一種氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及于大氣探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氣體瑞利布里淵散射信號復(fù)原方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國工業(yè)化進程的加快，環(huán)境污染問題已經(jīng)愈加嚴重，尤其是近些年來大氣 污染已經(jīng)對人民群眾的生產(chǎn)生活產(chǎn)生負面影響。公眾對大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注度也越來越 高。由于激光技術(shù)的發(fā)展，瑞利布里淵散射已經(jīng)成為一種新興的大氣探測技術(shù)。氣體瑞利布 里淵散射技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)對氣體溫度、壓強等物理參數(shù)的測量，為大氣環(huán)境的監(jiān)測提供 一種可行技術(shù)。
[0003] 目前，氣體瑞利布里淵散射技術(shù)還面臨分辨率低的問題。在常溫和低壓條件下，氣 體瑞利布里淵散射頻譜的測量過程中，真實信號受到分頻器的影響，分辨率降低，布里淵峰 與瑞利峰很難分辨出來。為彌補難以分辨這一不足，我們采用維納濾波結(jié)合奇異值截斷 (TSVD)的方法提高氣體瑞利布里淵散射散射頻譜的分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對上述技術(shù)存在的問題，提出一種通過維納濾波器來實現(xiàn)提高氣體瑞利 布里淵散射散射頻譜分辨率的信號復(fù)原方法，消除分頻器的影響，復(fù)原出真實的氣體瑞利 布里淵散射信號，從而提高氣體物理量測量的準確度。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的。一種氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原 方法，包括:空氣池、分頻器、探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，空氣池出射氣體瑞利布里淵散 射信號，經(jīng)由分頻器出射至探測器;探測器的信號由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，最后由計算機記 錄和顯示;探測器接收到的信號為空氣池出射光信號與分頻器傳遞函數(shù)的卷積;運用計算 機運算求得與分頻器傳遞函數(shù)對應(yīng)的托布利茲方程;利用奇異值截斷(TSVD)的方法，選取 與最大的奇異值比值大于0.1的奇異值;使用奇異值截斷的方法可以提高維納濾波器傳遞 函數(shù)求解的精確度和穩(wěn)定性;將維納濾波器傳遞函數(shù)與探測器觀測數(shù)據(jù)相卷積則獲得氣體 瑞利布里淵散射信號，最后使用氣體瑞利布里淵理論模型以及其解析模型與復(fù)原后的氣體 瑞利布里淵散射信號擬合，測得氣體物理量。
[0006] 所述物理量是壓強、溫度、體粘滯系數(shù)和聲速。
[0007] 本發(fā)明通過數(shù)值計算的方法求得維納濾波器傳遞函數(shù)，也是分頻器的反信號，進 而復(fù)原真實氣體瑞利布里淵散射信號。該方法可以提高氣體瑞利布里淵散射頻譜信號的分 辨率，實現(xiàn)了對氣體壓強、溫度等物理量的準確測量，是一種可行的分析驗證實驗結(jié)果的方 法。利用奇異值截斷的方法求解分頻器傳遞函數(shù)的反信號，求解結(jié)果準確且穩(wěn)定、操作簡 單、可行性強。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明中氣體瑞利布里淵散射裝置示意圖；
[0009] 圖2是本發(fā)明中與分頻器傳遞函數(shù)自相關(guān)的對應(yīng)托布利茲矩陣的奇異值分布圖；
[0010] 圖3是本發(fā)明中的氣體瑞利布里淵散射信號復(fù)原后結(jié)果的擬合圖。
[0011] 圖中：1.空氣池、2.分頻器、3.探測器、4.數(shù)據(jù)采集卡、5.計算機。
【具體實施方式】
[0012] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明中氣體瑞利布里淵 散射裝置示意圖，空氣池1出射氣體瑞利布里淵散射信號，經(jīng)由分頻器2出射至探測器3;探 測器3的信號由數(shù)據(jù)采集卡4進行采集，最后由計算機5記錄和顯示。圖2是本發(fā)明中與分頻 器2傳遞函數(shù)自相關(guān)序列對應(yīng)的托布利茲矩陣的奇異值分布圖，其橫坐標是奇異值的序號 數(shù)，縱坐標是每一個奇異值與最大奇異值的比值。如圖2所示，奇異值截斷法舍去該比值小 于0.1的奇異值。圖3是本發(fā)明中的氣體瑞利布里淵散射信號復(fù)原后結(jié)果的擬合圖，白色空 心點為探測器3采集的原始數(shù)據(jù)，灰色點為復(fù)原后的信號，黑色實心點為擬合后理論模型譜 線。
[0013] -種氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原方法，記空氣池 1出射瑞利布里淵散射信 號為X，分頻器2傳遞函數(shù)為w，探測器3觀測信號為y。根據(jù)卷積公式則三者關(guān)系有：
[0014]
基于維納濾波器輸出與沖激函數(shù)最佳逼近的思 想設(shè)計一個濾波器G，得出托布利茲方程：
[0016] 式中：r?是分頻器2傳遞函數(shù)的自相關(guān)序列，rsw是沖激函數(shù)與分頻器2傳遞函數(shù)的 互相關(guān)序列。
[0017]
則托布利茲方的矩陣形式如下，并記為RG=W。
[0019]將托布利茲矩陣R作奇異值分解：
[0021] 式中：U、V是由左右奇異向量m和Vi組成的矩陣，并且有性質(zhì):UUH = E、VVH = E，由奇 異值組成的對角矩陣，且對角線元素有2 〇2 2…2 〇m+1 2 0,其分布如圖2所示。
[0022]利用矩陣U和V的正交性質(zhì)，托布利茲方程的解：
[0024]式中：Σ是由組成的對角矩陣。
[0025]可以看出，在求倒數(shù)之后極小奇異值會產(chǎn)生極大奇異值，給托布利茲方程的求解 帶來極大誤差。為消除誤差，本發(fā)明采用截斷極小奇異值的方法。選取前r個數(shù)值大于最大 奇異值0.1倍的奇異值、舍去剩下數(shù)值微小的奇異值便得到既準確又穩(wěn)定的解G，BP:
[0027] 所求G既是所設(shè)計濾波器傳遞函數(shù)，也是分頻器2傳遞函數(shù)的反信號。將所求濾波 器傳遞函數(shù)G與探測器3觀測信號y相卷積便可獲得從空氣池1出射真實的氣體瑞利布里淵 散射信號頻譜X:
[0028] x=G*y ；
[0029] 最后依據(jù)最小二乘法，用理論模型與復(fù)原后的信號擬合便可得到氣體溫度、壓強。
[0030] 維納濾波器的基本思想是輸出與沖激函數(shù)最佳逼近，基于該思想結(jié)合奇異值截斷 法求解分頻器2傳遞函數(shù)的反信號。將所求反信號與探測器探測的信號相卷積即可消除分 頻器2的影響，復(fù)原出真實的氣體瑞利布里淵散射信號，提高氣體物理量測量的準確度。
[0031] 依據(jù)上述理論，已知傳遞函數(shù)w和觀測序列y，將觀測序列信號主要分以下七個步 驟：
[0032] 1.由計算機計算得到分頻器2傳遞函數(shù)w的自相關(guān)序列，并由該自相關(guān)序列得到托 布利茲矩陣R;
[0033] 2.由計算機計算沖激函數(shù)δ與傳遞函數(shù)W的互相關(guān)序列，得到托布利茲方程等號右 邊的列向量W;
[0034] 3.建立等式RG=W，求解維納濾波器傳遞函數(shù)G;
[0035] 4.將托布利茲矩陣R作奇異值分解，得到左右奇異向量m、Vi，以及m+1個奇異值
[0036] (σι > 〇2 > ··· > om+i > 〇)；
[0037] 5.依據(jù)以下公式，選取前r個與m+1個奇異值中最大值比值大于0.1的奇異值，結(jié)合 相應(yīng)的左右奇異向量得到精確且穩(wěn)定的維納濾波器傳遞函數(shù)的解：
[0039] 6.根據(jù)卷積公式，將觀測序列信號y與維納濾波器傳遞函數(shù)G卷積，得到復(fù)原之后 的信號:x=G*y;
[0040] 最后將復(fù)原之后的信號X與理論模型擬合得到溫度、壓強等物理量。
【主權(quán)項】
1. 一種氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原方法，包括:空氣池、分頻器、探測器、數(shù)據(jù)采 集卡和計算機，其特征在于，空氣池出射氣體瑞利布里淵散射信號，經(jīng)由分頻器出射至探測 器;探測器的信號由數(shù)據(jù)采集卡進行采集，最后由計算機記錄和顯示;探測器3接收到的信 號為空氣池出射光信號與分頻器傳遞函數(shù)的卷積;運用計算機運算求得與分頻器傳遞函數(shù) 對應(yīng)的托布利茲方程;利用奇異值截斷的方法，選取與最大的奇異值比值大于0.1的奇異 值;使用奇異值截斷的方法可以提高維納濾波器傳遞函數(shù)求解的精確度和穩(wěn)定性;將維納 濾波器傳遞函數(shù)與探測器觀測數(shù)據(jù)相卷積則獲得氣體瑞利布里淵散射信號，最后使用氣體 瑞利布里淵理論模型以及其解析模型與復(fù)原后的氣體瑞利布里淵散射信號擬合，測得氣體 物理量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原方法，其特征在于，所述物 理量是壓強、溫度、體粘滯系數(shù)和聲速。
【專利摘要】<b>一種氣體瑞利布里淵散射頻譜信號復(fù)原方法</b><b>，</b>該方法通過奇異值截斷求解一個精確穩(wěn)定的維納濾波器傳遞函數(shù)，并將探測器所觀測信號作為該濾波器的輸入，輸出得到復(fù)原后的氣體瑞利布里淵散射頻譜信號。通過該方法可以提高氣體瑞利布里淵散射頻譜信號的分辨率，實現(xiàn)了對氣體壓強、溫度等物理量的準確測量。其實驗裝置主要包括氣池、分頻器、探測器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。
【IPC分類】G01N21/53
【公開號】CN105572077
【申請?zhí)枴緾N201610136406
【發(fā)明人】余歡, 吳濤, 何興道
【申請人】南昌航空大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年3月10日