基於fft的雷射分析儀二次諧波濾波方法

2023-05-25 08:18:36 2

專利名稱：基於fft的雷射分析儀二次諧波濾波方法
技術領域：
本發明涉及雷射分析儀信號處理技術領域，更具體地說，涉及一種基於FFT (FastFourier Transform)的雷射分析儀二次諧波濾波方法。
背景技術：
可調諧半導體雷射吸收光譜(TDLAS)技術是光譜吸收技術的一種，該技術是通過氣體分子「選頻」吸收特定波長雷射的原理來測量氣體濃度的一種方法。具體來說，半導體雷射器發射出的特定波長的雷射束穿過被測氣體時，被測氣體對雷射束進行吸收，導致雷射強度產生衰減，雷射強度的衰減與被測氣體含量成正比。因此，通過測量雷射強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度。可調諧半導體雷射吸收光譜技術具有高靈敏度、實時、動態、多組分同時測量等獨特優勢，因此，在工業生產中將其應用於痕量氣體成分的檢測，可以為研究大氣中汙染氣體形成的機理和條件，以及研究大氣中汙染氣體對生態環境的危害提供獨特的技術手段和新型的研究平臺。基於TDLAS技術設計的雷射氣體分析儀的理論基礎是Beer-Lambert定律,根據Beer-Lambert定律,通過氣體吸收前和氣體吸收後的光強關係為I=I^exp [-S (T) g (V) PcL](I)式中I為通過氣體吸收後的光強，I0為通過氣體吸收前的光強，S(T)表示分子在溫度T、波長λ處的吸收線強，g(v)`為氣體吸收線型，P為待測氣體壓力，V是波數，C為氣體分子濃度，L為總光程。一般情況下，氣體在近紅外吸收很小，即S(T)g(V)PcL < O. 05條件很容易滿足。將(I)式進行傅立葉展開，可以得到二次諧波信號和濃度成正比，即I2f C I0S(T)g(v)PcL(2)式中I2f表示二次諧波強度，由(2)可見正確提取二次諧波信號是提高雷射分析儀測量精度的關鍵。但是氣體濃度的檢測隨著氣體濃度的降低，受系統噪聲及現場環境的影響也會隨之增大，尤其是對於低濃度氣體的探測，受雷射器噪聲、電子學噪聲和光學噪聲以及現場運行環境的不確定因素等影響，使得濃度反演時出現較大偏差，對系統的可靠性造成了重要的影響。在雷射氣體分析儀中，主要的噪聲包括光學噪聲、探測器噪聲、雷射器噪聲和電噪聲等。為消除噪聲影響，一般選擇扣除背景的方法來降低系統噪聲的影響，但這並不能完全有效地克服噪聲因素而獲得較高的信噪比。當前對於二次諧波信號的濾波處理較為簡單的有算數平均濾波、滑動平均濾波等。其中滑動平均濾波對原始信號的白噪聲、脈衝幹擾消除的較明顯，但是削弱了有用信號吸收峰，影響濃度擬合的精度。算術平均濾波對原始信號的白噪聲和脈衝幹擾有一定抑制作用，且當平均次數增加時效果更明顯，但隨之也會佔用更多的處理器資源、增加計算時間，同時算術平均濾波對光學噪聲產生的標準具效應改善不明顯。相對複雜的有非線性最小二乘濾波、小波變換濾波等，非線性最小二乘濾波對原始信號的濾波效果很好、信噪比很高，但計算時間稍長，對目標峰的影響也稍大；小波變換濾波對原始信號的白噪聲和脈衝幹擾有很好的抑制作用、提高了信噪比，但是運算複雜度相對較高，計算時間略長。通過對已有的濾波算法分析，可以發現已有算法並不能同時很好的滿足濾波算法程序簡單且氣體濃度測量精度高的要求。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，以實現從混有幹擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統響應時間很短，滿足在線檢測的要求。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，包括獲取二次諧波信號數據；對獲取的所述二次諧波信號數據進行傅立葉變換，將時域信號轉變為頻域信號；分析所述頻域信號的時域和頻域特性；根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；對濾波處理後的頻域信號進行傅立葉反變換，獲得去噪處理後的二次諧波信號。優選地，所述的分析所述頻域信號的時域和頻域特性具體為根據所述二次諧波信號時域的採樣點數和採樣頻率確定所述頻域信號的解析度和頻譜解析度。優選地，所述根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理具體為根據二次諧波信號的時域和頻率特性，分別確定有用信號和噪聲信號的頻率範圍，通過頻譜解析度分別確定有用信號和噪聲信號的譜線位置，將噪聲信號頻譜的幅值置為0，並保留有用信號頻譜的幅值。從上述的技術方案可以看出，本發明公開的一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，利用FFT算法把二次諧波的時域信號轉變為頻域信號，能夠直觀的分析二次諧波信號的頻域譜線，在頻域根據譜線特性對信號進行濾波，改善了二次諧波信號的信噪比，提高了雷射氣體分析儀的測量精度，且基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，算法程序簡單、移植性強。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例公開的一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明實施例公開了一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，以實現從混有幹擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統響應時間很短，滿足在線檢測的要求。如圖1所示，一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，包括S101、獲取二次諧波信號數據；S102、對獲取的所述二次諧波信號數據進行傅立葉變換，將時域信號轉變為頻域
信號;S103、分析所述頻域信號的時域和頻域特性；S104、根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；S105、對濾波處理後的頻域信號進行傅立葉反變換，獲得去噪處理後的二次諧波信號。具體的，獲取二次諧波信號數據是通過讀入雷射氣體分析儀所採集的二次諧波信號數據，二次諧波信號數據每組共有1000個數據點，每組信號的周期為7ms。具體的，對讀入的二次諧波信號數據進行FFT，將時域信號轉變為頻域信號的具體實現FFT的基本原理如下FFT並不是與DFT(Discrete Fourier Transform)不同的另外一種變換，而是為了減少DFT計算次數的一種快速算法。先假設序列點數為2S L為整數，如果不滿足這個條件，添加若干個零值，使序列達到這一要求。將N=2"的序列X (η) (η=0, 1，. . . N_l)先按η的奇偶分成如下兩組
權利要求
1.一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，其特徵在於，包括 獲取二次諧波信號數據； 對獲取的所述二次諧波信號數據進行傅立葉變換，將時域信號轉變為頻域信號； 分析所述頻域信號的時域和頻域特性； 根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理； 對濾波處理後的頻域信號進行傅立葉反變換，獲得去噪處理後的二次諧波信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的分析所述頻域信號的時域和頻域特性具體為 根據所述二次諧波信號時域的採樣點數和採樣頻率確定所述頻域信號的解析度和頻譜解析度。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理具體為 根據二次諧波信號的時域和頻率特性，分別確定有用信號和噪聲信號的頻率範圍，通過頻譜解析度分別確定有用信號和噪聲信號的譜線位置，將噪聲信號頻譜的幅值置為O，並保留有用信號頻譜的幅值。
全文摘要
本發明公開了一種基於FFT的雷射分析儀二次諧波濾波方法，包括獲取二次諧波信號數據；對獲取的所述二次諧波信號數據進行傅立葉變換，將時域信號轉變為頻域信號；分析所述頻域信號的時域和頻域特性；根據所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；對濾波處理後的頻域信號進行傅立葉反變換，獲得去噪處理後的二次諧波信號。本發明能夠實現從混有幹擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統響應時間很短，滿足在線檢測的要求。
文檔編號G01N21/31GK103033481SQ201210562370
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者黃鴻, 王洪濤, 曾繁華, 牛麒斌, 張永鵬 申請人:重慶川儀自動化股份有限公司