[发明专利]一种准梯形窗的红外光谱切趾方法及系统

说明书

本发明提供一种准梯形窗的红外光谱切趾方法及系统，方法包括：分析不少于2种的经典窗函数，据以选择R‑V窗函数作为母函数；时域自卷积处理母函数，根据母函数构建旁瓣性能适用的自卷积R‑V窗函数；引入可调参数和矩形窗函数，据以改进自卷积R‑V窗函数，以得到准梯形窗函数；利用准梯形窗函数进行旁瓣抑制，根据p阶自卷积窗R‑V函数时域表达式，调节比例系数rT及卷积阶数P，以进行切趾操作。本发明解决了易产生虚假峰值信号、易导致仪器信噪比下降、抑制频谱泄漏效果较差以及稳定性及灵活性低的技术问题。

技术领域

本发明涉及红外光谱数据处理领域，具体涉及一种准梯形窗的红外光谱切趾方法及系统。

背景技术

近年来，傅里叶变换红外光谱技术已广泛应用于石油工业、生物医学、航空航天、环境科学等诸多研究领域。在傅里叶红外多组分气体分析仪中，目标干涉数据的处理是光谱复原技术的核心问题，影响着气体浓度反演的精确度。在光谱复原的过程中，由于实际的干涉仪只能提供有限的光程差，直接使用傅里叶变换会导致频谱能量泄漏。为了减少频谱泄漏，需要采用合适的切趾函数对信号进行处理，因此干涉图的切趾加权环节是干涉数据处理的重要组成部分。傅里叶变换是干涉数据分析处理的常用方法，由于截断效应，对样本数据直接进行傅里叶变换时会发生频谱泄漏，一般采用切趾函数加权的方法减小频谱泄漏。

近年来，众多学者对采用切趾函数处理光谱信号进行了深入而广泛的研究。Norton等提出了一种适用于傅里叶光谱的切趾函数并详细讨论了三个特定的功能，在此工作的基础之上，Naylor等提出一种余弦组合窗函数最佳系数的确定方法，该方法确定的系数可以使旁瓣性能一定时分辨率最优，该函数实现和计算简单，可用于研究光谱信噪比与光谱分辨率之间的权衡。相里斌等研究了一种小双边加权和大双边三角形切趾方法，这种方法能够保证复原光谱的准确性和切趾效果。陈洁婧等针对不同信噪比的干涉图，利用蒙特卡罗方法对不同线宽的不同切趾函数的优化反演结果进行分析。He Qian等利用光谱功率集中在主瓣的特点，通过高阶自卷积窗获得优化的空间分辨率。目前，新型窗函数的构建主要有两种方式：一种是通过调节经典窗函数的系数或参数，构建具有不同频域性能的窗函数，如具有不同项数或系数的余弦组合窗、Kaiser窗等；另一种是通过对经典窗函数进行时域卷积构建卷积窗，以提升频域旁瓣性能。例如公布号为CN106908768A的现有发明申请文献《一种超低旁瓣的脉冲压缩方法》具体包括以下过程：步骤1、发射端根据发射的线性调频信号s(t)，设计加权窗函数w(t)，将发射信号变为s(t)×w(t)；步骤2、根据发射信号，在接收端设计对应的脉冲压缩匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，所述旁瓣抑制滤波器w(t)是根据加权窗函数w(t)设计；步骤3、根据接收端匹配滤波器h(t)和旁瓣抑制滤波器w(t)，计算回波信号的脉冲压缩结果y(t)＝[s(t)×w(t)]*[h(t)×w(t)]；步骤4、将发射端的加权窗函数取消，在接收端设计等效的滤波器hw(t)，并根据频域实现方法计算等效滤波器hw(n)；步骤5、在发射端发射线性调频信号s(t)，接收端设计脉冲压缩等效滤波器hw(n)，获得超低旁瓣。从该现有方案中的具体实现内容可知，该现有技术在脉冲压缩滤波器的后面级联一个具有锥削函数频率响应的旁瓣抑制滤波器，设计该旁瓣抑制滤波器与发射端的加权窗函数相同，而该加权窗函数为海明窗或者凯撒窗或者布莱克窗。又例如公布号为CN102322880A的现有发明专利文献《偏振敏感的分布式光频域反射扰动传感装置和解调方法》包括超窄线宽可调谐激光器模块，偏振产生和偏振分集探测模块，光频和相位监控模块，高速光开关模块，组成大规模长距离光传感网络。解调方法上采用光频非线性及光源相位噪声的抑制和补偿，超分辨分析方法，先进去噪方法以及基于光纤分布式波片模型的琼斯和穆勒矩阵的偏振解算方法实现传感光缆中偏振信息提取。由前述现有方案中针对信号进行谱分析处理后，抑制信号旁瓣的具体实现内容中，可知前述现有技术方案采用了窗函数：凯泽窗或高斯窗或布莱克窗来抑制信号旁瓣。但是，对经典窗系数或参数的调节改善窗的主瓣或旁瓣性能的程度有限，而时域卷积运算虽可以大幅提升旁瓣性能，但会使窗函数主瓣变宽，灵活性低。

综上，现有技术存在易产生虚假峰值信号、易导致仪器信噪比下降、抑制频谱泄漏效果较差以及稳定性及灵活性低的技术问题。