基于热响应建模和卡尔曼滤波的纳米机械光热传感优化信号估计
应用物理
2024-05-29 v2
摘要
我们提出了一种用于光热传感中微纳机械系统的高级热响应模型，旨在平衡速度与精度。该模型考虑了由光热加热触发的纳米机械元件和支撑芯片的两个时间常数，通过卡尔曼滤波实现精确的光热输入信号估计。通过整合传热和噪声模型，我们应用了一种针对FPGA系统优化的自适应卡尔曼滤波，可用于实时或离线处理。该方法用于步进扫描模式下使用纳米机械谐振器和量子级联激光器(QCL)的光热红外(IR)光谱，提高了响应速度，超越了标准低通滤波器，减少了漂移和随机游走的影响。分析计算表明，热膨胀系数之比对频率响应有显著影响。自适应卡尔曼滤波利用QCL的输入特性，加速了系统响应，实现了快速精确的红外光谱生成。使用莱文贝格-马夸尔特算法和PSD分析进行系统辨识进一步优化了我们的方法，有望实现快速准确的纳米机械光热传感。
引用
@article{arxiv.2405.15938,
title = {Optimized Signal Estimation in Nanomechanical Photothermal Sensing via Thermal Response Modelling and Kalman Filtering},
author = {Hajrudin Bešić and Andreas Deutschmann-Olek and Kenan Mešić and Kostas Kanellopulos and Silvan Schmid},
journal= {arXiv preprint arXiv:2405.15938},
year = {2024}
}