CN1777796A - 信号处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种信号处理系统和利用所述信号处理系统进行信息处理的方法。所述信号处理系统被设计和传感系统一道使用，其中把编码的信号引向测试试样，并采集结果信号，使其和编码的信号相关，借以使得能够检测测试试样对发射的信号的响应，这使得能够理解要被确定的测试试样。信号处理系统对传感系统提供控制信号，以便控制被传输到测试试样的信号的格式和由该传输引起的从测试试样接收的信号的检测，并接着使它们之间相互关联。通过控制传输的和检测的信号，信号处理系统可以关联这个信息，以便改善检测能力，从而提供一种用于分析测试试样的改进的装置。

Description

信号处理系统和方法
技术领域
本发明属于信号处理领域，尤其涉及和传感系统一道使用使得能够对传感器系统进行控制和进行增强的信号检测的信号处理系统。
背景技术
基于在先发射的入射信号的目标的结果信号的检测被广泛地用于使能进行这些目标的材料的识别和合成。在许多情况下，反射的或结果的信号保留入射信号的特征，例如入射信号的频率和信号类型。在其它的情况下，结果信号例如可以包括不同于入射频率的附加频率。这些附加频率和入射信号一道可以提供关于目标物质的成分的信息，可能包括构成该物质的元素的浓度。
传感系统的一个特定的实施例是光谱仪，并涉及反射和荧光，具有和入射信号相同的频率的反射信号的检测一般比产生的其它频率例如荧光的检测容易。荧光可以在宽的频率范围内发射，其幅值大大低于和入射频率相同的反射的信号的幅值。由物质发出的荧光信号的强度可以在系统的噪声电平以下，因此可能不能被识别或评价，其中所述噪声可能是环境噪声与/或系统内的电噪声。
美国专利6002477披露了一种分光光度计装置，其提供一种用于减小检测的光谱特征上的噪声的影响的装置，其中这种减小依赖于系统中的噪声电平的确定，以便减小对来自物质的被检测的能量的检测的影响。这种分光光度计测量由每个光脉冲产生的光束在和试样交互作用之后的强度。每个这种光束在和试样交互作用之前可被分成第一和第二部分，并且光学系统被设置用于引导第一部分到试样上，引导第二部分到用于进行参考测量的第二检测器。可以在每个光脉冲之前或之后立即进行暗信号测量。因而，借助于利用参考信号确定系统内的噪声，提供一种用于隔离接收的信号的装置。不过，这种噪声补偿的形式主要进行信号的减少，以便识别所需的信号，其中这种类型的技术可能导致去除所需信号。
因而需要一种新的信号处理系统，其使得能够检测来自物质的低电平的发射，由于传感系统内的噪声，这种发射不容易被检测到，其中被检测的发射是和预定类型的电磁辐射交互作用的结果。
提供这种背景信息为了使本申请人认为是已知的信息可以成为和本发明相关的信息。显然，上述的任何信息都构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信号处理系统和方法。按照本发明的一个方面，提供一种信号处理系统，用于控制使得能够在存在噪声时进行信号检测的传感系统，所述传感系统包括能源，用于产生入射信号，发射处理系统，用于引导入射信号到测试试样上，接收的信号的处理系统，用于响应入射信号从测试试样采集一个或多个结果信号，以及检测器，用于把所述一个或多个结果信号转换成电信号，所述信号处理系统包括：发射控制系统，其在操作上和所述能源以及所述接收的信号的处理系统相连，所述发射控制系统向所述能源发送第一控制信号，所述能源借以产生呈脉冲形式的编码的入射信号，所述发射控制系统向接收的信号的处理系统发送第二控制信号，用于控制一个或多个结果信号的采集，用于随后由检测器转换成电信号；以及DSP接收的信号的处理系统，用于使来自检测器的电信号和编码的入射信号进行匹配关联，借以使得能够在存在噪声的情况下隔离测试试样对向其发射的入射信号的响应。
附图说明
图1是包括按照本发明的一个实施例的信号处理系统的一个系统的示意图；
图2是被集成在按照本发明的一个实施例的信号处理系统中的信号脉冲处理系统的示意图；
图3表示按照本发明的一个实施例用于在图2的窄带数字滤波器的组中集成的符号速率(Fs)；
图4是按照本发明的一个实施例可用于图2的脉冲编码相关器中的时域相关模型的示意图；
图5是按照本发明的一个实施例的信号处理系统的示意图，其中信号处理系统被配置用于作为一个独立的系统的部分进行操作；
图6表示使用脉冲幅值调制检测的具有0dB信噪比的通断键控信号；
图7表示使用频域检测的信号检测；
图8表示从二进制脉冲编码信号检测输出的时域相关的结果；
图9是脉冲编码通道模型的示意图；
图10表示使用线性的FM调频脉冲的检测器输出，所述脉冲是125毫秒宽的矩形函数，从500Hz到3500Hz扫频，并以8000样品/秒被采样；
图11表示线性FM脉冲编码技术的使用，其中对于200的时间带宽乘积(TBP)，脉冲持续时间被保留在0.125秒，带宽是1600Hz。检测器的对数比例按照P＝20×log s计算，其中s是匹配的滤波器的时域输出；
图12表示和图11一样对于800的TBP的线性FM脉冲编码技术的使用；
图13表示和图11一样对于2250的TBP的线性FM脉冲编码技术的使用；
图14是对于2250的TBP情况下的时域曲线，其中示出了检测器的幅值；以及
图15表示具有按照本发明的信号处理系统的光学系统。
具体实施方式
定义
术语“弱信号检测”指的是用于使得能够测量来自试样的低强度的发射辐射的技术。对于任何给定的信噪比，通过增加用于传输信息的带宽可以降低信息错误率。信号带宽在噪声信道中传输之前被扩展。这个处理产生所谓的处理增益。
术语“信号扩展”指的是若干个扩展信号的方法，包括线性频率调制(有时称为调频脉冲调制)和直接序列方法以及其它的技术。
术语“信号解扩”指的是通过使用相关接收器或匹配的滤波器接收器技术使接收的信号和类似的本地参考信号相关来实现的一种处理。当两个信号匹配时，扩展的信号在扩展之前被折叠到其原始的带宽，而任何不匹配的信号通过主要对传输带宽的本地参考被扩展。该滤波器则去除所需的信号之外的所有的信号。因而，为了在所需信号的干扰内(传感系统中的热噪声、周围系统包括的噪声、交流线噪声，例如)优化所需的信号，一个匹配的滤波器接收器增强该信号，同时抑制包括噪声的所有其它输入的影响。
除非另有规定，本文使用的所有的科技术语都具有和本发明所属技术领域的普通技术人员理解的相同的意义。
本发明提供一种用于进行信息处理的信号处理系统和方法。这种信号处理系统被设计和传感系统一道使用，其中编码的信号被引导到测试试样，并且采集结果信号并使其和编码的信号相关联，借以使得能够进行测试试样对发射的信号的响应的检测，这可以使得能够理解要被确定的测试试样。这种信号可以是电磁的或声学的，包括传感系统，例如光谱仪、光-声传感系统、X-射线系统，或其它的用于引导和检测电磁辐射的传感系统，如本领域普通技术人员理解的。信号处理系统对传感系统提供控制信号，以控制被传输到测试试样的信号的格式和由此传输产生的从测试试样接收的信号的检测，并随后使它们之间相互关联。通过控制传输的和检测的信号，信号处理系统可以使这个信息相互关联，以改进检测能力，从而提供一种用于分析测试试样的改进的方法。
作为一个例子，在图1中示出了信号处理系统5和传感系统7的互连性。传感系统包括能源15，其被信号处理系统5(特别是发射器控制电子电路10)控制，以便发射一个或多个入射信号22，以及发射处理装置20，其被信号处理系统5(特别是发射器控制电子电路10)控制，以从能源15接收入射信号，并以编码的格式把一个或多个入射信号提供给测试试样25。在一个实施例中，发射处理装置20可以包括用于隔离一个或多个照射波长的装置以及用于定向和聚焦照射波长到测试试样25上的装置。在一个实施例中，其中能源是电磁照射源，在该照射和测试试样之间的这个交互作用可以取由于测试试样的性质而产生的反射电磁辐射和荧光辐射的形式。在某些情况下，这些电磁特征由测试试样内的主要元素或驻存在测试试样内的某种物质产生。例如，如果测试试样是水，则电磁特征例如可以由水本身与/或在水的试样内的悬浮的固体或溶解的化合物产生。
传感系统还包括接收的信号处理装置30，其被信号处理系统5(特别是发射器控制电子电路10)控制，以采集和隔离由于在先对测试试样传输的入射信号而由测试试样25产生的一个或多个结果信号27。接收的信号处理装置30可以包括用于采集来自测试试样25的结果信号的检测器系统，以及用于隔离一个或多个结果信号的装置。此外，传感系统包括检测器35，用于检测由接收的信号处理装置30发出的结果信号并将其转换成电信号，以及DSP接收的信号处理装置40，其是信号处理系统5的一个元件，用于对检测器35的输出进行匹配滤波(或者更具体地说进行匹配相关)。结果信号的匹配滤波根据来自检测器35的接收的电信号和来自发射器控制电子电路10的代表入射信号的编码格式的控制参数进行。在一个实施例中，信号强度估计可被输入到控制块500，其可以执行根据信号强度的当前值进行实时决定的任务，与/或将其进一步输入到通信块510进行随后的传输。
参见图1，具有噪声或干扰进入传感系统7和信号处理系统5的各个位置，其中的干扰可能减少检测从测试试样接收的信号的能力，该信号是由于对测试试样传输的编码的入射信号而产生的。例如环境噪声可以通过接收的信号处理装置30进入传感系统，电噪声可以通过DSP接收的信号处理装置40进入信号处理系统。信号处理系统可以提供一种用于编码入射信号并对和编码的入射信号相关的结果信号进行匹配滤波(或相互关联)的装置。这样，这种信号处理系统使得能够改善对结果信号的检测，所述结果信号是由于向测试试样传输编码的入射信号而产生的。这种改进的检测能力来自噪声抑制和信号增强，其是通过向测试试样发送具有编码波形的入射信号并使来自测试试样的结果信号和发送的波形的拷贝相互关联以产生一个相互关联的输出来实现的，所述输出和通过入射信号和测试试样的交互作用而产生的结果信号的程度成比例。在一个实施例中，测试试样由能源照射，相关联的输出和由所述照射和测试试样的交互作用而产生的反射与/或荧光的程度成比例。
尤其注意到荧光，其是一种这样的现象：测试试样被波长为λ0的能量照射，所述能量被试样吸收，并由试样发射波长为λ1的辐射，其中λ1＞λ0。如果所述发射发生在激励阶段期间或者在激励之后的一个非常短的时间间隔内，则这个过程通常被称为荧光，并且时间常数通常小于10-8秒。如果激励脉冲的持续时间很短，则荧光发射的强度随时间呈指数衰减，其中荧光衰减的时间常数td是被激励的试样的特征。指数的尾部以发射波形e-(t/τd)衰减，其中τd是被照射的试样的衰减时间常数。对于被照射的单原子或单分子试样，指数项和在激励能源施加之后某个时间τd将发射光子的可能性成水例。因为试样包括非常多的原子或分子成分，发射特性将是整个试样的全体的平均。在这种情况下，在施加激励之后的一个时间间隔内，实际上看到在时间上连续的荧光辐射的光强及其随后的衰减。当对测试试样施加编码的照射激励时，能够观察到相同的全体平均衰减特性，如上所述。在这种情况下，可以使用比荧光衰减常数τd长得多的编码脉冲来“调制”激励的辐射，并使用下述的脉冲抑制技术来抑制由该发射的辐射产生的信号。在这种情况下的脉冲抑制技术的使用一般只用于这样的情况，其中被激励的测试试样包含贡献于荧光的极大量的原子或分子成分。
信号处理系统
可以使用信号处理系统控制能源、发射处理装置和接收的信号处理装置或者它们的任何的组合。由信号处理系统提供的这种控制可以使得能够检测关于发射给测试试样的一个或多个入射信号的一个或多个结果信号，其中这种检测可以在存在被引入系统中的噪声的情况下进行。信号处理系统包括发射器控制电子电路，其提供用于控制发射的入射信号(发射处理系统)和接收的信号处理系统的装置。此外，信号处理系统包括接收的信号处理装置，其使得信号处理系统能够使结果信号和最初发射的入射信号相关联。作为一个例子，本发明的信号处理系统可以提供用于识别由于用特定波长的光照射测试试样而由测试试样产生的反射和荧光的装置，其中在这个例子中被控制的传感系统可以是光谱仪的形式。
下面说明按照本发明的信号处理系统和光传感系统例如光谱仪的直接集成。本领域普通技术人员容易理解，如何集成信号处理系统以控制其它的传感系统，包括光声传感系统或X射线传感系统或本领域普通技术人员容易理解的其它形式的传感系统。
在一个实施例中，用于控制照射辐射的发射器控制电子电路执行的任务包括：提供用于把电能转换成照射能量的电功率和驱动电路，控制信号源脉冲的幅值和定时，控制用于滤波、聚焦或机械地脉冲照射辐射的装置，例如滤波器、单色仪、准直仪与/或断续器。此外，发射器控制电子电路提供用于控制接收的信号处理装置的装置，使得能够隔离由于照射测试试样而产生的反射和荧光信号波长。例如，在接收的信号处理装置中包括单色仪可以提供用于隔离所需波长的装置。单色仪的功能可以由接收的信号处理系统控制。
发射器控制电子电路可以使用一种形式的编码函数在照射信号在和测试试样交互作用之前对照射信号进行编码，其中这个编码函数可以由任何数量的信号调制技术来提供。例如，可以使用脉冲编码软件产生用于直接调制信号控制装置的频率的同步脉冲(脉冲频率调制，PFM)。利用PFM，脉冲的频率被调制以编码所需的信息。可以使用脉冲编码软件产生用于直接调制信号控制装置的幅值的同步脉冲(脉冲幅值调制，PAM)。其中利用PFM，脉冲的幅值被调制以编码所需的信息。此外，可以使用脉冲编码软件产生用于直接调制信号控制装置的脉冲宽度的同步脉冲(脉宽调制，PWM)。利用PWM，脉冲的宽度被调制以编码所需的信息。最后，可以使用函数发生器对照射信号编码，所述函数发生器用于产生固定的同步脉冲，使得能够进行脉冲速率和幅值调制，此外还有机械编码器驱动器，用于产生用于间接信号调制器，例如断续器、遮断器、电镜(galvomirror)等等的同步脉冲。
在本发明的一个实施例中，由发射器控制电子电路使用的编码函数是二进制相移键控(BPSK)，其是一种数字调制格式。BPSK是一种调制技术，其可被用于极其有效地进行弱信号的重复。使用BPSK调制，载波信号的相位按照数字位流被改变180度。BPSK的数字编码方案如下：“1”引起载波信号的相位转变(180度)，而“0”则不产生相位转变。使用这种调制技术，接收器进行微分相干的检测处理，其中每位的相位和前一位的相位比较。和其它的调制技术例如通断键控相比，利用BPSK调制可以产生改进的信噪比优点。
在本发明的一个实施例中，DSP接收的信号处理装置使得能够在从检测器接收的电信号和由发射控制电子电路确定的对应的时间间隔之间进行匹配的滤波器相互关联。这种发射的和接收的信号之间的相互关联可以提供一种用于增强超过噪声(环境噪声与/或电噪声，例如)的接收的信号的识别的装置，所述噪声可以进入传感系统或信号处理系统中。接收的信号的滤波和时间平均、与发射的脉冲序列同步和匹配可以增强信噪比(SNR)，因而可以改善在一个或多个关心的波长下试样响应的测量的可信度。
匹配滤波器是一种相关信号的精确的复制或参考。使该参考和输入信号相关联，这种处理基本上是在滤波的总的持续时间内信号乘以该参考的积的和。这个处理如图4所示。当使参考信号和关心的信号匹配时，相关(卷积)和一般相对于不匹配的和为最大，从而提供一种用于识别超过传感系统和信号处理系统内的外部噪声的信号的装置。在本发明的一个实施例中，匹配滤波的一种形式可以由以脉冲速率的间隔为中心的窄带滤波器组来提供，可以从脉冲频谱中捕获更多的谐波，因而可以提供一种用于改进的信号脉冲能量估计并接着识别检测的波长的装置。这来自这样的事实：在接收的信号中的多个能量被用于确定相关性。
在本发明的一个实施例中，如果时域扩展函数由F(ω)表示，并且接收的信号由H(ω)表示，则匹配滤波器接收器的输出可以使用数字信号处理器获得：
s ( t ) = ∫ - ∞ + ∞ F ( ω ) H ( ω ) e - jωt df 其中ω＝2πf
在这个公式中，F(ω)是输入信号f(t)的傅立叶变换，H(ω)是接收器线性滤波器h(t)的傅立叶变换。在匹配滤波器中，接收器线性滤波器H(ω)被调整，以优化对于特定的输入信号f(t)的接收器输出s(t)的峰值信噪比。当接收器线性滤波器响应H(ω)由下式给定时：
H(ω)＝KF*(ω)e-jωt0
则输出信噪比被最大化，并且接收器滤波器响应H(ω)和输入信号f(t)匹配，其中f(t)具有傅立叶变换F(ω)。上面两个公式取自“Information Transmission，Modulation and Noise，A UnifiedApproach to Communication Systems”；Schwartz，Mischa，ThirdEdition。匹配滤波器接收器使得能够最大化所需检测的输出信号s(t)的信噪比。因而匹配滤波器接收器可以提供输出信号的最佳的检测。因为匹配滤波器接收器是一种线性系统，s(t)直接和反射强度和在检测器上的荧光照射成比例。使用匹配滤波器可以使得能够在具有噪声的情况下(系统的外部和内部噪声)检测弱信号，这种弱信号利用其它的系统可能是不能检测的。
在本发明的一个实施例中，信号处理系统涉及模拟的前端和数字的后端任务。一般地说，模拟处理任务和恢复小的传感器信号以及应用高度选择的滤波操作相关。数字域任务进一步和关于能量检测和数据输出的信号滤波以及分析函数相关。为了尽可能使干扰最小化并提供对发射噪声的抗扰性，照射信号可以利用一般为几百赫兹的频率被调制。模拟部分可被设计用于高增益地放大和前置滤波检测器的输出，并恢复调制频率。利用这些信号，窄带跟踪滤波器可以提供高的选择性，用于调制信号的恢复。窄带滤波器的输出在被放大之后被进行模拟/数字转换，并被输入到DSP，其可实时地执行滤波、能量检测、平均和把结果转换成可以使用的数据的后端任务。滤波可以进一步增强a/c噪声和谐波失真的滤除，这些噪声和失真可能是在模拟处理的最后阶段被引入的。滤波之后可以进行由平均能量检测器进行的处理，其输出和传感器信号的能量成比例的值。这些值可在短的时间间隔内被发送给主装置例如计算机，在那里它们可以被存储和处理，以供进一步分析。
在本发明的另一个实施例中，信号处理系统可被设计成如图2所示。首先，脉冲序列发生器450向脉冲编码相关器480发送参考信号，并进而向数模转换器460发送确定产生的序列的数字信号。结果的模拟信号在通过模拟低通滤波器470之后被发送给照射源，照射源接着根据这些脉冲照射测试试样。在对由于该照射而从测试试样产生的放射辐射进行采集和检测之后，作为辐射检测的结果而由检测器产生的脉冲被输入到模拟低通滤波器(LPF)400，其向模数转换器(ACD)410传送滤波信息。模拟LPF可以抑制例如超过fs/2的频率，其中fs是ADC的采样速率，借以提供防混淆滤波。这个数字化的信息被发送给窄带数字滤波器组420，其中每个滤波器和脉冲序列频谱(输入信号脉冲)中的一个线匹配，并接着被传送给求和模块430。每个滤波器的中心在n*Fs，其中n是从1到N的整数，其中N是滤波器的最大数量。图3是脉冲编码信号的时域表示。这些通常被称为伪随机二进制序列，并且包括用于限定“代码字”800的n个随机位。形成代码字的n位的每一个被称为“符号”，其具有时间持续间隔Ts，其通常被称为符号周期。符号速率Fs是由Fs＝1/Ts给出的符号的传输速率。这样一种方法使得能够进行接收的信号和参考编码波形的一个拷贝或匹配相匹配，以便识别系统内的超过外部噪声的信号，并可被称为匹配滤波。
在窄带数字滤波器组420中实施的各个滤波器主要滤除参考脉冲的基波频率分量和谐波频率分量，它们在求和模块430被求和，以获得信号的各个频谱分量，从而滤波的接收信号中的大部分功率是被传输到测试试样的编码的照射信号的结果。来自求和模块430的和被存储在滤波器脉冲周期缓冲器440中，并在脉冲编码相关器480中和传输的信号关联，并把结果存储在相关缓冲器520中。图4提供一种可用于脉冲编码相关器中的时域相关模型的示意的表示，如本领域普通技术人员容易理解的那样，可以使用其它的相关模型。信号强度检测器490和质量评价器530可以根据在相关缓冲器520中的信息计算信号强度估计和质量指示数据，并接着把信号强度估计和质量指示数据发送到数字处理系统的控制逻辑500。控制逻辑500提供一种用于进行信号处理系统的调度控制和配置控制的装置。控制逻辑500还可以根据传感系统和信号处理系统的当前状态实时地进行决定。信号强度估计和质量指示数据接着例如通过通信块510或其它装置被传输到位于个人计算机或中央控制器上的计算装置，以便被组织成为可用的和可呈现的格式，例如产生采集的信息的图形表示与/或在数据库上存储数据。
进一步注意到图4，时间采样输入信号xm(t)850被存储在n个试样长度的移位寄存器中，移位寄存器可被称为“抽头延迟线”因为其含有最新近的试样x1(t)和最后的n-1个试样。在“抽头延迟线”中的n个试样乘以在匹配参考函数寄存器Y 860中的对应的试样，检测器Y 860含有表示传输的脉冲序列的相关参考函数的n个试样。在“抽头延迟线”中对应的试样的积，即每次采样的输入信号乘以对应的匹配参考函数的积，被求和。这个和表示在那一时刻在“抽头延迟线”中的采样数据的相关输出信号C(t)870。这种相关的形式可用于实施脉冲编码传输方案或利用其它的编码装置例如“线性频率调制”的本发明的实施例中。匹配参考函数基本上是被产生用于控制测试试样的照射的信号的时间采样的拷贝。
进一步参见图4，下一个采样数据值x0被置于“抽头延迟线”中，这在“抽头延迟线”中产生被移向图4的右方的前一个采样。具体地说，新的试样x0成为x1(t)，试样x1(t)成为x2(t)，依此类推，其中试样xn被从“抽头延迟线”中丢弃。在“抽头延迟线”中对应的试样，即每次采样的输入信号，和对应的匹配参考函数再次相乘并求和，以提供下一个相关结果。这个处理随着新的试样被加到“抽头延迟线”而继续，结果是时间采样相关结果。
在本发明的一个实施例中，信号处理系统的功能还可以包括报警设置，其中在启动报警设置时可以进行一个或多个操作。例如，信号处理系统可以一直进行被处理的数据的相关和统计分析，一旦接收的信号中的一个预定的改变值被达到，则信号处理系统便可以启动报警设置。报警设置的启动可以产生被发送到监视传感系统和信号处理系统的人员的信息，例如以报警灯、蜂鸣器、电子邮件、蜂窝电话信息或语音呼叫的形式，或者可以启动另一种处理，例如样品提取。
在一个实施例中，可以在标准的数字信号处理芯片中实施数字信号处理算法，该芯片被集成在信号处理系统中，借以使得集成本发明的信号处理系统的装置的总成本相对较低。
信号处理系统可被包括在呈可以安装在计算装置中的电路板形式的计算机系统中，例如，其中计算机可以提供一种装置，用于操作匹配滤波之后的信息，并将其组织成为例如容易由系统操作者解释的格式。此外，信号处理系统可以包括独立的硬件，以对信号处理系统提供独立操作的装置。
可独立应用的信号处理系统
在本发明的一个实施例中，信号处理系统可被设计具有可独立操作的配置。在这种类型的可独立操作的配置中，信号处理系统还可以包括和整个通信系统例如因特网互连的能力，或者能够在局域网(LAN)内进行网络连接。和通信网络的这种类型的互连使得能够由中央站从多个测试地点采集信息，借以减少用于采集测试数据所需的人员。
如本领域普通技术人员公知的，根据用于传输系统中的信息的通信系统(LAN，WAN，因特网)和该信息所需的安全等级，可以要求和实施对数据进行不同等级的加密。
在这个实施例中，独立操作的信号处理系统包括DSP块，发送器和接收器块，宏控制器块(MCU)，通信块和数字与模拟电源块。
在这个实施例中，DSP块包括数字信号处理芯片和外部存储器。DSP块执行计算算法，用于快速、实时地处理从一个或多个检测器传递的信号。这个块还产生能够调制能源的信号；其中如果需要这个调制信号可被多路传输到多个能源。不过，每个检测器，如果具有一个以上的检测器，具有进入DSP块的单独的通道，用于传输关于接收的信号的信息。此外，DSP块可以控制一个或多个用于机械地脉冲照射辐射的装置，例如断续器(chopper)。如本领域普通技术人员公知的，DSP芯片的所需的处理速度可以由输入的要被处理的数据的估计的数量和频率来确定。用这种方式，可以根据其处理速度例如DSP操作的赫兹数例如40赫兹、60赫兹等来确定合适的芯片。
按照这个实施例，发射器和接收器块包括模数转换器(ADC)，数模转换器(DAC)和低通滤波器，其中这些滤波器使得接收的信号能够防混淆。在一个实施例中，可以使用许多发光二极管(LED)或激光二极管作为传感系统的能源。在这个实施例中，发射器和接收器块还包括多路传输器和大功率放大器，其中多路复用器可以使得能够独立地传输用于启动多个能源的信号，并且大功率放大器提供一种用于提供足够的能量的装置，以启动这些能源，使得获得其最大功率输出。在本发明的一个实施例中，使用两个Texas仪器公司的编码译码器(编码器/译码器)TLV320AIC20作为模数转换器。在这个例子中，TLV320AIC20包括两个模数转换器和两个数模转换器。因而，借助于把这两个CODEC包括在单独操作的信号处理系统中，通过使用多路传输器，提供4个独立的输入通道和任何数量的输出通道。
独立操作的信号处理系统的通信块的例子包括多个网络控制器卡，例如以太网芯片，无线网芯片与/或USB芯片，其使得独立操作的信号处理系统能够和通信网络互连，例如局域网(LAN)、广域网(WAN)，例如GSM/GPRS或CDMA、或者局域无线网(例如蓝牙或IEEE 802.11)。本领域技术人员应当理解进行所需的网络连接需要的芯片或卡的格式和类型。此外，网络块还可以包括串行接口芯片，例如RS-232端口，其可以提供和其它元件或系统的串行接口，例如计算机或串行的调制解调器，例如拨号或无线型调制解调器，或和单色仪的串行连接。因此，通信块可以提供一种用于远程计算系统或本地计算系统的装置，用于访问由信号处理系统采集的信息，此外还用于修改或更换在信号处理系统上运行的算法，还用于配置数据。例如，如果独立操作的信号处理系统位于远方，例如通过和因特网的互连，工作人员除去以远程方式访问其上的数据之外，还可以修改信号处理系统的操作。
此外，在这个独立操作的实施例中，宏控制器单元块(MCU)包括MCU芯片，其可以是8位、16位或32位的芯片，以及外部存储器。MCU块管理DSP块和通信块，其中MCU块从DSP块采集处理的数据，并把该信息传递给通信块。滤波与/或聚焦照射辐射和接收的信号的装置例如信号滤波器或单色仪可以被MCU块控制。MCU块还可以进行数据的统计分析，并且可以启动报警设置。例如，如果测试试样的浑浊程度超过一个预定值，则可以启动报警设置，其中这个报警启动可以包括采集试样供更详细的分析，或把报警启动通知操作人员。在需要对DSP块的软件进行更新的情况下，例如匹配滤波程序的修改，MCU块例如可以管理DSP代码的远程软件更新。包括在MCU块中的MCU芯片的类型可以根据要被处理的信息量而改变，如本领域技术人员公知的。在一个实施例中，MCU芯片使得其能够控制两个精密的双极直流电动机的接口，其中电动机接口可以选择地和MCU芯片的插脚隔离，以限制例如破坏MCU芯片的危险。在另一个实施例中，MCU芯片可以具有多个普通的输出插脚，其可用于附加的装置，例如控制阀、温度传感器或由信号处理系统控制的传感系统外部的其它形式的传感器。在一个实施例中，MCU芯片的编程可以由ISP接口来提供，该接口可以由通信块提供，如前所述。在本发明的另一个实施例中，MCU块还包括FPGA(现场可编程的门阵列)芯片与/或CPLD(复杂的可编程的逻辑装置)芯片，实时时钟以及复位芯片，其中FPGA/CPLD是可再编程的集成电路，其对系统提供附加的功能，例如地址译码逻辑，板复位逻辑与/或专用算法。
可独立操作的信号处理系统的数字和模拟电源块可以提供稳压直流电源，根据可独立操作的信号处理系统的要求其具有多个电压等级。在一个例子中，对这个可独立操作的系统的输入功率可以由未被调节的或不稳定的电源例如墙壁插头来提供。数字和模拟电源块可以调节输入功率并随后产生用于可独立操作的信号处理系统的每个元件的所需的模拟和数字电压值。作为例子，能够进行输入功率的调节的元件包括变压器，AC-DC变换器，或任何其它功率调节元件，如本领域技术人员公知的。数字和模拟电源块还可以提供电池备份电路和电源故障检测电路。
可独立操作的信号处理系统具有在其上运行的各种软件，其中一般被称为固件，其使得可独立操作的系统具有其功能。本领域普通技术人员应当理解，在可独立操作的信号处理系统的任何一个配置上可以存在或不存在特定类型的固件，其中所需的固件可以根据特定的可独立操作的信号处理系统的所需的功能被确定。例如，可以在可独立操作的系统上运行的固件的功能可以从包括以下的功能的组中选择：基于所需的编码功能例如BPSK原理的信号传输和检测；用于进行信号能量的接收的编码脉冲的初始清除的数字滤波；用于进行接收的编码脉冲的二次清除的自相关；基于自相关结果的信噪估计；微控制器/DSP通信接口软件；微控制器/串行通信接口软件；用于编码译码的软件驱动；微控制器的加载软件，其被设计用于读出16进制文件并利用文件的内容例如关于DSP功能的指令对DSP加载；FPGA/CPLD软件，其被设计用于产生用于连接微控制器、多个网络控制器和外部存储器芯片的胶合逻辑；使得能够进行拨号与/或无线调制解调的操作的微控制器的驱动程序。
在本发明的一个实施例中，可独立操作的信号处理系统的示意图如图5所示。这种信号处理系统包括DSP块1010，发射器和接收器块1000，微控制器块(MCU)1020和通信块1030。DSP块包括以下元件：用于从检测器接收的信号的模拟低通滤波器，模数转换器，数模转换器和用于被发送到能源的控制信号的模拟低通滤波器。DSP块包括以下元件：窄带数字滤波器组，求和模块，滤波器脉冲周期缓冲器，脉冲代码相关器和信号强度检测器。在这种可独立操作的信号处理系统中的这些元件之间的相互关系例如和图2所示的类似。
弱信号检测
弱信号检测根据按照本发明的信号处理系统和光学传感系统的互连进行说明。用于弱信号的检测的这些技术同样适用于和其它的传感系统互连的信号处理系统，例如光声传感系统或X射线传感系统。本领域的普通技术人员应当容易理解如何把这些弱信号检测技术集成在和其它传感系统一道使用的信号处理系统中。
在一个实施例中，使用音调编码方法进行信号编码，这是因为其简单以及相对于复杂性能够产生合理的噪声抑制程度。在这个实施例中，主要考虑进行一次测量所需的时间量。这由以下确定：1)用于获得用于频域转换的试样所需的时间量，其基本上是所需的采样数量除以采样速率，以及2)在带通滤波器技术的情况下滤波器带宽，其基本上是滤波器带宽的倒数。
和电信号带宽折衷的是相对于噪声的观察时间。当带宽增加时，观察时间被减少，噪声功率和带宽成比例地增加。噪声的任何增加都减少检测器的灵敏度。用于扫描关心的区域的总的处理时间可以由T＝Nτ确定，其中τ是在一个波长下用于一个测量的时间。在观察时间中两个关键的变量是传感器滤波器带宽和电滤波器带宽。
T的粗略的一阶计算的一个例子可以借助于以下的假设进行：1)分辩在250nm-800nm范围内的光谱，2)10nm的光学分辨率带宽，以及3)10Hz的电带通滤波器BW，因此τ＝0.10秒。利用这些假设，扫描时间是151.25秒，或大约2.5分。
在许多实施例中，检测反应辐射特征的频率是主要目标。这些反应特征是由和入射信号不同的测试发出的频率。例如，荧光便是一种反应辐射。这种反应辐射一般比反射光弱得多。要求传感系统的光谱分辨率能够在反射的波长和荧光波长之间进行识别。这可以通过使用具有可变孔径的棱镜与/或光栅单色仪来实现，它们抑制杂散的辐射。
对于要被充分分解的光学特征，信号处理系统必须能够检测非常弱的信号，其来自被检测器检测的光辐射。最后，目标是能够在由于电噪声、光学背景辐射和来自测试试样的频带外的发射(由于光谱仪的光谱分辨率)而存在的噪声背景中检测非常弱的信号。
光谱特征的测量中的其它的变量包括：a)测试试样被照射的持续时间间隔；b)在测试试样的第一表面上的照射的幅值；c)噪声变量的幅值；d)在照射中光谱随时间的偏移；以及e)在测试试样的照射被中断之后由测试试样发出的荧光的衰减。这些变量需要被寻址，以便比较不同的检测方案的性能。
在本发明的一个实施例中，接收的光的自适应滤波使得能够检测在测试试样的照射间断之后由测试试样发射的荧光的衰减强度。照射的间断可以是能量传输的完全的终止，或者是一个特定的照射波长的间断。使用由按照本发明的信号处理系统控制的传感系统，由测试试样发射的荧光的衰减的测量可以提供一种用于识别测试试样的方法。
应用于这种情况的脉冲幅值调制技术可以是照射的通断键控。检测基于在环境噪声中检测信号存在的能力。信号的可检测能力可以基于从噪声中识别信号的能力，并且一般需要比噪声大得多的信号功率(一般＞10dB)。通断键控的信号的一个例子如图6所示。在这种情况下的信噪比(SNR)是0dB，不能从包括信号和噪声的部分识别信号的噪声部分。
频域检测机构是一种基于利用恒定频率调制的信号的频率调制的检测装置。其具有超过时域检测装置例如通断键控的许多优点。即使信号和噪声的RMS幅值可以相等(SNR＝0dB)，调制信号的功率频谱密度通常比宽带噪声的功率频谱密度大得多。利用许多方法，可以使载波和噪声隔离，其中包括：a)频谱测量技术，例如DFT或FFT，以及b)利用中心频率位于调制频率的窄带滤波。
图7表示这种情况的一个例子。在这种情况下，第一信号和噪声的RMS幅值相等(SNR＝0dB)。两个其它的信号相加，它们分别具有相对于第一信号为0.50和0.1的幅值。时域信号正巧看起来完全如图6所示。不过，在频域中，第一和第二信号的峰值是明显的。这个信号的特征被掩埋在噪声中因而不能被分辨。这种检测技术在实际实施时相对简单，并且可以适用于弱信号检测系统。
脉冲编码技术(二进制的，线性的，增强的)是另一种检测方法。脉冲编码技术通常用于在存在噪声时检测非常弱的信号。它们可能比传统技术例如音调检测和脉冲幅值检测更加复杂，不过当要被检测的信号的幅值相对于噪声较弱，而除去脉冲编码之外没有可供利用的方法用来增加信噪比时，它们有时是一种选择。两种脉冲编码技术是二进制脉冲编码和线性频率调制(FM)编码。这两种技术都落在脉冲压缩和扩展频谱的领域内，并且在大量的参考文献中被描述了，其中包括Barton，DK(1978)Radars Volume 3：Pulse Compression，Artech HouseInc.。
作为一个例子，二进制脉冲编码使用1000位的同步字，其可以通过使用均匀随机数发生器并由其数据构成二进制序列来产生。脉冲被在时域中的特定位置产生，并测量相对幅值。时域相关输出的结果如图8所示。在一个幅值曲线中，可以检测所有3个脉冲。第三个和最小的信号脉冲刚好可从噪声中被识别。
线性FM脉冲压缩方案一直按照惯例在雷达系统中被使用，用于减少传输的信号的总的峰值功率，同时仍然实现大的检测范围。它们还主要出现在合成孔径雷达处理中，用于机载的和空载的成像雷达。这种编码形式是通过在时间间隔τ内线性扫描从fl到f2的载波信号(对于Δf的扫描带宽)。一般地说，线性FM编码信号的“输出功率”增加时间带宽的乘积(TBP)Δfτ，这是以秒计的脉冲持续时间和以赫兹计的扫描带宽的乘积。这种检测处理基本上是一种匹配滤波检测器，其和线性FM传输脉冲匹配。总的处理如图9所示。信号s(t)可以是迪拉克Δ(Dirac Delta)函数，实际上是用于编码器h(t)的触发脉冲，其产生传输信号U(τ，Δf)，这是线性FM编码的脉冲(或调频脉冲)，其具有持续时间τ和带宽Δf。这是用于驱动发生器以照射测试试样的信号。在系统以及电子电路中噪声n(t)被加于编码信号上。该信号被检测器检测，检测器的电输出信号包括所关心的实际信号，系统背景噪声和检测器与电子电路中的电噪声。匹配滤波检测器接着处理这个电信号。因为所关心的信号仅仅是和匹配滤波器匹配的信号的3个分量中的一个，其是由于线性FM脉冲编码而经历增益的唯一元件。系统和电噪声分量相对于编码信号基本上被抑制。这是这种方法的优点。线性FM调频脉冲输出如图10所示。在幅值曲线中，只有最大的两个脉冲可被检测到，第三个基本上被掩埋在噪声中。这个例子用图说明由线性FM脉冲压缩技术提供的编码增益。
增强的脉冲编码技术的优点是，通过增加时间带宽的乘积，可以实现较大的编码增益。使用这种技术，最弱的时域脉冲也能成为可视的。
具有200的TBP的原始情况的曲线示于图11，具有800的TBP的新的情况示于图12。时间带宽乘积的增加足够大地增加了编码增益，使得第三和最弱的脉冲现在在固有噪声电平以上是可见的。编码增益从23.0dB增加到29.0dB，或者总的增加为6.0dB。在两个曲线中，功率对于位于试样100的峰值被标称化了。在TBP从200到800的进展中固有噪声电平的下降是显然的。
为了进一步说明该点，图13示出了2250的TBP的曲线。为了比较这个大的时间带宽乘积检测方法和其它的编码技术，一个时域幅值曲线示于图14，其中示出了检测器幅值。噪声幅值将被抑制
Figure A20048001049900221
或者大约47.4。脉冲1的峰值幅值是2505，脉冲2的是1252，脉冲3是250。噪声幅值和关于峰值1的信号的相同，因此噪声幅值将被抑制为大约52的水平。由图14可见，大约是这种情况。由于实现的大的噪声抑制，关于脉冲3的信号相对于噪声背景是清楚可见的。和图4的情况TBP＝2250，其中脉冲3是可见的相比，当图10的情况TBP＝375时，其中脉冲3是不可见的，这是显然的。
较高的时间带宽乘积可用于实现较高的编码增益，不过根据用于实现信号编码的方法这些可能被限制。机械断续器(chopper)将受到在断续器轮上复制线性FM代码的能力的限制，而声光调制器能够实现较高的TBP，但是成本高得多。
例子
例1：和光学系统集成的信号处理系统
在这个例子中，按照本发明的信号处理系统和光学系统集成。组合的检测和信号处理系统包括作为照射光源的发光二极管(LED)，其被所述信号处理系统控制以发射范围从380nm到500nm的辐射带宽；b)步进电机控制的光栅单色仪，其被所述信号处理系统控制以接收来自照射装置的光，并在脉冲序列中输出第N个波长；c)光纤探针，其和单色仪耦连，所述单色仪具有准直和聚焦元件，对测试试样输出第N个波长，所述测试试样位于一个装置内，所述装置利用采集光学系统的方位对照射光学系统定向，使得它们彼此成一个恒定的角度；d)采集装置，用于收集第N个波长的结果的辐射，并通过和步进电机控制的光栅检测单色仪耦连的光采集透镜与光纤输出信息，所述单色仪也被信号处理系统控制用于波长隔离；以及e)光检测器例如Ga-As集成光二极管和放大器。
这种信号处理系统还使得能够产生照射调制编码信号，其使用32位的线性FM脉冲编码技术进行照射的脉冲编码。检测脉冲编码是利用和使用的编码技术匹配的匹配相关接收器分辨时间带宽乘积，并且辐射的特定幅值的检测可以提示信号处理系统运行一个特定的程序以测试特定的信号响应特性。例如，荧光和反射系数可以根据照射的波长的限制来测量。
和光学传感系统集成的本发明的信号处理系统的这个例子使得能够检测通过利用特定波长照射试样而从测试试样发出的反射和荧光。
例2：和用于分析流体试样的光学系统集成的信号处理系统
在按照本发明的信号处理系统的另一个例子中，集成有被设计用于进行流体试样分析的光学系统，例如用于检测在流动的水的试样中的混浊度与/或生物量。这种形式的信号处理系统和光学系统例如也可以用于分析石油试样。在光学系统的这个实施例中，检测和评价在测试试样的光谱特性的改变。
图15表示用于水分析的按照这个例子的集成的系统。所示的集成的系统包括信号处理系统600，LED控制系统610，照射系统620，试样室或水流630，光学探针700可被置于其中，检测器光学系统640，光检测器650，光检测器电子电路660和与信号处理系统600相连的网络670。可被插入流动的水中的光学探针700包括照射系统620和检测器光学系统640，其可以被对准，以使得检测到的由被照射的水试样发射的辐射最大。
信号处理系统600包括软件和被集成在一起的硬件，使得其能够执行以下任务：信号处理，数据处理，通过使用控制逻辑而进行系统控制以及和外部网络例如互联网或局域网(LAN)通信。由这种信号处理系统进行的信号处理包括信号发生器的操作，使得能够编码照射信号(辐射)。此外，由信号处理系统使能的信号处理包括FIR匹配滤波和接收的光信号(检测到的由水试样发射的辐射)的相关滤波。由这种信号处理系统进行的数据处理可以包括采集的数据的采集、处理和分析。数据的统计分析也可以由信号处理系统进行，以便例如确定检测的辐射的特定值的返回周期。由包括在信号处理系统中的控制逻辑提供阀门的控制，以便把试样从水流中抽入试样室，并提供LED开关的控制，借以控制LED的启动。控制逻辑还可以控制光学擦净器，用于除去可能聚集和生长在光学探针上的生物污染。包括光学擦净器可以减少从试样室或水流中取出探针进行清洁的频率。信号处理系统还包括通信系统，其使得信号处理系统能够和网络相连，借以使得能够把采集的信息传输到其它的地点而不需要人员访问测试地点进行数据检索。在本实施例中，这种通信由软件和硬件提供，它们使得能够形成以太网链接。
LED控制610包括LED开关和大电流放大器，其中LED开关启动所需的LED，大电流放大器对于一个所需的强度值把可利用的电源转换成可以和LED的启动相适合的值。
光学探针700包括照射系统620和检测器光学系统640，其中该探针可被直接插入水流中或插入含有从水流提取的水的试样室中。如果探针被插入运动的水流中，则探针的形状应当被设计成对水流的分裂最小的形状。照射系统包括LED阵列和LED光学系统，用于聚焦由LED阵列产生的光子辐射。LED阵列可以是一个二极管或者是二极管的集合，借以跨过预定的波长带。在一个实施例中，在光学系统中使用绿色和蓝色发光二极管。检测器光学系统包括透镜，用于采集由水试样发射的辐射，此外还有光学低通滤波器，用于对采集的辐射预滤波，然后由光检测器650检测，以把检测的辐射转换成电子信号。
光检测器电子电路660包括滤波器的集合，其对采集的信息进行预滤波，然后由信号处理系统进行处理，例如和水试样照射有关的采集的信息的匹配滤波。
在本发明的这个实施例中，信号处理系统是一个独立操作的系统，其可以包括内部电源或电源变换器，以便信号处理系统和标准的交流电源互连，例如墙壁插座。此外，这种独立操作的信号处理系统使得能够在多个地点使用这个集成的系统，例如在水源系统中的不同的位置。通过使集成的系统的这个集合和通信网络互连，例如因特网或局域网，由这些集成的系统采集和处理的信息可以被传输到中央站，而不需要人员为收集信息而访问每个测试点。这种类型的集成系统可以提供一种效率高而成本低的用于评价水源系统的装置。
这种集成系统能够检测反射系数和荧光，其中反射系数表示水试样的混浊度，荧光表示在水试样中包含的生物物质。本领域普通技术人员公知，当试样被照射时，将发出荧光，检测荧光的强度使得能够确定在水系统内的生物物质的数量。集成系统的这个实施例评价在水流内的反射系数和荧光的改变，借以使得能够识别一些特别有关的情况。用这种方式，在检测到水流的光学特征的特定程度的改变时，信号处理系统能够启动采样处理，其中采集水流的试样以供实验室分析。这种类型的几乎连续不断的测试和选择的实验室分析可以降低用于监视水系统的费用，并提高潜在问题的识别能力。
例3：和光-声传感系统集成的信号处理系统
本发明的另一个例子集成信号处理系统和光声传感系统，所述光声传感系统使得能够调制光信号并解调和测试试样的照射产生的声信号。信号处理系统的这种集成可以提供一种用于根据对于选择的使用其它技术不能被检测的电磁辐射的声学响应识别测试试样的特征，例如用于评价光学响应。
例4：和X射线传感系统集成的信号处理系统
另一个例子是和X射线传感系统集成的信号处理系统的使用，借以使得X射线或其它的高能电磁信号可用于例如原子结构或其它特征的评价。这种类型的电磁辐射多年来被用于有机或无机材料的宽范围的分析。利用本发明的信号处理系统的这种集成，可以实现X射线检测装置的增强的检测特征。
尽管非常小的波长和目前的在原子数量级的尺寸之间的识别能力，用于调制和解调X射线信号的DSP系统的使用还是提供了用于改进X射线分析系统的机会。这些X射线检测系统包括X射线反射、X射线吸收和X射线荧光系统。
因而，已经说明了本发明的实施例，显然，这些实施例可以用许多方式加以改变。这些改变不认为脱离了本发明的范围和构思，对于本领域普通技术人员，所有这些改变显然包括在下面的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种信号处理系统，用于控制使得能够在存在噪声时进行信号检测的传感系统，所述传感系统包括能源，用于产生入射信号，发射处理系统，用于引导入射信号到测试试样上，接收的信号的处理系统，用于响应入射信号从测试试样采集一个或多个结果信号，以及检测器，用于把所述一个或多个结果信号转换成电信号，所述信号处理系统包括：
a)发射控制系统，其在操作上和所述能源以及所述接收的信号的处理系统相连，所述发射控制系统向所述能源发送第一控制信号，所述能源借以产生呈编码格式的编码的入射信号，所述发射控制系统向接收的信号的处理系统发送第二控制信号，用于控制一个或多个结果信号的采集，以便随后由检测器转换成电信号；以及
b)DSP接收信号处理系统，用于使来自检测器的电信号和编码的入射信号进行匹配关联，借以使得能够在存在噪声的情况下隔离测试试样对于向其发射的入射信号的响应。
2.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述编码的入射信号使用从包括以下调制技术的组中选择的调制技术被编码：脉冲幅值调制，脉冲频率调制，脉冲宽度调制，二进制移相键控，函数发生器或机械方法调制。
3.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述匹配相关使用窄带滤波器组和求和模块进行。
4.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，还包括使得能够和通信网络互连的集成通信模块，所述通信网络从包括以下各网络的组中选择：局域网，广域网，无线网，因特网或以太网。
5.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述传感系统能够检测包括低频到X射线的电磁信号、声信号和声信号。
6.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述测试试样是流体试样或生物试样。
7.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述测试试样是运动的。
8.如权利要求1所述的用于控制传感系统的信号处理系统，其中所述结果信号是测试试样对入射信号的反射，或者所述结果信号是由在测试试样和入射信号之间的交互作用产生的荧光。
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