專利名稱：基于fft的激光分析儀二次諧波濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光分析儀信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基于FFT (FastFourier Transform)的激光分析儀二次諧波濾波方法。
背景技術(shù)：
可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)是光譜吸收技術(shù)的一種，該技術(shù)是通過氣體分子“選頻”吸收特定波長激光的原理來測量氣體濃度的一種方法。具體來說，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣體對激光束進行吸收，導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成正比。因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)具有高靈敏度、實時、動態(tài)、多組分同時測量等獨特優(yōu)勢，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中將其應(yīng)用于痕量氣體成分的檢測，可以為研究大氣中污染氣體形成的機理和條件，以及研究大氣中污染氣體對生態(tài)環(huán)境的危害提供獨特的技術(shù)手段和新型的研究平臺?；赥DLAS技術(shù)設(shè)計的激光氣體分析儀的理論基礎(chǔ)是Beer-Lambert定律,根據(jù)Beer-Lambert定律,通過氣體吸收前和氣體吸收后的光強關(guān)系為I=I^exp [-S (T) g (V) PcL](I)式中I為通過氣體吸收后的光強，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(shù)，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激光分析儀測量精度的關(guān)鍵。但是氣體濃度的檢測隨著氣體濃度的降低，受系統(tǒng)噪聲及現(xiàn)場環(huán)境的影響也會隨之增大，尤其是對于低濃度氣體的探測，受激光器噪聲、電子學(xué)噪聲和光學(xué)噪聲以及現(xiàn)場運行環(huán)境的不確定因素等影響，使得濃度反演時出現(xiàn)較大偏差，對系統(tǒng)的可靠性造成了重要的影響。在激光氣體分析儀中，主要的噪聲包括光學(xué)噪聲、探測器噪聲、激光器噪聲和電噪聲等。為消除噪聲影響，一般選擇扣除背景的方法來降低系統(tǒng)噪聲的影響，但這并不能完全有效地克服噪聲因素而獲得較高的信噪比。當(dāng)前對于二次諧波信號的濾波處理較為簡單的有算數(shù)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、脈沖干擾消除的較明顯，但是削弱了有用信號吸收峰，影響濃度擬合的精度。算術(shù)平均濾波對原始信號的白噪聲和脈沖干擾有一定抑制作用，且當(dāng)平均次數(shù)增加時效果更明顯，但隨之也會占用更多的處理器資源、增加計算時間，同時算術(shù)平均濾波對光學(xué)噪聲產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)改善不明顯。相對復(fù)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(biāo)峰的影響也稍大；小波變換濾波對原始信號的白噪聲和脈沖干擾有很好的抑制作用、提高了信噪比，但是運算復(fù)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(fā)現(xiàn)已有算法并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(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，以實現(xiàn)從混有干擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現(xiàn)了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統(tǒng)響應(yīng)時間很短，滿足在線檢測的要求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，包括獲取二次諧波信號數(shù)據(jù)；對獲取的所述二次諧波信號數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號；分析所述頻域信號的時域和頻域特性；根據(jù)所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；對濾波處理后的頻域信號進行傅里葉反變換，獲得去噪處理后的二次諧波信號。優(yōu)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(jù)所述二次諧波信號時域的采樣點數(shù)和采樣頻率確定所述頻域信號的分辨率和頻譜分辨率。優(yōu)選地，所述根據(jù)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(jù)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范圍，通過頻譜分辨率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，并保留有用信號頻譜的幅值。從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明公開的一種基于FFT的激光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(zhuǎn)變?yōu)轭l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(jù)譜線特性對信號進行濾波，改善了二次諧波信號的信噪比，提高了激光氣體分析儀的測量精度，且基于FFT的激光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(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例公開的一種基于FFT的激光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(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)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(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例公開了一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，以實現(xiàn)從混有干擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現(xiàn)了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統(tǒng)響應(yīng)時間很短，滿足在線檢測的要求。如圖1所示，一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，包括S101、獲取二次諧波信號數(shù)據(jù)；S102、對獲取的所述二次諧波信號數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域
信號;S103、分析所述頻域信號的時域和頻域特性；S104、根據(jù)所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；S105、對濾波處理后的頻域信號進行傅里葉反變換，獲得去噪處理后的二次諧波信號。具體的，獲取二次諧波信號數(shù)據(jù)是通過讀入激光氣體分析儀所采集的二次諧波信號數(shù)據(jù)，二次諧波信號數(shù)據(jù)每組共有1000個數(shù)據(jù)點，每組信號的周期為7ms。具體的，對讀入的二次諧波信號數(shù)據(jù)進行FFT，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號的具體實現(xiàn)FFT的基本原理如下FFT并不是與DFT(Discrete Fourier Transform)不同的另外一種變換，而是為了減少DFT計算次數(shù)的一種快速算法。先假設(shè)序列點數(shù)為2S L為整數(shù)，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(quán)利要求
1.一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，其特征在于，包括 獲取二次諧波信號數(shù)據(jù)； 對獲取的所述二次諧波信號數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號； 分析所述頻域信號的時域和頻域特性； 根據(jù)所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理； 對濾波處理后的頻域信號進行傅里葉反變換，獲得去噪處理后的二次諧波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分析所述頻域信號的時域和頻域特性具體為 根據(jù)所述二次諧波信號時域的采樣點數(shù)和采樣頻率確定所述頻域信號的分辨率和頻譜分辨率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)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(jù)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范圍，通過頻譜分辨率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，并保留有用信號頻譜的幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FFT的激光分析儀二次諧波濾波方法，包括獲取二次諧波信號數(shù)據(jù)；對獲取的所述二次諧波信號數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號；分析所述頻域信號的時域和頻域特性；根據(jù)所述時域和頻域特性對所述頻域信號進行濾波處理；對濾波處理后的頻域信號進行傅里葉反變換，獲得去噪處理后的二次諧波信號。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)從混有干擾的二次諧波信號中濾除噪聲，提取有用信號，實現(xiàn)了對二次諧波的信號平滑以及噪聲去除，同時系統(tǒng)響應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)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