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一种用于脉冲法拉第杯 信号测量的 信号处理方法和系统

阅读：738发布：2023-02-06

专利汇可以提供一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法和系统。该方法属于质谱测量范畴，其前提是在离子源中脉冲激光共振激励使原子电离为离子，离子通过质量分析器后达到法拉第杯探测器，包括如下步骤：(1)将来自法拉第杯探测器的电信号接入宽带高增益前置放大器，使载波频率范围的信号被有效放大；(2)将被放大的信号接入三阶高通滤波器，信号的低频部分及引入的低频干扰和噪声被滤除；(3)用同步模数转换器对滤波后的信号进行数字化采集，该采集过程可起到从载波频率到低频的解调作用，最后用数字低通滤波器实现源信号的恢复。本发明能够有效滤除探测器和前置放大器的低频干扰和噪声，从而提高测量信号的信噪比。，下面是一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法和系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将包含有载波信号的法拉第杯探测器信号放大；
2)对被放大的信号进行高通滤波，使信号的低频部分及引入的低频干扰和噪声被滤除；
3)对所述高通滤波后得到的高频区域测量信号，通过同步数字化采集，恢复到包含有低频成分、高频载波及其谐波段成分的无低频干扰与噪声的测量信号；
4)最后通过数字低通滤波，滤除对应于脉冲载波及其谐波的高频部分，获得没有低频干扰与噪声的低频测量信号。
2.根据权利要求1所述的用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法，其特征在于：步骤2)采用三阶巴特沃兹高通滤波。
3.根据权利要求1所述的用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法，其特征在于：步骤3)所述的同步数字化采集，其采集频率与作为离子源的共振激励源的激光脉冲的频率相等，根据离子飞行时间的长短设置相应相位延迟，实现脉冲调制信号与脉冲载波再次卷积相乘。
4.一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理系统，其特征在于，包括自脉冲法拉第杯探测器的输出端依次连接的宽带高增益前置放大器、高通滤波器、同步模数转换器以及数字低通滤波器；所述宽带高增益前置放大器用于将包含有载波信号的法拉第杯探测器信号放大，所述高通滤波器用于滤除放大后信号的低频部分及引入的干扰和噪声；所述同步模数转换器用于进行同步数字化采集完成从载波频率到低频的解调；所述数字低通滤波器用于滤除高频部分。
5.根据权利要求4所述的用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理系统，其特征在于：所述高通滤波器采用三阶巴特沃兹高通滤波器。
6.根据权利要求5所述的用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理系统，其特征在于：所述三次巴特沃兹高通滤波器包括运算放大器和串联于宽带高增益前置放大器输出端与运算放大器正输入端之间的电容C1、电容C2以及电容C3；其中，电容C1与电容C2之间的结点还经电阻R1接地，电容C2与电容C3之间的结点还经电阻R2接运算放大器的输出端和运算放大器的负输入端，电容C3与运算放大器正输入端之间的结点还经电阻R3接地，运算放大器的电源正、负端分别接幅值相等的正电压、负电压。
7.根据权利要求4所述的用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理系统，其特征在于：所述同步模数转换器采用适用于载波频率的高精度逐次比较型ADC(SAR ADC)，实现同步数字化采集恢复到包含有低频成分以及其他高频段的无低频干扰与噪声的测量信号。

说明书全文

一种用于脉冲法拉第杯信号测量的 信号处理方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及质谱仪器中弱电信号测量领域，具体涉及一种脉冲法拉第杯信号的测量方法，其前提是在离子源中脉冲激光共振激励使原子电离为离子，离子通过质量分析器后达到法拉第杯探测器。

背景技术

[0002] 在质谱仪中，法拉第杯是一种经典可靠的离子探测器，其探测效率接近100％，是高精度测量的典型离子探测器。在通常的法拉第杯——高增益前置放大器——高精度模数转换器构成的测量系统中，测试数据常受到外部电磁信号、真空游离电荷、机械振动、环境温度等多种干扰，同时还受到放大器的大电阻热噪声、1/f噪声以及放大器主芯片偏置电流噪声等多种因素的影响。

[0003] 经调研和分析发现：目前大部分采用法拉第杯探测器的离子信号测量系统中，除了加强屏蔽、选用低噪声放大器芯片外，还采用增大反馈电阻阻值以减小热噪声电流的方法来提高信噪比。不过由于干扰和噪声与信号同处于低频段，其信噪比提高的程度有限(在低频范围，这些干扰和噪声与信号同样被放大，很难与信号进行区分)。

发明内容

[0004] 本发明的目的是：对于脉冲法拉第杯信号测量，通过滤除低频噪声的方法，进一步提高信噪比。

[0005] 发明人在激光共振电离质谱系统中，分析共振电离的离子信号时认识到：在激光共振电离质谱仪器中，通常选择脉冲激光作为离子源的共振激励源。多路波长可调谐的激光脉冲在离子源中与热蒸发/原子化的被测核素相互作用，原子在几十ns时间内被电离，并且在多数情况下，这种电离是饱和的。如果将样品蒸发看作一个低频信号源，共振电离的过程可认为是脉冲抽样/调制。虽然存在离子传输过程的脉冲时域展宽，当离子到达探测器时，其电信号仍然保持了其脉冲调制的特征。

[0006] 基于此，为了滤除探测器和前置放大器的低频干扰和噪声，在与法拉第杯探测器相匹配的宽带高增益前置放大器后加入高通滤波，并利用同步采集及数字低通滤波，达到滤除低频干扰与噪声的目的。

[0007] 具体的技术方案如下：

[0008] 一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理方法，包括以下步骤：

[0009] 1)将包含有载波信号的法拉第杯探测器信号放大；

[0010] 2)对被放大的信号进行高通滤波，使信号的低频部分及引入的低频干扰和噪声被滤除；

[0011] 3)对所述高通滤波后得到的高频区域测量信号，通过同步数字化采集，恢复到包含有低频成分、高频载波及其谐波成分的无低频干扰与噪声的测量信号；

[0012] 4)最后通过数字低通滤波，滤除对应于脉冲载波及其谐波的高频部分，获得没有低频干扰与噪声的低频测量信号。

[0013] 在以上方法的基础上，本发明还进一步作了如下优化：

[0014] 步骤2)优选三次巴特沃兹高通滤波。实际上，二阶及以上的高通滤波通常都能够对低频信号有效滤除。

[0015] 步骤3)所述的同步数字化采集，其采集频率与作为离子源的共振激励源的激光脉冲的频率相等，根据离子飞行时间的长短设置相应相位延迟，实现脉冲调制信号与脉冲载波再次卷积相乘。

[0016] 一种用于脉冲法拉第杯信号测量的信号处理系统，法拉第杯探测器的输入为样品被脉冲激光共振产生的离子信号(脉冲调制信号)；该信号处理系统包括自法拉第杯探测器的输出端依次连接的宽带高增益前置放大器、高通滤波器、同步模数转换器以及数字低通滤波器；所述宽带高增益前置放大器用于将包含有载波信号的法拉第杯探测器信号放大，所述高通滤波器用于滤除放大后信号的低频部分及引入的干扰和噪声；所述同步模数转换器用于进行同步数字化采集完成从载波频率到低频的解调；所述数字低通滤波器用于滤除高频成分。

[0017] 上述高通滤波器可采用三阶巴特沃兹高通滤波器。

[0018] 上述三阶巴特沃兹高通滤波器包括运算放大器和串联于宽带高增益前置放大器输出端与运算放大器正输入端之间的电容C1、电容C2以及电容C3；其中，电容C1与电容C2之间的结点还经电阻R1接地，电容C2与电容C3之间的结点还经电阻R2接运算放大器的输出端和运算放大器的负输入端，电容C3与运算放大器正输入端之间的结点还经电阻R3接地，运算放大器的电源正、负端分别接幅值相等的正电压、负电压。

[0019] 上述同步模数转换器可采用适用于载波频率的高精度逐次比较型ADC(SAR ADC)，实现同步数字化采集恢复到包含有低频成分以及其他高频段的无低频干扰与噪声的测量信号。

[0020] 本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明能够有效滤除探测器和前置放大器的低频干扰和噪声，从而提高测量信号的信噪比。附图说明

[0022] 图1为本发明的测量过程示意图。

[0023] 图2为三阶巴特沃兹高通滤波示意图。

[0024] 图3为本发明仿真对比方法的示意图。

[0025] 图4为本发明仿真对比方法输出波形图。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

[0027] 在激光共振电离质谱系统中，分析共振电离的离子信号时发现：样品在离子源中受脉冲激光的共振电离产生的离子到达探测器，其电流信号本身已是一个脉冲调制信号(已调信号)。由法拉第杯探测器和放大器引入的低频干扰和噪声与已被脉冲载波调制至较高频率区域的信号在频域是分离的。

[0028] 由此，本发明的基本原理如图1所示：用宽带高增益前置放大器、高通滤波、同步模数转换器(同步数字化采集)对信号进行放大与采集，获得包含有低频成分、高频载波及其谐波成分的无低频干扰与噪声的测量信号；最后用数字低通滤波恢复源信号，以达到抑制甚至消除低频干扰和噪声的目的。

[0029] 其中：

[0030] 宽带高增益前置放大器针对已调制的高频测量信号放大，具体可采用常规的高带宽主运放芯片及针对大电阻的寄生电容补偿措施的运用，以实现宽带高增益放大功能。

[0031] 高通滤波部分主要滤除低频干扰和噪声，同时尽量保证高频段测量信号顺利通过。具体优选三阶巴特沃兹高通滤波，如图2所示，经过法拉第杯放大器放大后的信号由C1的左端接入，其右端与C2的左端、R1的上端相连，R1的下端接地。C2的右端与C3的左端、R2的上端相连，R2的下端与运算放大器的输出端相连。C3的右端与运算放大器的正向端、R3的上端相连，R3的下端接地。运算放大器的负向端与它的输出端相连，其电源正、负端分别接+15V与-15V电压。通过设计三阶巴特沃兹高通滤波，以达到尽量滤除低频干扰与噪声，同时保证高频段测量信号顺利通过。

[0032] 同步采集部分将信号进行数字化转换，具体是设计与激光脉冲相同的同步采集频率，实现已调信号与脉冲载波再次卷积相乘，此过程可代替信号抽样过程，以此把高频区域测量信号恢复到包含低频成分、高频载波及其谐波成分的无低频干扰与噪声的测量信号。具体可采用18bit 1MHz高精度逐次比较型ADC(SAR ADC)。该采集过程可起到从载波频率到低频的解调作用。

[0033] 数字低通滤波用于滤除包括载波频率及其谐波的高频段成分，最终获得没有低频干扰与噪声的低频测量信号，即实现源信号的恢复。

[0034] 本发明在方法验证上设计了对比方案：

[0035] 利用Simulink仿真软件，在仿真验证中，设计高频测量信号有低频噪声以及没有噪声干扰两种方案进行对比，以验证该方法的正确性以及优越性。如图3所示，具体方案如下：(1)利用Simulink中的信号发生器(Signal Generator)产生一个幅度为0.3、频率f＝10Hz的正弦信号作为基带信号，通过常量(constant)产生一个幅度为1的直流成分，最终把直流信号和基带信号通过加法器相加以作为实际信源。(2)另一个信号发生器产生幅度为
1、频率f＝10kHz、脉宽为5us的脉冲信号作为高频载波。(3)利用乘法器把高频载波与实际信源相连生成已调信号。(4)把已调信号分为两路，第一路作为未受到噪声干扰的已调信号，而第二路通过加入噪声模块(Random Number)产生低频噪声，作为受到低频噪声干扰的已调信号。(5)此后第一路通过乘法器与相同频率的高频脉冲载波再次相连，而第二路通过接入截止频率为3kHz的高通滤波器后，再通过乘法器与相同频率的高频脉冲载波相连(6)然后两路分别通过截止频率为100Hz的低通滤波器，其输出信号作为解调输出信号。(7)最后用示波器Scope1分别观察实际信源、未受到噪声干扰的已调信号、未受到噪声干扰的解调输出信号、受到噪声干扰的已调信号、受到噪声干扰的调制输出信号。

[0036] 如图1、图3所示，图1中样品被脉冲激光共振产生的离子信号相当于图3中未受到噪声干扰的已调信号；图1中接入相应的法拉第杯放大器电路中进行信号放大后的信号相当于图3中第二路加入了低频噪声干扰的过程；图1中高频滤波相当于图3中高通滤波过程；图1中的同步采集相当于图3中通过乘法器与相同频率的高频脉冲载波再次相连的过程；最后图1中的低通数字滤波相当于图3中的低通滤波过程。

[0037] 以激光共振电离质谱仪为例，离子信号由样品被10kHz,脉宽为20至40ns的激光脉冲共振电离产生，尽管在离子加速、飞行通过质量分析器的过程中存在一定的时域分散，但这并不妨碍我们将离子信号看成是一个被10kHz脉冲载波调制过的信号。同时在把测量信号接入相应的法拉第杯放大器电路中进行信号放大的过程中，会在低频区域引入各种干扰和噪声，比如：样品的热电离干扰(随机信号，与调制频率不相关)、50Hz工频干扰、大电阻热噪声、1/f噪声与放大器主芯片偏置电流噪声的影响等。但它们与被10kHz脉冲载波调制至高频区域段的测量信号在频域上是分开的。

[0038] 示波器Scope1结果如图4所示：由上而下分别为实际信源、未受到噪声干扰的已调信号、未受到噪声干扰的解调输出信号、受到噪声干扰的已调信号、受到噪声干扰的解调输出信号。由图4可知，除了幅度有差异外，未受到噪声干扰与受到噪声干扰的解调输出波形频率基本都与实际信源的保持一致，说明该方法能正确解调信源信号。同时，受到噪声干扰的已调信号波形失真严重，但经过高通滤波及高频脉冲载波、低通滤波解调后，与未受到噪声干扰的调制输出信号基本一致，说明该方法能有效的滤除低频噪声干扰。通过仿真对比验证了本发明的正确性及有效性。

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