[发明专利]在光谱测定法中使用改进的变迹函数进行信号处理的方法和装置

说明书

背景技术

在光谱测定法中，干涉图或自由感应衰减包含由光谱仪的激发方法所产生的不同信号成分中的原始信号。这种激发产生振荡信号，它是振幅对时间的函数。干涉图在时域中的不同区域包含能在频域中其相应谱的相邻峰值之间增大信噪比或增大分辨率的信息。然而，其一的增大通常使另一个折衷。

因为只能对某一有限的时间测量出干涉图，所以所有实验干涉图都是有限的。在利用诸如傅里叶变换等技术将有限的基于时间的干涉图变换到频域中时，所得的谱包括可观测的“振铃(ringing)”，有时候被称为Gibbs现象。最好避免这种也被称为截断误差的振铃，因为它可能干扰信号成分的谱分析。在光谱测定法中，将变迹函数应用于干涉图信号便可以帮助减少Gibbs现象振铃，还能消除所得频谱中不想要的旁瓣。

图1是示出若干种标准变迹函数及其相应的波形的图。标准变迹函数包括Bartlett(三角)5a、Blackman 5b、Connes 5c、余弦5d、高斯式5e、Hamming 5f、Hanning 5g、Uniform(矩形波串)5h、Welch 5i、梯形式5j、Norton-Beer(强、中和弱)、Happ-Genzel、指数式衰减、高斯式衰减以及其它本领域技术人员已知的单侧或双侧变迹函数。

在干涉图变换到频域中之前，变迹函数被用于将权重分布(weight profile)应用于干涉图。因为干涉图的不同部分对应于不同振荡频率的信号，所以变迹函数所产生的相应的权重分布形状可以增强某些频率的信号并减小其它信号。

低频信号通常的特征是具有很宽的高斯型形状的谱峰值。对于红外光谱测定法而言，这种很宽的谱峰值在宽度方面是几百或几千个波数。用于表示光谱仪各种特征的仪器函数以及从某些固体材料的光谱中获得的光学响应信号都是低频信号的代表。

中频信号通常的特征是具有中等宽度的谱峰值，这种谱峰值与洛伦兹-高斯混合的线形相似。对于红外光谱测定法而言，这种中等宽度峰值在宽度方面是几十个波数。从大多数固体、液体和某些气体的红外光谱中获得的光学响应信号都是中频信号的代表。中频信号还可以与用于表示光谱仪各项特征的仪器函数相关联，例如其形式是从薄膜或涂层干涉中产生的伪像。

高频信号通常的特征是具有很窄的洛伦兹峰值。对于红外光谱测定法而言，这种很窄的峰值在宽度方面是几个波数或更少。这些高频信号通常与气体的红外光谱测定法所产生的光学响应信号相关联。由高频成分构成的、干涉图的另一贡献者是随机噪声。

标准变迹函数通常施加连续衰减的权重分布，其中高权重应用于与低频信号(例如，低干涉图点数)相对应的干涉图点，较低的权重(对于某些变迹函数会小到零)应用于与高频信号相对应的后面的干涉图点。在变换之后，所得谱中的窄的、高频峰值周围的“振铃”可以显著地减小，并且系统中的随机噪声也得到抑制。

变迹函数的选择通常要考虑信号频率分辨率与截断误差或伪像振铃之间的权衡。如果允许干涉图振荡继续直到频率开始彼此分离，则可以分辨出非常接近的频率。换句话说，为了得到高分辨率，完全抑制高频端(即，后面的干涉图点数)的信号的变迹函数降低了解决窄峰值的能力。

因此，通常用于保持最高分辨率的变迹函数是矩形波串变迹函数。该函数与下列相同：使干涉图在大多数时间衰减中乘以值1，然后，在干涉图的末端或其附近乘以值0。矩形波串变迹函数为该特定系统提供了最佳分辨率，但在频域中提供了最差的振铃。相反，在干涉图末端处平滑衰减到零的变迹函数(比如余弦变迹函数)提供了较差的分辨率，但在频域中更好地消除了振铃。

关于标准变迹函数的更多信息，参照Peter R.Griffiths和James A.de Haseth的“Fourier Transform Infrared Spectrometry”(Wyley Interscience，1986)(下文中称为“Griffiths”等人)，其内容整体引用在此作为参考。

发明内容

在许多时变分光技术(比如红外光谱测定法)中都已使用了变迹函数。一类使用变迹函数的红外光谱测定法被称为自动参考(Auto-Referenced)傅里叶变换红外(AR-FTIR)光谱测定法。例如，自动参考红外光谱测定法已用于化学分析，其中产生了与样品的光学吸收率或反射率相对应的自动参考频谱并且该频谱用于使组分化学成分的极低成分浓度量化。