CN106841086B - 一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高大气探测傅里叶红外光谱仪信噪比的方法，根据傅里叶红外光谱仪的工作原理，通过高频时钟对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零脉冲进行采样，并把每一个过零点脉冲周期细分成若干等时间间隔的子脉冲，利用细分后的子脉冲作为触发信号，实现对红外干涉信号的过采样，将采集到的红外干涉信号采样点的时间坐标信息变换成光程差坐标信息，并对过零点之间的采样数据进行等光程差插值重采样计算，对重采样后数据进行数字降采样滤波。本发明方法提高了数据采样频率并实现了数字滤波，不仅可以消除采样中的混叠噪声和量化噪声，也避免了模拟滤波元器件本身引入噪声，从而提高了光谱仪的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高光谱仪信噪比的方法。特别是对高光谱分辨率、干涉信号微弱的大气探测傅里叶光谱仪提高光谱信噪比的实现方法。
背景技术
大气探测傅里叶红外光谱仪是一种以迈克耳逊干涉仪为核心的时间调制型红外干涉仪，依靠动镜的机械摆扫运动来对光进行调制。傅里叶光谱仪只能直接得到目标物的干涉曲线，某一谱段上的能量是通过干涉图的傅里叶变换获得，所以每一个光谱波数上的信噪比和整个干涉图的信噪比相关。在光谱仪数据实际反演分析中，吸收系数的计算结果准确度依赖于探测信号对于各种影响因素的敏感程度，当影响吸收特性的信号被噪声淹没时，吸收系数的计算精度也就受到了限制，对理想情况而言，1％的反演精度需要100∶1的光谱信噪比 (SNR)。因此干涉图信噪比是傅里叶光谱仪的一个重要指标，是决定系统辐射分辨率的重要因素，对数据恢复精度有着密切关系。
实现较高的探测光谱SNR一般从两个方面入手，一是增强探测目标强度，二是减小系统噪声水平。大气成份探测利用大气对太阳光的吸收光谱，直接采用太阳光作为系统的输入辐射源，因此很难再依靠辐射源来提高探测光谱 SNR。从降低系统噪声水平的角度，傅里叶光谱仪在接收测量光谱信息的同时也接收测量了噪声信号。这些可能的噪声包括探测器噪声、辐射源光子噪声，还包括光源强度微小变化引起的噪声、外界振动干扰引入的噪声、电子线路引起的噪声、数字量化噪声等，这些变化的噪声信号会加到被测光谱信号中，使输出的光谱既包含被测光谱信号也包含噪声信号。
使用宽频率响应的探测器引入不必要的噪声会干扰正常的红外干涉信号.使傅里叶变换得到的光谱产生偏差，同时强的环境噪声还会“掩盖”光谱信号中的弱吸收峰，从而限制光谱分析的检出限。因此，必须对光谱转换前的红外干涉信号作滤波处理，尽可能消除噪声对真实信号的干扰。
传统的傅里叶光谱仪在降噪处理上采用探测器预放大之后加装高阶模拟滤波器的方法，例如采用多片MAX274芯片级连构建模拟滤波器，以阻止噪声信号进入数据采集模块，达到提高信噪比和降噪目的。
采用硬件实现高阶模拟滤波器时存在以下不足之处：
(1)受模拟滤波芯片数量和功能的限制及专用设计软件的限制，模拟滤波器设计复杂，在参数调整上非常困难；
(2)模拟滤波器元器件本身也会引入噪声；
(3)大气探测光谱仪的光谱带宽窄，系统的采样频率较低，使带外噪声容易混叠到探测光谱带内，增加了探测光谱带内的噪声，较低了信噪比；
(4)模拟滤波器无法滤除模数转换器采样引入的量化噪声。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种可有效滤除噪声，提高傅里叶光谱仪信噪比的方法。
本发明的技术解决方案是：一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，步骤如下：
(1)将周期为T0的高频时钟作为参考时钟信号，对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲进行采样，记录过零点脉冲当前周期内参考时钟的整周期个数计数值为n2，过零点脉冲当前周期的前一周期内参考时钟的整周期个数计数值为n1。所述过零点脉冲周期即为傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲周期；
(2)根据步骤(1)的n1，将当前周期的傅里叶光谱仪激光干涉信号过零点脉冲细分成若干等时间间隔的子脉冲，本发明中细分的子脉冲个数优选为4；
(3)对进入傅里叶光谱仪的红外干涉信号进行采样，红外干涉信号的采样触发信号为步骤(2)中细分后的子脉冲，采样后得到红外干涉数据；
(4)将步骤(3)中采集到的红外干涉数据的采样点时间坐标信息变换成光程差坐标信息；
(5)对步骤(4)中的红外干涉数据以每相邻的过零点之间为一数据段，进行多项式插值计算，并按等光程差重采样，得到重采样数据；
(6)对步骤(5)中重采样数据进行降采样数字滤波，得到去噪声的红外干涉数据。
所述步骤(2)中将当前周期的傅里叶光谱仪激光干涉信号过零点脉冲细分成若干等时间间隔的子脉冲的方法为：将前一周期内过零点脉冲的参考时钟计数值n1当作当前过零点脉冲周期的时间间隔，则对当前过零点脉冲周期τ0等分 (本专利中τ0＝4)，新的子脉冲周期为int为取整。
所述步骤(4)中红外干涉数据的采样点时间坐标信息变换成光程差坐标信息的方法为：转换公式为OPD＝8Rωt，其中，OPD为光程差坐标信息，R为发出激光干涉信号的傅里叶光谱仪的摆臂长，ω为发出激光干涉信号的傅里叶光谱仪的摆臂转动角速度，t为时间坐标信息。
所述步骤(5)中多项式插值重采样的方法为：把每一个周期过零点脉冲作为一个插值区间，对当前周期过零点脉冲τ0等分，则插值区间内共有τ0个红外干涉采样数据，加上插值区间下边界的一个红外干涉采样数据，共τ0+1个红外干涉采样数据作为本区间的插值点进行多项式插值，计算插值函数L(x)，并按照等光程差对插值函数L(x)进行重采样，得到重采样数据，重采样点数为τ1；
所述的步骤(6)中降采样数字滤波的方法为：将每一个周期过零点脉冲内按照等光程差重采样的τ1个数据进行求均值，此均值作为当前周期过零点脉冲的输出值，则把采样数据由τ1个降采样为1个。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法完全是在数字处理器内实现，处理的均为数字量的数据，避免了复杂的模拟电路设计，简化了系统的设计难度；
(2)本发明方法将傅里叶光谱仪激光干涉信号过零点脉冲细分，提高了光谱仪系统的采样数据率，增加了系统的采样带宽。根据采样定理模数转换的信号频带必须带宽限到采样频率的一半，否则便会产生混叠，然而实际应用中，红外干涉信号不是窄带信号，且宽带的加性噪声占据了高频区域，这些噪声分量也会使采样结果发生混叠，本发明方法通过提高采样频率，使带外噪声混叠到探测光谱频带以外，降低了探测光谱频带内的噪声，提高了系统的信噪比；
(3)本发明方法对红外干涉信号进行采样时，利用激光干涉信号过零点位置作为触发采样的采样点，即在每一个激光干涉信号过零点位置都会采集到红外干涉数据，避免了各过零点数据的相位漂移，提高探测光谱数据恢复精度；
(4)本发明方法的降采样滤波器有二个作用，一是滤除过采样后的随机噪声，减小量化噪声的功率；二是相对于最终的采样率它必须起到抗混叠滤波器的作用。本发明所采用算数平均滤波器，结构简单易于实现，滤波器可选择更大阶数，且滤波的过渡带可以很窄，不存在模拟滤波器过渡带过宽的弊端，并且不会引入额外的噪声；
(5)量化噪声是模拟信号到数字信号转换过程中不可消除的噪声，是系统中模数转换器固有的噪声，本发明方法是在红外干涉信号模数转换之后实现，可以滤除红外干涉信号量化所固有的随机噪声，提高系统的信噪比。
附图说明
图1为本发明一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法实现框图；
图2为本发明激光干涉过零点脉冲周期计数时序图；
图3为本发明激光干涉过零点脉冲周期细分流程框图；
图4的(a)为光谱仪采用传统方法设计采集到的系统噪声测试曲线；(b) 为光谱仪采用本发明方法采集到的系统的噪声测试曲线；
图5(a)为光谱仪采用传统方法设计，傅里叶变换后的光谱曲线，(b)为光谱仪采用本发明方法采集红外干涉数据经傅里叶变换得到的光谱曲线；
图6(a)为光谱仪采用传统方法设计得到的红外干涉信号光谱信噪比曲线，(b)为光谱仪采用本发明方法设计得到的红外干涉信号光谱信噪比曲线。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种提高大气探测傅里叶红外光谱仪信噪比的方法，根据傅里叶红外光谱仪的工作原理，通过高频时钟对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零脉冲进行采样，并把每一个过零点脉冲周期细分成若干等时间间隔的子脉冲，利用细分后的子脉冲作为触发信号，实现对红外干涉信号的过采样，将采集到的红外干涉信号采样点的时间坐标信息变换成光程差坐标信息，并对过零点之间的采样数据进行等光程差插值重采样计算，对重采样后数据进行数字降采样滤波。本发明方法提高了数据采样频率并实现了数字滤波，不仅可以消除采样中的混叠噪声和量化噪声，也避免了模拟滤波元器件本身引入噪声，从而提高了光谱仪的信噪比。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
傅里叶光谱仪为了得到高精度的光谱，必须进行等光程差采样。通常采用 He-Ne激光作为参考光源产生激光干涉信号，去除直流分量后激光干涉信号过零点触发采样得到均匀抽样干涉图。如图1所示，为本发明一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法的实现框图。首先利用高频时钟对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲进行采样，并把每一个周期过零点脉冲细分成若干等时间间隔的子脉冲，利用细分后的子脉冲作为采样触发信号，实现对红外干涉信号的过采样，将采集到的红外干涉信号采样点的时间坐标信息变换成光程差坐标信息，并对过零点之间的采样数据进行等光程差插值重采样计算，对重采样后数据进行降采样数字滤波，实现提高红外干涉数据的信噪比。
1、过零点脉冲周期细分
如图2所示，以周期为T0的高频参考时钟Clk1作为测量参考时钟，在激光干涉信号的起始时刻(对应参考时钟的P点)和结束时刻(对应参考时钟的Q 点)之间的时间间隔Ti可表示为：
Ti＝niT0+ta-tb (1)
式(1)中ni表示在第i个激光干涉信号过零点脉冲时间间隔Ti内参考时钟信号的整周期个数，在处理器中可由一个计数器来实现对ni的测量，即当激光干涉信号的过零点脉冲下降沿到来时打开计数器Counter1，在参考时钟Clk1上升沿触发Counter1计数加1，当下一个过零点脉冲下降沿到来时Counter1计数结束，保存Counter1计数结果并对其清零，同时计数器Counter2开始计数，计数器Counter1和Counter2二者交替计数实现对每一个周期过零点脉冲的测量。过零点脉冲下降沿到来的时刻是随机的，与参考时钟上升沿相差时间间隔分别为ta、tb，它的极限值是±T0，即Ti＝(ni±1)T0。把当前激光干涉信号过零点脉冲时间间隔计时定义为T2＝(n2±1)T0，前一次激光干涉信号过零点脉冲时间间隔计时定义为T1＝(n1±1)T0，因为光谱仪动镜的摆臂在连续两个过零点脉冲周期内速度不会突变，因此可以将前一次过零点脉冲的参考时钟计数值n1作为当前周期过零点脉冲被细分的时间间隔，而当前周期过零点脉冲的参考时钟计数值n2在计时完成后，作为下一周期过零点脉冲被细分的时间，依此类推。对每个过零点脉冲周期τ0等分，则新的子脉冲周期为int为取整。以周期为 T0/2的高频时钟Clk2作为子脉冲产生时钟，由计数器Counter3来实现占空比为50％的子脉冲，如图3所示，实现方法如下(定义过零点脉冲为FPulse)：
(1)初始化计数器Counter3计数长度
(2)用Clk2时钟对激光干涉信号的过零点脉冲采样，检测到过零点脉冲下降沿时计数器Counter3清零，标志位Flag清零，子脉冲信号SPulse为高；
(3)在参考时钟Clk2上升沿触发Counter3计数加1；判断Counter3的计数值，当Counter3<A时，SPulse<＝SPulse AND(Not FPulse)，否则SPulse<＝ (Not SPulse)AND(Not FPulse)，且Counter3计数值清零，标志位Flag加1；
(4)判断标志位Flag值，如果Flag小于2τ0则返回(3)，否则Counter3计数值保持不变，返回(2)；
2、红外干涉数据的采样点时间坐标信息变换成光程差坐标信息
由于大气探测光谱仪的双镜运动摆臂型式，加上端镜作用，使得整个光路的最大光程与机械行程之间形成了8：1的关系，当光谱仪摆臂转动θ角度时，则光程差为：
OPD＝8R sinθ(t) (2)
其中，OPD为光程差，R为光谱仪摆臂长。考虑到摆臂的摆动角度范围很小，sinθ(t)近似等于θ(t)，则可近似有如下关系：
OPD≈8Rθ(t)＝8Rωt (3)
其中，ω为角速度，t为时间。根据公式(3)可以把红外干涉数据采样点的时间信息转换成光程差信息。
3、多项式插值重采样
在利用激光干涉信号的过零点脉冲细分后的子脉冲对红外干涉信号采样时，是以时间刻度为基准的采样，由于光谱仪摆臂速度的抖动和过零点脉冲细分时误差的存在，会导致采样点的间隔并不是等光程差，因此需要将过零点周期内的采样数据按照等光程差重新采样，用多项式去逼近原始的红外干涉信号变化规律，再利用这一规律，计算插值区间内重采样的值，重新采样的方法如下。
把每一个激光干涉信号过零点采样周期作为一个插值区间，则插值区间内共有τ0个红外干涉信号的采样数据，加上插值区间下边界的一个采样数据，共τ0+1个数据作为本区间的插值节点进行多项式插值，则插值区间内的离散数据可表示为其中xi表示第i节点的光程差，yi表示第i节点的采样值即红外干涉数据幅值。则n阶拉格朗日插值多项式Ln是基函数l0,l1,...,ln的线性组合：
式中：
因本发明中τ0＝4，选择拉格朗日插值多项式的阶数n＝4。根据公式(4)和公式(5)，对于插值区间内任意光程差的位置，都可计算出其干涉数据的幅值。本发明中重采样的采样率不变，仍为每个插值区间有τ0个采样数据，但采样位置和原始数据发生变化，按照在插值区间内等光程差的间隔重新采样。
4、降采样数字滤波
对光谱仪采样系统而言，根据公式(4)进行的重采样是一种过采样处理，系统的随机噪声频带将被展开，需要用低通滤波器将信号的带外噪声滤除，才能提高系统的信噪比。同时，为减小数据量，低通滤波后的信号需要被降采样，降采样后数据采样频率下降，为使信号不发生混叠，需要用低通滤波器将二分之一采样频率外的噪声滤除，理论上，可将这两个低通滤波器合并成一个降采样低通滤波器。降采样数字滤波器的作用有两个：一是滤除过采样后的随机噪声，减小量化噪声的功率；二是相对于最终的采样率它必须起到抗混叠滤波器的作用。
低通滤波器的选择，在满足设计要求的前提下，需要从计算效率、实现难易程度以及系数存储量来考虑。算数平均滤波器隶属于FIR滤波器，是一种简单高效的低通滤波器，本发明采算数平均滤波器作为降采样滤波器。
由上述可知，根据公式(4)进行重采样后，每个插值区间内为τ0个采样数据，对插值区间内的数据进行数学平均作为其信号输出。其滤波公式定义如下：
其中yn为输出信号，xn+i为输入信号，N为滤波的点数，本发明中N＝τ0。公式(6)的滤波器实现的下抽取率与滤波器长度相等为N，即每个激光干涉信号的过零点采样周期只输出一个数据。本发明中N＝4，将4个连续的采样值累加，在完成累加后，将累加和右移2位即为本次滤波输出值，本发明中的滤波器并不需要乘法器来完成滤波运算，并且不需要存储器来保存滤波系数。
利用FPGA实现本发明的方法，并在某傅里叶光谱仪上进行测试。为了简单、客观的对本发明方法进行评价，这里采用实施本发明方法前后的系统噪声测试曲线、红外干涉信号的光谱曲线、红外干涉信号的光谱信噪比(SNR)三个指标进行比较。
图4给出傅里叶光谱仪在全黑条件下噪声，图4(a)为光谱仪采用传统方法设计采集到的系统噪声，噪声幅值主要集中在-8DN～8DN之间。图4(b)为光谱仪采用本发明方法采集到的系统的噪声，噪声幅值主要集中在-5DN～5DN 之间，从图4(b)中可以看出，采用本发明方法系统的噪声得到明显的抑制。
图5给出了傅里叶光谱仪采集到的红外干涉信号经傅里叶变换后的光谱曲线，图5(a)为光谱仪采用传统方法设计，傅里叶变换后的光谱曲线，图5(b) 为光谱仪采用本发明方法采集红外干涉数据经傅里叶变换得到的光谱曲线，从两图对比可看出，虽然二者都能很好分辨出不同波数的吸收光谱，但图5(b)的光谱噪声要低于图5(a)(光谱平坦的部位幅值较窄)，由此可以看出系统的性能得到了改善。
图6为在相同辐照强度下，采用本发明方法前后红外干涉信号的光谱信噪比曲线，图6(a)为光谱仪采用传统方法设计，得到的红外干涉信号光谱信噪比曲线，图6(b)为光谱仪采用本发明方法设计，得到的红外干涉信号光谱信噪比曲线，由图6可以看出，在相同波数情况下，图6(b)中的光谱信噪比要较图6(a)中的光谱信噪比得到提高，说明采用本发明方法傅里叶光谱仪的信噪比得到提高。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，其特征在于步骤如下：
(1)将周期为T0的高频时钟作为参考时钟信号，对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲进行采样，记录过零点脉冲当前周期内参考时钟的整周期个数计数值为n2，过零点脉冲当前周期的前一周期内参考时钟的整周期个数计数值为n1，所述过零点脉冲周期即为傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲周期；
(2)根据步骤(1)的n1，将当前周期的傅里叶光谱仪激光干涉信号过零点脉冲细分成若干等时间间隔的子脉冲；
(3)对进入傅里叶光谱仪的红外干涉信号进行采样，红外干涉信号的采样触发信号为步骤(2)中细分后的子脉冲，采样后得到红外干涉数据；
(4)将步骤(3)中采集到的红外干涉数据的采样点时间坐标信息变换成光程差坐标信息；
(5)对步骤(4)中的红外干涉数据以每相邻的过零点之间为一数据段，进行多项式插值计算，并按等光程差重采样，得到重采样数据；
(6)对步骤(5)中重采样数据进行降采样数字滤波，得到去噪声的红外干涉数据。
2.根据权利要求1所述的一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，其特征在于：所述步骤(2)中将当前周期的傅里叶光谱仪激光干涉信号过零点脉冲细分成若干等时间间隔的子脉冲的方法为：将前一周期内过零点脉冲的参考时钟计数值n1当作当前过零点脉冲周期的时间间隔，则对当前过零点脉冲周期τ0等分，新的子脉冲周期为int为取整。
3.根据权利要求1所述的一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，其特征在于：所述步骤(4)中红外干涉数据的采样点时间坐标信息变换成光程差坐标信息的方法为：转换公式为OPD＝8Rωt，其中，OPD为光程差坐标信息，R为发出激光干涉信号的傅里叶光谱仪的摆臂长，ω为发出激光干涉信号的傅里叶光谱仪的摆臂转动角速度，t为时间坐标信息。
4.根据权利要求1所述的一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，其特征在于：所述步骤(5)中对步骤(4)中的红外干涉数据以每相邻的过零点之间为一数据段，进行多项式插值计算，并按等光程差重采样，得到重采样数据方法为：把每一个周期过零点脉冲作为一个插值区间，对当前周期过零点脉冲τ0等分，则插值区间内共有τ0个红外干涉采样数据，加上插值区间下边界的一个红外干涉采样数据，共τ0+1个红外干涉采样数据作为本区间的插值点进行多项式插值，计算插值函数L(x)，并按照等光程差对插值函数L(x)进行重采样，得到重采样数据，重采样点数为τ1。
5.根据权利要求1所述的一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，其特征在于：所述的步骤(6)中对步骤(5)中重采样数据进行降采样数字滤波，得到去噪声的红外干涉数据方法为：将每一个周期过零点脉冲内按照等光程差重采样的τ1个数据进行求均值，此均值作为当前周期过零点脉冲的输出值，则把采样数据由τ1个降采样为1个。
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