数字化的数据集执行了低通滤波(方框312)和带通滤波(方 框314)之后，所述数据集将会在一个傅里叶变换方框316中转换到 频域。
接下来在方框318，相似的数据集在各个数据点彼此相关。例如， 与第一数据运算相对应的第一数据集(例如基准或环境噪声的数据运 算)以及与第四数据运算相对应的第四数据集(例如另一个噪声数据 运算)将会彼此相关。如果给定频率上的第一数据集幅值与给定频率 上的第四数据集幅值相同，则关于给定频率的相关值或数字是1.0。作 为选择，可以将相关值的范围设定在0～100之间。对第二和第三数据 运算来说，这种相关或比较也会发生(例如样本数据运算)。由于保 存了所获取的数据集，因此可以在结束剩余数据运算的稍后时间对其 进行访问。
在SQUID 206没有提供噪声消除的时候，则将预定阈值电平用 于各个相关数据集，以便消除那些在统计上并不相干的相关值。根据 数据运算长度(数据运算越长，所获取的数据精度就越高)以及样本 实际发射频谱与其他类型样本的可能相似性，在这里可以使用各种阈 值。除了阈值电平之外，所述相关将被平均。使用阈值和平均相关则 导致引入的噪声分量在最终得到的相关数据集中变得很小。
如果在SQUID 206提供了噪声消除，则不必使用阈值和平均相 关。
一旦将这两个样本数据提炼为相关样本数据集并将这两个噪声 数据集提炼为相关噪声数据集，则从相关样本数据中减去相关噪声数 据集。由此产生的数据集即为最终数据集(例如一个表示样本发射频 谱的数据集)(方框320)。
由于在每一赫兹都存在8600个数据点并且最终数据集可以具有 用于DC～50kHz这个频率范围的数据点，因此最终数据集可以包括 数亿行数据。其中每一行数据都可以包括频率、振幅、相位和相关值。
IV. 方法和应用
本节描述的是本发明的用于在液体或气态样本中查询和检测一 个或多个选定物质的方法。在实施所述方法的过程中，包含所关注的 选定物质的样本是邻近于检测器线圈放置的，例如处于如上所示的检 测部件之一。由于至少一部分物质会变成旋转模式，因此检测器线圈 将物质中的低频电磁放射转换成一个由样本源辐射构成的电磁时域信 号。
所述信号通过调节而被转换成一个经过放大和调节的信号，其中 在所述经过放大和调节的信号中去除了高于选定频率的频率分量。经 过滤波和调节的时域信号有选择地通过低频频谱分量，其中所述分量 (i)处于DC和50khz之间的频率范围中，以及(ii)表征选定物质。 其中通过检索一个表征所述物质的频谱分量数据集，以及通过对经过 调节的信号进行滤波来有选择地以例如0.5～1Hz的带宽来通过那些 表征物质的一个或多个频率分量，由此实现了上述处理。
现在，经过滤波的信号与(i)处于DC和50kHz之间频率范围 中并(ii)表征选定物质的低频频谱分量进行互相关，以便在从DC到 50kHz以内的频率范围中产生一个频域频谱。从这个频谱中可以确定 所述频域频谱是否包含一个或多个低频信号分量，其中所述低频信号 分量表征选定物质并断定所述取样中是否存在该物质。
上文给出了本发明中用于检测空气、水、食物、化妆品和工业样 本的应用，这些应用是就不良或非法物质而对行李或航空公司乘客进 行鉴别的应用。
从上文中可以了解到如何满足本发明的各种目标和特征。所述方 法和设备不需要激活样本并且没有使用X射线或其它潜在有害的辐 射。本发明适用于范围很大的物质，其中唯一需要就是所述物质处于 允许分子旋转运动的任何环境之中。此外，测试样本可以是液体或空 气，也可以是出于屏蔽目的的个人或个人私有财产。
除非上下文明确需要，否则在说明书和权利要求中，单词“包括”、 “包含”等等都是以一种包含的意义来解释的，这与异或或穷举的意义 相反，也就是说，其意思是“包括但不局限于”。而那些使用单个或多 个数字的单词还分别包含了多个或单个数字。另外，当在本申请中使 用单词“在这里”、“高于”、“低于”以及相似含义的单词时，这些单词 涉及的是这个应用的总体，而不是该应用的任何特定部分。当权利要 求就两个或两个以上项目的列表而使用了单词“或”时，这个单词覆盖 了关于所述单词的以下解释：列表中的任何条目、列表中的所有条目 以及列表中条目的任何组合。
上文中关于本发明实施例的详细描述并不是意欲进行穷举或是 将发明限制在这里公开的精确形式中。虽然在上文中出于说明目的而 对用于本发明的具体实施例和实例进行了描述，但如相关领域技术人 员所了解的那样，在本发明的范围以内，不同的等价修改也是可行的。 例如，虽然处理或步骤是按照给定顺序给出的，但是替换实施例也可 以执行那些具有不同顺序的步骤的例程。虽然这些步骤是按照特定顺 序显示的，但在某些实施例中，可以重新调整这些步骤，其中可以删 除、移动、添加、细分、组合和/或修改某些步骤。这些步骤中的每一 个步骤都可以用各种不同方式实现。此外，虽然在这里显示的是串行 执行这些步骤，但作为选择，也可以并行执行这些步骤或者在不同时 间执行这些步骤。
在这里提供的关于本发明的教导可以应用于其他系统，而不必是 这里描述的系统。根据详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。 上述不同实施例的部件和行为可以通过组合来提供更进一步的实施 例。
所有上述美国专利和申请以及其他参考文献都在此引入作为参 考。如果需要的话，可以对本发明的各个方面进行修改，以便使用上 述各种参考文献中的系统、功能和概念来提供本发明的其它实施例。
根据以上的详细描述，可以对本发明进行这些和其他改变。通常， 后续权利要求中使用的条款不应解释成将本发明限制到说明书中规定 的具体实施例，除非是以上的详细描述明确定义了这类条款。因此， 本发明的实际范围不但包括公开的实施例，而且还包括依照权利要求 实施或执行本发明的所有等价方式。
虽然下文中是以某些权利要求的形式来给出本发明的某些方面 的，但是发明人考虑到了以任意数量的权利要求形式来提供本发明的 不同方面。例如，虽然在这里只把本发明的一个方面作为一种方法来 表达，但是也可以用其他方式而将其他方面作为方法来进行表述。因 此，发明人保留了在提交申请之后添加附加权利要求的权利，以便为 本发明的其他方面实现这种附加权利要求的形式。
相关申请的交叉引用
本申请要求依照下列美国临时专利申请而享有优先权，其中包括 2002年4月19日提交的美国临时专利申请60/374,941，2002年4月 19日提交的美国临时专利申请60/374,043以及2002年12月13日提 交的美国临时专利申请60/435,361，所有这些申请在此全面引入作为 参考。
参考文献
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