基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傅里葉光譜儀通過對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖，具有多通道、高通量、高光譜分辨率、測量快速和高信噪比等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理方法，然而，通常的方法流程所得到的光譜圖數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一)要解決的技術(shù)問題
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:如何設(shè)計一種新的光譜圖重建之前的數(shù)據(jù)處理方法，以提高光譜圖數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
[0005](二)技術(shù)方案
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法，包括以下步驟:
[0007]S1、對采集的干涉圖進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；
[0008]S2、針對目標(biāo)波長生成光譜圖域內(nèi)的矩形濾波器，并對其做傅里葉變換，得到光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器，用光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；
[0009]S3、對于濾波后的數(shù)據(jù)，利用切趾法，通過加窗來緩和邊緣的不連續(xù)性，使旁瓣的高度趨近于零，從而使能量相對集中在主瓣；
[0010]S4、對步驟S3處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正，以消除傅里葉光譜儀干涉圖測量中所引起的非對稱性；
[0011]S5、將干涉圖數(shù)據(jù)補(bǔ)零至2N個；
[0012]S6、通過傅里葉變換將經(jīng)過步驟SI至S5處理后的干涉圖轉(zhuǎn)換為光譜圖。
[0013]優(yōu)選地，步驟SI具體包括消除趨勢項步驟和抑制隨機(jī)噪聲干擾步驟。
[0014]優(yōu)選地，步驟S3中采用三角窗、梯形窗、Hanning窗、布萊克曼窗、高斯函數(shù)和Norton-Beer函數(shù)中的一種進(jìn)行加窗處理。
[0015]優(yōu)選地，步驟S4中采用Connes求平方根法、Mertz乘積法和Forman卷積法中的一種進(jìn)行相位校正。
[0016](三)有益效果
[0017]本發(fā)明在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后、非線性操作之前就進(jìn)行頻率濾波，避免了對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖的數(shù)據(jù)處理流程中，補(bǔ)零和相位校正的過程所引入的非線性處理操作所引起的光譜數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的問題，從而提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實施例的方法流程圖；
[0019]圖2為目標(biāo)光譜域內(nèi)的濾波器波形圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實施例的方法中使用的經(jīng)過傅里葉變換后得到的光程差-強(qiáng)度域內(nèi)的濾波器波形圖；
[0021 ]圖4為引入非線性噪聲的正弦信號波形圖；
[0022]圖5為采用本發(fā)明的頻域濾波方法的變換結(jié)果；
[0023]圖6為不采用本發(fā)明的頻域濾波方法的變換結(jié)果。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]對于傅里葉光譜儀通過對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖的過程，目前的數(shù)據(jù)處理方法中，頻域濾波作為一種常用的噪聲處理方法并沒有在其中，其原因在于光譜圖得到后可以根據(jù)硬件的特性，如光源的波長范圍，探測器響應(yīng)范圍等等來直接確定光譜圖的有效性范圍，這樣的做法實際上是建立在傅里葉變換之前的所有處理方法均為線性的假設(shè)基礎(chǔ)之上的。然而我們發(fā)現(xiàn)事實并非如此，對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖的數(shù)據(jù)處理過程中補(bǔ)零和相位校正的過程中均會引入非線性變換的方法，因此在光譜圖上的濾波和傅里葉變換之前的濾波并不等效，因此為了除去非目標(biāo)譜段范圍內(nèi)的噪音，本發(fā)明設(shè)計了一種新的處理流程，即，在傅里葉變換之前，尤其是非線性操作之前進(jìn)行帶通濾波，以減小噪聲對于數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。
[0026]基于以上分析，如圖1所示，本發(fā)明的基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法，采用以下步驟:
[0027]S1、對采集的干涉圖進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理:去除直流分量(此步有時在電路設(shè)計部分已經(jīng)去除直流分量，根據(jù)需要進(jìn)行選擇)、采用最小二乘法消除趨勢項(由于測量系統(tǒng)性能、雜散光以及操作等原因，會產(chǎn)生一個線性的或漸變的趨勢誤差，因此需要這一步)、抑制隨機(jī)噪聲干擾。
[0028]S2、針對目標(biāo)波長生成光譜圖域內(nèi)的矩形濾波器，比如圖2所示為100nm至ISOOnm的濾波器，并對其做傅里葉變換，得到光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器，如圖3所示，用光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波；
[0029]S3、對于濾波后的數(shù)據(jù)，利用切趾法，通過加窗來緩和邊緣的不連續(xù)性，使旁瓣的高度趨近于零，從而使能量相對集中在主瓣。
[0030]離散頻譜分析由于時域截斷為有限長度，不可避免存在能量泄漏現(xiàn)象，導(dǎo)致光譜畸變，產(chǎn)生旁瓣現(xiàn)象，影響鄰近譜線尤其是較弱譜線的準(zhǔn)確測量。因此本步驟利用切趾法，通過加窗來緩和邊緣的不連續(xù)性，使旁瓣的高度趨近于零，從而使能量相對集中在主瓣，得到較為接近真實的頻譜?？梢愿鶕?jù)情況采用三角窗、梯形窗、Hanning窗、布萊克曼窗、高斯函數(shù)和Norton-Beer函數(shù)中的一種進(jìn)行加窗處理。
[0031]S4、對步驟S3處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正，以消除傅里葉光譜儀干涉圖測量中所引起的非對稱性；
[0032]本步驟相位校正的目的在于消除傅里葉變換光譜儀干涉圖測量中各種原因所引起的非對稱性。理想情況下，雙邊采樣干涉圖是完全對稱于零光程差點(diǎn)，并且采樣從零光程差對稱地、等間隔地進(jìn)行。但是，由于干擾因素的存在，采樣點(diǎn)偏離光程差位置，造成雙邊采樣干涉圖不對稱;對于單邊采樣干涉圖而言，未從零光程差開始采樣，影響復(fù)原光譜的準(zhǔn)確性。根據(jù)情況采用Connes求平方根法、Mertz乘積法和Forman卷積法中的一種進(jìn)行相位校正。
[0033]S5、將干涉圖數(shù)據(jù)補(bǔ)零至2N個。
[0034]通常情況下，傅里葉變換要求計算數(shù)據(jù)為2~個，而采集獲得的干涉圖數(shù)據(jù)往往不能夠滿足這一條件，因此本步驟中進(jìn)行補(bǔ)零操作，本例中數(shù)據(jù)量為1000，因此需要將數(shù)據(jù)補(bǔ)零至1024個。
[0035]S6、通過傅里葉變換將經(jīng)過步驟SI至S5處理后的干涉圖轉(zhuǎn)換為光譜圖。
[0036]下面說明本發(fā)明方法的實驗結(jié)果:對于單一頻率的正旋波，引入非線性噪聲后，結(jié)果如圖4所示，采取包含頻域濾波和不包含頻域濾波后的傅立葉變換結(jié)果如圖5和圖6所示，其中采用頻域濾波后目標(biāo)型號的峰峰對比度為19.96比不采用頻域濾波的峰峰值17.74高出了 12.5%，說明本發(fā)明的方法在非線性噪聲的影響下對于信號的還原能力比傳統(tǒng)方法有著更好的表現(xiàn)。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、對采集的干涉圖進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理； 52、針對目標(biāo)波長生成光譜圖域內(nèi)的矩形濾波器，并對其做傅里葉變換，得到光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器，用光程差-干涉強(qiáng)度內(nèi)的濾波器對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波； 53、對于濾波后的數(shù)據(jù)，利用切趾法，通過加窗來緩和邊緣的不連續(xù)性，使旁瓣的高度趨近于零，從而使能量相對集中在主瓣； 54、對步驟S3處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正，以消除傅里葉光譜儀干涉圖測量中所引起的非對稱性； 55、將干涉圖數(shù)據(jù)補(bǔ)零至2N個； 56、通過傅里葉變換將經(jīng)過步驟SI至S5處理后的干涉圖轉(zhuǎn)換為光譜圖。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟SI具體包括消除趨勢項步驟和抑制隨機(jī)噪聲干擾步驟。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中采用三角窗、梯形窗、Hanning窗、布萊克曼窗、高斯函數(shù)和Norton-Beer函數(shù)中的一種進(jìn)行加窗處理。4.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步驟S4中采用Connes求平方根法、Mer t z乘積法和Forman卷積法中的一種進(jìn)行相位校正。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于頻域分析的傅里葉光譜數(shù)據(jù)線性濾波處理方法，屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后、非線性操作之前就進(jìn)行頻率濾波，避免了對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖的數(shù)據(jù)處理流程中，補(bǔ)零和相位校正的過程所引入的非線性處理操作所引起的光譜數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的問題，從而提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
【IPC分類】G01J3/45
【公開號】CN105509888
【申請?zhí)枴緾N201510887218
【發(fā)明人】劉舒揚(yáng), 周濤, 賈曉東, 蘇建忠
【申請人】天津津航技術(shù)物理研究所
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月4日