本發(fā)明涉及一種提高光譜儀信噪比的方法。特別是對高光譜分辨率、干涉信號微弱的大氣探測傅里葉光譜儀提高光譜信噪比的實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

大氣探測傅里葉紅外光譜儀是一種以邁克耳遜干涉儀為核心的時間調(diào)制型紅外干涉儀，依靠動鏡的機(jī)械擺掃運動來對光進(jìn)行調(diào)制。傅里葉光譜儀只能直接得到目標(biāo)物的干涉曲線，某一譜段上的能量是通過干涉圖的傅里葉變換獲得，所以每一個光譜波數(shù)上的信噪比和整個干涉圖的信噪比相關(guān)。在光譜儀數(shù)據(jù)實際反演分析中，吸收系數(shù)的計算結(jié)果準(zhǔn)確度依賴于探測信號對于各種影響因素的敏感程度，當(dāng)影響吸收特性的信號被噪聲淹沒時，吸收系數(shù)的計算精度也就受到了限制，對理想情況而言，1％的反演精度需要100∶1的光譜信噪比(SNR)。因此干涉圖信噪比是傅里葉光譜儀的一個重要指標(biāo)，是決定系統(tǒng)輻射分辨率的重要因素，對數(shù)據(jù)恢復(fù)精度有著密切關(guān)系。

實現(xiàn)較高的探測光譜SNR一般從兩個方面入手，一是增強(qiáng)探測目標(biāo)強(qiáng)度，二是減小系統(tǒng)噪聲水平。大氣成份探測利用大氣對太陽光的吸收光譜，直接采用太陽光作為系統(tǒng)的輸入輻射源，因此很難再依靠輻射源來提高探測光譜SNR。從降低系統(tǒng)噪聲水平的角度，傅里葉光譜儀在接收測量光譜信息的同時也接收測量了噪聲信號。這些可能的噪聲包括探測器噪聲、輻射源光子噪聲，還包括光源強(qiáng)度微小變化引起的噪聲、外界振動干擾引入的噪聲、電子線路引起的噪聲、數(shù)字量化噪聲等，這些變化的噪聲信號會加到被測光譜信號中，使輸出的光譜既包含被測光譜信號也包含噪聲信號。

使用寬頻率響應(yīng)的探測器引入不必要的噪聲會干擾正常的紅外干涉信號.使傅里葉變換得到的光譜產(chǎn)生偏差，同時強(qiáng)的環(huán)境噪聲還會“掩蓋”光譜信號中的弱吸收峰，從而限制光譜分析的檢出限。因此，必須對光譜轉(zhuǎn)換前的紅外干涉信號作濾波處理，盡可能消除噪聲對真實信號的干擾。

傳統(tǒng)的傅里葉光譜儀在降噪處理上采用探測器預(yù)放大之后加裝高階模擬濾波器的方法，例如采用多片MAX274芯片級連構(gòu)建模擬濾波器，以阻止噪聲信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，達(dá)到提高信噪比和降噪目的。

采用硬件實現(xiàn)高階模擬濾波器時存在以下不足之處：

(1)受模擬濾波芯片數(shù)量和功能的限制及專用設(shè)計軟件的限制，模擬濾波器設(shè)計復(fù)雜，在參數(shù)調(diào)整上非常困難；

(2)模擬濾波器元器件本身也會引入噪聲；

(3)大氣探測光譜儀的光譜帶寬窄，系統(tǒng)的采樣頻率較低，使帶外噪聲容易混疊到探測光譜帶內(nèi)，增加了探測光譜帶內(nèi)的噪聲，較低了信噪比；

(4)模擬濾波器無法濾除模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣引入的量化噪聲；

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種可有效濾除噪聲，提高傅里葉光譜儀信噪比的方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種提高大氣探測傅里葉光譜儀信噪比的方法，步驟如下：

(1)將周期為T₀的高頻時鐘作為參考時鐘信號，對傅里葉光譜儀激光干涉信號的過零點脈沖進(jìn)行采樣，記錄過零點脈沖當(dāng)前周期內(nèi)參考時鐘的整周期個數(shù)計數(shù)值為n₂，過零點脈沖當(dāng)前周期的前一周期內(nèi)參考時鐘的整周期個數(shù)計數(shù)值為n₁。所述過零點脈沖周期即為傅里葉光譜儀激光干涉信號的過零點脈沖周期；

(2)根據(jù)步驟(1)的n₁，將當(dāng)前周期的傅里葉光譜儀激光干涉信號過零點脈沖細(xì)分成若干等時間間隔的子脈沖，本發(fā)明中細(xì)分的子脈沖個數(shù)優(yōu)選為4；

(3)對進(jìn)入傅里葉光譜儀的紅外干涉信號進(jìn)行采樣，紅外干涉信號的采樣觸發(fā)信號為步驟(2)中細(xì)分后的子脈沖，采樣后得到紅外干涉數(shù)據(jù)；

(4)將步驟(3)中采集到的紅外干涉數(shù)據(jù)的采樣點時間坐標(biāo)信息變換成光程差坐標(biāo)信息；

(5)對步驟(4)中的紅外干涉數(shù)據(jù)以每相鄰的過零點之間為一數(shù)據(jù)段，進(jìn)行多項式插值計算，并按等光程差重采樣，得到重采樣數(shù)據(jù)；

(6)對步驟(5)中重采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣數(shù)字濾波，得到去噪聲的紅外干涉數(shù)據(jù)。

所述步驟(2)中將當(dāng)前周期的傅里葉光譜儀激光干涉信號過零點脈沖細(xì)分成若干等時間間隔的子脈沖的方法為：將前一周期內(nèi)過零點脈沖的參考時鐘計數(shù)值n₁當(dāng)作當(dāng)前過零點脈沖周期的時間間隔，則對當(dāng)前過零點脈沖周期τ₀等分(本專利中τ₀＝4)，新的子脈沖周期為int為取整。

所述步驟(4)中紅外干涉數(shù)據(jù)的采樣點時間坐標(biāo)信息變換成光程差坐標(biāo)信息的方法為：轉(zhuǎn)換公式為OPD＝8Rωt，其中，OPD為光程差坐標(biāo)信息，R為發(fā)出激光干涉信號的傅里葉光譜儀的擺臂長，ω為發(fā)出激光干涉信號的傅里葉光譜儀的擺臂轉(zhuǎn)動角速度，t為時間坐標(biāo)信息。

所述步驟(5)中多項式插值重采樣的方法為：把每一個周期過零點脈沖作為一個插值區(qū)間，對當(dāng)前周期過零點脈沖τ₀等分，則插值區(qū)間內(nèi)共有τ₀個紅外干涉采樣數(shù)據(jù)，加上插值區(qū)間下邊界的一個紅外干涉采樣數(shù)據(jù)，共τ₀+1個紅外干涉采樣數(shù)據(jù)作為本區(qū)間的插值點進(jìn)行多項式插值，計算插值函數(shù)L(x)，并按照等光程差對插值函數(shù)L(x)進(jìn)行重采樣，得到重采樣數(shù)據(jù)，重采樣點數(shù)為τ₁；

所述的步驟(6)中降采樣數(shù)字濾波的方法為：將每一個周期過零點脈沖內(nèi)按照等光程差重采樣的τ₁個數(shù)據(jù)進(jìn)行求均值，此均值作為當(dāng)前周期過零點脈沖的輸出值，則把采樣數(shù)據(jù)由τ₁個降采樣為1個。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明方法完全是在數(shù)字處理器內(nèi)實現(xiàn)，處理的均為數(shù)字量的數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜的模擬電路設(shè)計，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計難度；

(2)本發(fā)明方法將傅里葉光譜儀激光干涉信號過零點脈沖細(xì)分，提高了光譜儀系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)率，增加了系統(tǒng)的采樣帶寬。根據(jù)采樣定理模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號頻帶必須帶寬限到采樣頻率的一半，否則便會產(chǎn)生混疊，然而實際應(yīng)用中，紅外干涉信號不是窄帶信號，且寬帶的加性噪聲占據(jù)了高頻區(qū)域，這些噪聲分量也會使采樣結(jié)果發(fā)生混疊，本發(fā)明方法通過提高采樣頻率，使帶外噪聲混疊到探測光譜頻帶以外，降低了探測光譜頻帶內(nèi)的噪聲，提高了系統(tǒng)的信噪比；

(3)本發(fā)明方法對紅外干涉信號進(jìn)行采樣時，利用激光干涉信號過零點位置作為觸發(fā)采樣的采樣點，即在每一個激光干涉信號過零點位置都會采集到紅外干涉數(shù)據(jù)，避免了各過零點數(shù)據(jù)的相位漂移，提高探測光譜數(shù)據(jù)恢復(fù)精度；

(4)本發(fā)明方法的降采樣濾波器有二個作用，一是濾除過采樣后的隨機(jī)噪聲，減小量化噪聲的功率；二是相對于最終的采樣率它必須起到抗混疊濾波器的作用。本發(fā)明所采用算數(shù)平均濾波器，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，濾波器可選擇更大階數(shù)，且濾波的過渡帶可以很窄，不存在模擬濾波器過渡帶過寬的弊端，并且不會引入額外的噪聲；

(5)量化噪聲是模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換過程中不可消除的噪聲，是系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器固有的噪聲，本發(fā)明方法是在紅外干涉信號模數(shù)轉(zhuǎn)換之后實現(xiàn)，可以濾除紅外干涉信號量化所固有的隨機(jī)噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比；

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種提高大氣探測傅里葉光譜儀信噪比的方法實現(xiàn)框圖；

圖2為本發(fā)明激光干涉過零點脈沖周期計數(shù)時序圖；

圖3為本發(fā)明激光干涉過零點脈沖周期細(xì)分流程框圖；

圖4的(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計采集到的系統(tǒng)噪聲測試曲線；(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法采集到的系統(tǒng)的噪聲測試曲線

圖5(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計，傅里葉變換后的光譜曲線，(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法采集紅外干涉數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換得到的光譜曲線；

圖6(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計得到的紅外干涉信號光譜信噪比曲線，(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法設(shè)計得到的紅外干涉信號光譜信噪比曲線。

具體實施方式

本發(fā)明的基本思路為：提出一種提高大氣探測傅里葉紅外光譜儀信噪比的方法，根據(jù)傅里葉紅外光譜儀的工作原理，通過高頻時鐘對傅里葉光譜儀激光干涉信號的過零脈沖進(jìn)行采樣，并把每一個過零點脈沖周期細(xì)分成若干等時間間隔的子脈沖，利用細(xì)分后的子脈沖作為觸發(fā)信號，實現(xiàn)對紅外干涉信號的過采樣，將采集到的紅外干涉信號采樣點的時間坐標(biāo)信息變換成光程差坐標(biāo)信息，并對過零點之間的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行等光程差插值重采樣計算，對重采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字降采樣濾波。本發(fā)明方法提高了數(shù)據(jù)采樣頻率并實現(xiàn)了數(shù)字濾波，不僅可以消除采樣中的混疊噪聲和量化噪聲，也避免了模擬濾波元器件本身引入噪聲，從而提高了光譜儀的信噪比。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

傅里葉光譜儀為了得到高精度的光譜，必須進(jìn)行等光程差采樣。通常采用He-Ne激光作為參考光源產(chǎn)生激光干涉信號，去除直流分量后激光干涉信號過零點觸發(fā)采樣得到均勻抽樣干涉圖。如圖1所示，為本發(fā)明一種提高大氣探測傅里葉光譜儀信噪比的方法的實現(xiàn)框圖。首先利用高頻時鐘對傅里葉光譜儀激光干涉信號的過零點脈沖進(jìn)行采樣，并把每一個周期過零點脈沖細(xì)分成若干等時間間隔的子脈沖，利用細(xì)分后的子脈沖作為采樣觸發(fā)信號，實現(xiàn)對紅外干涉信號的過采樣，將采集到的紅外干涉信號采樣點的時間坐標(biāo)信息變換成光程差坐標(biāo)信息，并對過零點之間的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行等光程差插值重采樣計算，對重采樣后數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣數(shù)字濾波，實現(xiàn)提高紅外干涉數(shù)據(jù)的信噪比。

1、過零點脈沖周期細(xì)分

如圖2所示，以周期為T₀的高頻參考時鐘Clk1作為測量參考時鐘，在激光干涉信號的起始時刻(對應(yīng)參考時鐘的P點)和結(jié)束時刻(對應(yīng)參考時鐘的Q點)之間的時間間隔T_i可表示為：

T_i＝n_iT₀+t_a-t_b (1)

式(1)中n_i表示在第i個激光干涉信號過零點脈沖時間間隔T_i內(nèi)參考時鐘信號的整周期個數(shù)，在處理器中可由一個計數(shù)器來實現(xiàn)對n_i的測量，即當(dāng)激光干涉信號的過零點脈沖下降沿到來時打開計數(shù)器Counter1，在參考時鐘Clk1上升沿觸發(fā)Counter1計數(shù)加1，當(dāng)下一個過零點脈沖下降沿到來時Counter1計數(shù)結(jié)束，保存Counter1計數(shù)結(jié)果并對其清零，同時計數(shù)器Counter2開始計數(shù)，計數(shù)器Counter1和Counter2二者交替計數(shù)實現(xiàn)對每一個周期過零點脈沖的測量。過零點脈沖下降沿到來的時刻是隨機(jī)的，與參考時鐘上升沿相差時間間隔分別為t_a、t_b，它的極限值是±T₀，即T_i＝(n_i±1)T₀。把當(dāng)前激光干涉信號過零點脈沖時間間隔計時定義為T₂＝(n₂±1)T₀，前一次激光干涉信號過零點脈沖時間間隔計時定義為T₁＝(n₁±1)T₀，因為光譜儀動鏡的擺臂在連續(xù)兩個過零點脈沖周期內(nèi)速度不會突變，因此可以將前一次過零點脈沖的參考時鐘計數(shù)值n₁作為當(dāng)前周期過零點脈沖被細(xì)分的時間間隔，而當(dāng)前周期過零點脈沖的參考時鐘計數(shù)值n₂在計時完成后，作為下一周期過零點脈沖被細(xì)分的時間，依此類推。對每個過零點脈沖周期τ₀等分，則新的子脈沖周期為int為取整。以周期為T₀/2的高頻時鐘Clk2作為子脈沖產(chǎn)生時鐘，由計數(shù)器Counter3來實現(xiàn)占空比為50％的子脈沖，如圖3所示，實現(xiàn)方法如下(定義過零點脈沖為FPulse)：

(1)初始化計數(shù)器Counter3計數(shù)長度

(2)用Clk2時鐘對激光干涉信號的過零點脈沖采樣，檢測到過零點脈沖下降沿時計數(shù)器Counter3清零，標(biāo)志位Flag清零，子脈沖信號SPulse為高；

(3)在參考時鐘Clk2上升沿觸發(fā)Counter3計數(shù)加1；判斷Counter3的計數(shù)值，當(dāng)Counter3<A時，SPulse<＝SPulse AND(Not FPulse)，否則SPulse<＝(Not SPulse)AND(Not FPulse)，且Counter3計數(shù)值清零，標(biāo)志位Flag加1；

(4)判斷標(biāo)志位Flag值，如果Flag小于2τ₀則返回(3)，否則Counter3計數(shù)值保持不變，返回(2)；

2、紅外干涉數(shù)據(jù)的采樣點時間坐標(biāo)信息變換成光程差坐標(biāo)信息

由于大氣探測光譜儀的雙鏡運動擺臂型式，加上端鏡作用，使得整個光路的最大光程與機(jī)械行程之間形成了8：1的關(guān)系，當(dāng)光譜儀擺臂轉(zhuǎn)動θ角度時，則光程差為：

OPD＝8R sinθ(t) (2)

其中，OPD為光程差，R為光譜儀擺臂長?？紤]到擺臂的擺動角度范圍很小，sinθ(t)近似等于θ(t)，則可近似有如下關(guān)系：

OPD≈8Rθ(t)＝8Rωt (3)

其中，ω為角速度，t為時間。根據(jù)公式(3)可以把紅外干涉數(shù)據(jù)采樣點的時間信息轉(zhuǎn)換成光程差信息。

3、多項式插值重采樣

在利用激光干涉信號的過零點脈沖細(xì)分后的子脈沖對紅外干涉信號采樣時，是以時間刻度為基準(zhǔn)的采樣，由于光譜儀擺臂速度的抖動和過零點脈沖細(xì)分時誤差的存在，會導(dǎo)致采樣點的間隔并不是等光程差，因此需要將過零點周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)按照等光程差重新采樣，用多項式去逼近原始的紅外干涉信號變化規(guī)律，再利用這一規(guī)律，計算插值區(qū)間內(nèi)重采樣的值，重新采樣的方法如下。

把每一個激光干涉信號過零點采樣周期作為一個插值區(qū)間，則插值區(qū)間內(nèi)共有τ₀個紅外干涉信號的采樣數(shù)據(jù)，加上插值區(qū)間下邊界的一個采樣數(shù)據(jù)，共τ₀+1個數(shù)據(jù)作為本區(qū)間的插值節(jié)點進(jìn)行多項式插值，則插值區(qū)間內(nèi)的離散數(shù)據(jù)可表示為其中x_i表示第i節(jié)點的光程差，y_i表示第i節(jié)點的采樣值即紅外干涉數(shù)據(jù)幅值。則n階拉格朗日插值多項式L_n是基函數(shù)l₀,l₁,...,l_n的線性組合：

式中：

因本發(fā)明中τ₀＝4，選擇拉格朗日插值多項式的階數(shù)n＝4。根據(jù)公式(4)和公式(5)，對于插值區(qū)間內(nèi)任意光程差的位置，都可計算出其干涉數(shù)據(jù)的幅值。本發(fā)明中重采樣的采樣率不變，仍為每個插值區(qū)間有τ₀個采樣數(shù)據(jù)，但采樣位置和原始數(shù)據(jù)發(fā)生變化，按照在插值區(qū)間內(nèi)等光程差的間隔重新采樣。

4、降采樣數(shù)字濾波

對光譜儀采樣系統(tǒng)而言，根據(jù)公式(4)進(jìn)行的重采樣是一種過采樣處理，系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲頻帶將被展開，需要用低通濾波器將信號的帶外噪聲濾除，才能提高系統(tǒng)的信噪比。同時，為減小數(shù)據(jù)量，低通濾波后的信號需要被降采樣，降采樣后數(shù)據(jù)采樣頻率下降，為使信號不發(fā)生混疊，需要用低通濾波器將二分之一采樣頻率外的噪聲濾除，理論上，可將這兩個低通濾波器合并成一個降采樣低通濾波器。降采樣數(shù)字濾波器的作用有兩個：一是濾除過采樣后的隨機(jī)噪聲，減小量化噪聲的功率；二是相對于最終的采樣率它必須起到抗混疊濾波器的作用。

低通濾波器的選擇，在滿足設(shè)計要求的前提下，需要從計算效率、實現(xiàn)難易程度以及系數(shù)存儲量來考慮。算數(shù)平均濾波器隸屬于FIR濾波器，是一種簡單高效的低通濾波器，本發(fā)明采算數(shù)平均濾波器作為降采樣濾波器。

由上述可知，根據(jù)公式(4)進(jìn)行重采樣后，每個插值區(qū)間內(nèi)為τ₀個采樣數(shù)據(jù)，對插值區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)平均作為其信號輸出。其濾波公式定義如下：

其中y_n為輸出信號，x_n+i為輸入信號，N為濾波的點數(shù)，本發(fā)明中N＝τ₀。公式(6)的濾波器實現(xiàn)的下抽取率與濾波器長度相等為N，即每個激光干涉信號的過零點采樣周期只輸出一個數(shù)據(jù)。本發(fā)明中N＝4，將4個連續(xù)的采樣值累加，在完成累加后，將累加和右移2位即為本次濾波輸出值，本發(fā)明中的濾波器并不需要乘法器來完成濾波運算，并且不需要存儲器來保存濾波系數(shù)。

利用FPGA實現(xiàn)本發(fā)明的方法，并在某傅里葉光譜儀上進(jìn)行測試。為了簡單、客觀的對本發(fā)明方法進(jìn)行評價，這里采用實施本發(fā)明方法前后的系統(tǒng)噪聲測試曲線、紅外干涉信號的光譜曲線、紅外干涉信號的光譜信噪比(SNR)三個指標(biāo)進(jìn)行比較。

圖4給出傅里葉光譜儀在全黑條件下噪聲，圖4(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計采集到的系統(tǒng)噪聲，噪聲幅值主要集中在-8DN～8DN之間。圖4(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法采集到的系統(tǒng)的噪聲，噪聲幅值主要集中在-5DN～5DN之間，從圖4(b)中可以看出，采用本發(fā)明方法系統(tǒng)的噪聲得到明顯的抑制。

圖5給出了傅里葉光譜儀采集到的紅外干涉信號經(jīng)傅里葉變換后的光譜曲線，圖5(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計，傅里葉變換后的光譜曲線，圖(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法采集紅外干涉數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換得到的光譜曲線，從兩圖對比可看出，雖然二者都能很好分辨出不同波數(shù)的吸收光譜，但圖(b)的光譜噪聲要低于圖(a)(光譜平坦的部位幅值較窄)，由此可以看出系統(tǒng)的性能得到了改善。

圖6為在相同輻照強(qiáng)度下，采用本發(fā)明方法前后紅外干涉信號的光譜信噪比曲線，圖6(a)為光譜儀采用傳統(tǒng)方法設(shè)計，得到的紅外干涉信號光譜信噪比曲線，圖6(b)為光譜儀采用本發(fā)明方法設(shè)計，得到的紅外干涉信號光譜信噪比曲線，由圖6可以看出，在相同波數(shù)情況下，圖6(b)中的光譜信噪比要較圖6(a)中的光譜信噪比得到提高，說明采用本發(fā)明方法傅里葉光譜儀的信噪比得到提高。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。