CN107990983B - 一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法 - Google Patents

Abstract

一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，对探测器探测到得所有窄谱段干涉信号进行采集，通过对过采样干涉数据进行滤波处理，并对滤波后干涉数据进行欠采样及数据光谱复原完成光谱领域的探测采集过程，克服了现有硬件采集电路探测效率低下，干涉数据量过大导致测量、处理困难的问题，能够在保证光谱细分及硬件处理系统不变的情况下，完成不同谱段不同滤波通道及参数的相互切换，可靠性高、硬件成本低、便于调试，扩展性强。

Description

一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法

技术领域

本发明涉及一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，属于光谱探测领域。

背景技术

在基于FTS的光谱探测领域中，随着技术的发展和探测效率需求的提高，探测器由单元型向多元型、线型甚至小面阵型发展，干涉信号则随之剧增，而随之而来的是干涉数据量的极大增加。在现有技术中，为解决这个问题，通常采用硬件电路来实现干涉信号的采样及处理，根据信号带宽，设定抗混叠带通滤波器，避免噪声混叠，再利用低频的采用信号对信号进行欠采样，从而降低数据量。

采用硬件电路方案的问题在于：随着探测器的类型不断发展，干涉数据量的增加，数据率将超出卫星数传所分配的数传能力，难以满足载荷的数传指标要求；同时为提高光谱信噪比，光谱仪系统通常采用光谱细分的方案，而窄谱段的干涉信号一般通过光谱细分的实现方法即在探测器前增加滤光轮，将本来较宽的谱段变成若干窄谱段，故硬件电路上要根据谱段进行抗混叠带通滤波通道的设置，不同的谱段设置不同的滤波通道及参数，且需要能够完成相互切换，欠采样频率也需做相应的变换，转换的难度及设计复杂程度过高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中在硬件设备上进行干涉信号的采样及处理过程中容易遇到的设备设计复杂程度过高，数据率太大难以满足载荷数传指标要求的问题，提供了一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：对探测器探测到的窄谱段干涉信号进行过采样信号采集，将过采样采集得到的信号传送到过采样系统中生成过采样干涉数据Data_i并发送至带通数字滤波器；

步骤二：根据步骤一中过采样采集得到的任一谱段B_i的干涉信号，计算该谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i；

步骤三：根据步骤二计算所得谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i，对过采样干涉数据Data_i进行抗混叠滤波处理，得到滤波后的干涉数据Data_iF；

步骤四：根据采样抽取率N_i对步骤三所得的干涉数据Data_iF进行欠采样抽取，得到欠采样抽取后的数据Data_{iF_us}；

步骤五：对步骤四所得欠采样抽取数据Data_{iF_us}进行光谱复原，确定光谱复原系数n_i并得到该谱段的信号真实带宽B_i；

步骤六：重复步骤二至步骤五，完成全部谱段干涉信号的数字欠采样及光谱复原。

所述过采样系统带宽为B_W，确定步骤如下：

(1)根据窄谱段干涉信号中的干涉仪光程差扫描速度v和所有谱段中的最大波数υ_max得到所有谱段中最高信号频率分量f_max，计算公式如下：

f_max＝υ_max*v

(2)根据计量激光的波数υ_laser和扫描速度v计算采样频率f_s，计算公式如下：

f_s＝υ_laser*v

(3)从区间(B_WS，f_s/2)中选取带宽B_W，其中B_WS为过采样系统最小带宽。

所述步骤二中谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i的计算步骤如下：

(a)根据某一谱段B_i的干涉数据计算该谱段的最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}，计算公式如下：

f_{min_i}＝υ_{min_i}*v

f_{max_i}＝υ_{max_i}*v

其中，υ_{min_i},、υ_{max_i}分别为该谱段的最小波数、最大波数；

(b)根据步骤(a)中所得最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}计算该谱段信号带宽ΔB_i，计算公式如下：

ΔB_i＝f_{max_i}-f_{min_i}

(c)根据带宽ΔB_i计算欠采样抽样率N_i，计算公式如下：

N_i需同时满足关系式：

所述步骤三中抗混叠滤波处理时滤波器参数设计满足条件如下：

(a)低端截止频率f_{CL_i}和高端截止频率f_{CH_i}设定应满足：

(b)控制干涉信号在[f_{CL_i},f_{CH_i}]频率区间之外的带外信号衰减在10dB到20dB之间；

(c)控制在[f_{min_i},f_{max_i}]频率区间内响应平坦度在0.1dB到0.8dB之间；

所述步骤四中干涉数据的欠采样抽取的欠采样频率f_{i_us}的计算方法如下：

f_{i_us}＝f_s/N_i。

所述步骤五中进行光谱复原的步骤如下：

(a)对步骤四所得欠采样抽取数据B_{i_us}进行傅里叶变换，得到差频ΔB′_i；

(b)根据谱段B_i的频率最小值f_{min_i}、欠采样频率f_{i_us}确定光谱复原系数n_i，计算公式如下：

n_i＝[2f_{min_i}/f_{i_us}]；

(c)此时若光谱满足如下条件：

当n_i＝0,2,4,…等偶数时，

当n_i＝1,3,5,…等奇数时，

所述抗混叠滤波处理时，滤波器窗口形式为巴特沃斯型。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过对设置同一种硬件抗混叠滤波参数来适应所有谱段的干涉信号，有效降低了硬件系统的复杂度，便于进行基于微封装的小型化设计、降低硬件成本并节约调试时间；

(2)本发明通过对获取的过采样干涉数据进行数字抗混叠滤波及数字欠采样，避免了带外噪声的混叠，提高了光谱信噪比，降低了系统数据的输出量，并有效降低了对空间载荷中有限的数据传输能力的需求；

(3)本发明摒弃了现有技术中对干涉数据依靠硬件系统进行采集和处理的方法，采用软件编程为主，硬件采集为辅的处理方式，通过软件编程的方法进行数据处理和算法的实现，方案实施灵活、便于调试，功能扩展性强。

附图说明

图1为发明提供的工作流程示意图；

图2为发明提供的过采样信号采集频域示意图；

图3为发明提供的数字带通滤波的带宽设定示意图；

图4为发明提供的真实信号带宽与欠采样信号带宽示意图；

图5为发明提供的信号真实带宽与差频对应关系图；

具体实施方式

如图1所示，一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，步骤如下：

步骤一：对探测器探测到的窄谱段干涉信号进行过采样信号采集，设计硬件过采样系统带宽B_W，设计确定步骤如下：

(1)根据窄谱段干涉信号中的干涉仪光程差扫描速度v和所有谱段中的最大波数υ_max得到所有谱段中最高信号频率分量f_max，计算公式如下：

f_max＝υ_max*v

(2)采样频率f_s由计量激光的波数υ_laser(单位cm^-1)和v决定，有

f_s＝υ_laser*v

(3)υ_laser由系统决定，为满足过采样，通常有

f_s＞2f_max

因此，如图2所示，所述硬件系统带宽B_W其设定需满足：

f_s/2＞B_W＞f_max

此外，B_W的设定还需考虑滤波器带内平坦度、带外噪声抑制程度、以及滤波器实现的难易程度；

将采集得到的信号传送到硬件过采样系统中，并生成过采样干涉数据Data_i并发送至带通数字滤波器；

步骤二：根据步骤一中采集到的某一谱段B_i的干涉信号计算该谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i，计算步骤如下；

(a)根据某一谱段B_i的干涉数据计算该谱段的最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}，计算公式如下：

f_{min_i}＝υ_{min_i}*v

f_{max_i}＝υ_{max_i}*v

其中，υ_{min_i}、υ_{max_i}分别为该谱段的最小波数、最大波数；

(b)根据步骤(a)中所得最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}计算该谱段信号带宽ΔB_i，如图3所示，计算公式如下：

ΔB_i＝f_{max_i}-f_{min_i}

(c)根据带宽ΔB_i计算欠采样抽样率N_i，计算公式如下：

其中，最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}应满足下式保证带宽ΔB_i自身不发生频率混叠：

步骤三：根据步骤二计算所得谱段B_i谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i进行窗口形式为巴特沃斯型的滤波器的抗混叠滤波设计，如图4所示，使所有频率分量落于同一个整数倍的f_s/(2N_i)区间，设计条件及步骤如下：

(a)选定合理的低端截止频率f_{CL_i}及高端截止频率f_{CH_i}，所述低端截止频率f_{CL_i}和高端截止频率f_{CH_i}满足：

(b)根据所选的端截止频率f_{CL_i}及高端截止频率f_{CH_i}计算归一化通带截止频率，计算公式如下：

ω_nH＝2f_{CH_i}/f_s

(c)控制干涉信号在[f_{CL_i},f_{CH_i}]频率区间之外的带外信号衰减在10dB到20dB之间；

(d)控制在[f_{min_i},f_{max_i}]频率区间内响应平坦度在0.1dB到0.8dB之间；

(e)对滤波器采用基于窗口的有限冲击响应滤波器设计，获得滤波器系数向量V；

(f)将过采样数据与系数向量V进行卷积，完成滤波器的抗混叠滤波设计。

将过采样干涉数据Data_i在带通数字滤波器进行抗混叠滤波处理，得到滤波后的干涉数据Data_iF；

步骤四：对步骤三所得的滤波后的干涉数据Data_iF进行欠采样抽取，其中，干涉数据的欠采样抽取的欠采样频率f_{i_us}的计算方法如下：

f_{i_us}＝f_S/N_i

根据欠采样频率，每N_i个干涉数据抽取一个，最终得到欠采样抽取数据Data_{iF_us}并发送至数据上位机。

步骤五：对步骤四所得数据上位机中欠采样抽取数据B_{i_us}进行光谱复原，得到该谱段的信号真实带宽B_i并确定光谱复原系数n_i，进行光谱复原的步骤如下：

(a)对步骤四所得欠采样抽取数据B_{i_us}进行傅里叶变换，得到差频ΔB′_i；

(b)根据谱段B_i的频率最小值f_{min_i}、欠采样频率f_{i_us}确定光谱复原系数n_i，计算公式如下：

n_i＝[2f_{min_i}/f_{i_us}]；

(c)此时若光谱满足如下条件：

当n_i＝0,2,4,…等偶数时，

当n_i＝1,3,5,…等奇数时，

则光谱复原完成，信号真实带宽与差频对应关系如图5所示，完成数据欠采样；

步骤六：对其它所有谱段采取步骤二至步骤五的处理。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：对探测器探测到的窄谱段干涉信号进行过采样信号采集，将过采样采集得到的信号传送到过采样系统中生成过采样干涉数据Data_i并发送至数字带通滤波器；

步骤二：根据步骤一中过采样采集得到的任一谱段B_i的干涉信号，计算该谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率Ni；

步骤三：根据步骤二计算所得谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i，对过采样干涉数据Data_i进行抗混叠滤波处理，得到滤波后的干涉数据Data_iF；

步骤四：根据采样抽取率N_i对步骤三所得的干涉数据Data_iF进行欠采样抽取，得到欠采样抽取后的数据Data_{iF_us}；

步骤五：对步骤四所得欠采样抽取数据Data_{iF_us}进行光谱复原，确定光谱复原系数n_i并得到该谱段的信号真实带宽B_i；

步骤六：重复步骤二至步骤五，完成全部谱段干涉信号的数字欠采样及光谱复原。

2.根据权利要求1所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：进行过采样信号采集的硬件过采样系统带宽为B_W，确定步骤如下：

(1)根据窄谱段干涉信号中的干涉仪光程差扫描速度v和所有谱段中的最大波数υ_max得到所有谱段中最高信号频率分量f_max，计算公式如下：

f_max＝υ_max*v

(2)根据计量激光的波数υ_laser和扫描速度v计算采样频率f_s，计算公式如下：

f_s＝υ_laser*v

(3)从区间(f_max，f_s/2)中选取带宽B_W。

3.根据权利要求2所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：所述步骤二中谱段带宽ΔB_i及欠采样抽取率N_i的计算步骤如下：

(a)根据某一谱段B_i的干涉数据计算该谱段的最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}，计算公式如下：

f_{min_i}＝υ_{min_i}*v

f_{max_i}＝υ_{max_i}*v

其中，υ_{min_i}、υ_{max_i}分别为该谱段的最小波数、最大波数；

(b)根据步骤(a)中所得最小频率分量f_{min_i}、最大频率分量f_{max_i}计算该谱段信号带宽ΔB_i，计算公式如下：

ΔB_i＝f_{max_i}-f_{min_i}

(c)根据带宽ΔB_i计算欠采样抽样率N_i，计算公式如下：

其中公式[x]表示不大于x的最大整数，N_i需同时满足关系式：

4.根据权利要求3所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：所述步骤三中抗混叠滤波处理时滤波器参数设计满足条件如下：

(a)低端截止频率f_{CL_i}和高端截止频率f_{CH_i}设定应满足：

(b)控制干涉信号在[f_{CL_i}，f_{CH_i}]频率区间之外的带外信号衰减在10dB到20dB之间；

(c)控制在[f_{min_i}，f_{max_i}]频率区间内响应平坦度在0.1dB到0.8dB之间；

5.根据权利要求1所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：所述步骤四中干涉数据的欠采样抽取的欠采样频率f_{i_us}的计算方法如下：

f_{i_us}＝f_S/N_i。

6.根据权利要求1所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：所述步骤五中进行光谱复原的步骤如下：

(a)对步骤四所得欠采样抽取数据B_{i_us}进行傅里叶变换，得到差频ΔB′_i；

(b)根据谱段B_i的频率最小值f_{min_i}、欠采样频率f_{i_us}确定光谱复原系数n_i，计算公式如下：

n_i＝[2f_{min_i}/f_{i_us}]；

(c)此时若光谱满足如下条件：

当n_i＝0，2，4，...等偶数时，

当n_i＝1，3，5，...等奇数时，

7.根据权利要求1所述的一种窄谱段干涉信号的数字欠采样方法，其特征在于：所述抗混叠滤波处理时，滤波器窗口形式为巴特沃斯型。

Images