[發明專利]一種提高大氣探測傅里葉光譜儀信噪比的方法

有效

• 申請號: 201611045931.9
• 申請日: 2016-11-22
• 公開（公告）號: CN106841086B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 王建宇;榮鵬;于雙江;蘇浩航;倪建軍;張磊;閆靜純;程甘霖;黃競
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01J3/45
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

一種提高大氣探測傅里葉紅外光譜儀信噪比的方法，根據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行采樣，并把每一個過零點脈沖周期細分成若干等時間間隔的子脈沖，利用細分后的子脈沖作為觸發信號，實現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信息變換成光程差坐標信息，并對過零點之間的采樣數據進行等光程差插值重采樣計算，對重采樣后數據進行數字降采樣濾波。本發明方法提高了數據采樣頻率并實現了數字濾波，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。

技術領域

本發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方法。

背景技術

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制型紅外干涉儀，依靠動鏡的機械擺掃運動來對光進行調制。傅里葉光譜儀只能直接得到目標物的干涉曲線，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上的信噪比和整個干涉圖的信噪比相關。在光譜儀數據實際反演分析中，吸收系數的計算結果準確度依賴于探測信號對于各種影響因素的敏感程度，當影響吸收特性的信號被噪聲淹沒時，吸收系數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，是決定系統輻射分辨率的重要因素，對數據恢復精度有著密切關系。

實現較高的探測光譜SNR一般從兩個方面入手，一是增強探測目標強度，二是減小系統噪聲水平。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生偏差，同時強的環境噪聲還會“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。

傳統的傅里葉光譜儀在降噪處理上采用探測器預放大之后加裝高階模擬濾波器的方法，例如采用多片MAX274芯片級連構建模擬濾波器，以阻止噪聲信號進入數據采集模塊，達到提高信噪比和降噪目的。

采用硬件實現高階模擬濾波器時存在以下不足之處：

(1)受模擬濾波芯片數量和功能的限制及專用設計軟件的限制，模擬濾波器設計復雜，在參數調整上非常困難；

(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，系統的采樣頻率較低，使帶外噪聲容易混疊到探測光譜帶內，增加了探測光譜帶內的噪聲，較低了信噪比；

(4)模擬濾波器無法濾除模數轉換器采樣引入的量化噪聲。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，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。

本發明的技術解決方案是：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行采樣，記錄過零點脈沖當前周期內參考時鐘的整周期個數計數值為n₂，過零點脈沖當前周期的前一周期內參考時鐘的整周期個數計數值為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；