调制光谱信号的谐波小波分析方法
【专利摘要】一种基于可调谐半导体激光吸收谱（TDLAS）的波长调制光谱信号的谐波小波分析方法。其实现过程为：1.建立可调谐半导体激光吸收谱调制信号的谐波小波方程式；2.采用分解算法计算信号的谐波小波展开的系数；3.根据小波分解层数与分析频段对应关系确定分析信号所需要的分解层数；4.保留需要频段的谐波小波系数，经过傅里叶变换得到该频段信号；5.构造该频段的包络函数；6.该频段信号经过取包络过程得到TDLAS调制信号的倍频信号。
【专利说明】调制光谱信号的谐波小波分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学测量【技术领域】，更近一步涉及一种基于谐波小波原理的可调谐半导体激光吸收谱(TDLAS)调制信号分析方法，可用于基于TDLAS技术的气体温度、浓度及气流速度方面的测量。
【背景技术】
[0002]可调谐半导体激光吸收谱(TDLAS)技术因其受气体环境影响小、响应速度快、可靠性高、不会对被测环境造成扰动等突出优点在众多新型测量技术中脱颖而出，受到广泛重视。TDLAS技术中的波长调制谱技术对激光光强进行高频的调制，能够应用于噪声较大的环境中，因而应用非常广泛。波长调制谱技术采用了高频调制信号，其测量信息包含在谐波信号之中，通过对谐波信号进行分析得到气体温度、浓度及气流速度方面的测量结果。现有的TDLAS调制信号分析方法有以下一种。
[0003]TDLAS调制信号数字锁相分析方法。例如，Li Hejie在博士论文“NEAR-1NFRAREDDIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY WITH APPLICATIONS TO REACTIVE SYSTEMS ANDCOMBUSTION CONTROL”:46-50中提出利用数字锁相的方法对TDLAS调制信号进行谐波信号检测，但是该方法所检测的信号包含较多杂质信号，结果不是很精确，影响TDLAS技术的检测精度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，根据TDLAS调制信号的特点，采用谐波小波原理对调制信号进行分解，根据倍频信号的频段，得到分析信号所需要的分解层数。在此基础上，提出了一种适用于TDLAS调制信号的谐波小波分析方法，实现较为精确的倍频信号提取。
[0005]本发明的具体实施步骤如下:
[0006]I)建立谐波小波表达式:利用经典谐波小波公式，并且使之能够反映小波在尺度方向上的压缩和平移得到适用于频段分析的谐波小波方程:
[0007]h(2Jt-k) = [exp(i4 3i (2Jt_k))-exp (i2 π (2Jt-k))]/i2 π (2Jt_k)
[0008]其中j，kez;
[0009]2)计算谐波小波展开系数
[0010]2a)对实信号进行离散傅里叶变换，得到相应的傅里叶系数；
[0011]2b)基于谐波小波快速算法，谐波小波系数由步骤2a)中的傅里叶系数分段，对每一段傅里叶系数进行IFFT变换得到对应的谐波小波系数；
[0012]3)确定信号分解层数
[0013]3a)取TDLAS调制信号的倍频；
[0014]3b)根据离散信号的分析频率fN来划分倍频信号的频段；
[0015]3c)将该频段带入谐波小波分解层数与信号分析频带划分的对应关系，得到分析信号所需要的分解层数；
[0016]4)取频段信号
[0017]4a)根据所需频段对应的分解层数，取出该层中谐波小波系数；
[0018]4b)根据谐波小波快速算法，将该层谐波小波系数进行一系列傅里叶变换得到信号的傅里叶系数；
[0019]4c)将傅里叶系数进行傅里叶逆变换得到步骤3b)中频段对应的离散信号；
[0020]5)构造包络函数；
[0021]5a)基于3(a)中的TDLAS调制信号的倍频，建立对应频率的正弦和余弦离散信号;
[0022]5b)将正弦与余弦信号分别乘以需要取包络的信号，得到两路信号；
[0023]5c)建造低通滤波器，并将5b)中得到的两路信号分别通过该滤波器；
[0024]5d)将通过滤波器的两路信号逐点进行平方、相加和开根号运算；
[0025]6)取倍频信号:将4c)中的离散信号带入包络函数中进行运算，得到TDLAS调制信号的倍频信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明的流程 图；
[0027]图2为仿真的调制光谱信号图；
[0028]图3为利用数字滤波方法，设置巴特沃斯滤波器阶数为6，低通截止频率分别为28kHz、38kHz、48kHz和62kHz，得到的2倍频信号图；
[0029]图4为利用数字滤波方法，设置巴特沃斯滤波器低通截止频率为48kHz，滤波器阶数分别为2阶、3阶、4阶和6阶，得到的2倍频信号图；
[0030]图5为本发明的谐波小波分析方法得到的频段信号和2倍频信号；
[0031]图6为本发明的谐波小波分析方法得到的2倍频信号与仿真的2倍频信号的比较图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0033]参照图1，本发明的具体实施步骤如下:
[0034]步骤1.建立谐波小波表达式。
[0035]经典谐波小波表达式如下:
【权利要求】
1.一种调制光谱信号的谐波小波分析方法，包括如下步骤: 1)建立谐波小波表达式:利用经典谐波小波公式，并且使之能够反映小波在尺度方向上的压缩和平移得到适用于频段分析的谐波小波方程:
h(2Jt-k) = [exp(i4 3i (2Jt_k))-exp (i2 π (2Jt-k))]/i2 π (2Jt_k) 其中j，k e Z ; 2)计算谐波小波展开系数； 2a)对实信号进行离散傅里叶变换，得到相应的傅里叶系数； 2b)基于谐波小波快速算法，谐波小波系数由步骤2a)中的傅里叶系数分段，对每一段傅里叶系数进行IFFT变换得到对应的谐波小波系数； 3)确定信号分解层数 3a)取TDLAS调制信号的倍频； 3b)根据离散信号的分析频率fN来划分倍频信号的频段； 3c)将该频段带入谐波小波分解层数与信号分析频带划分的对应关系，得到分析信号所需要的分解层数； 4)取频段信号 4a)根据所需频段对应的分解层数，取出该层中谐波小波系数； 4b)根据谐波小波快速算法，将该层谐波小波系数进行一系列傅里叶变换得到信号的傅里叶系数； 4c)将傅里叶系数进行傅里叶逆变换得到步骤3b)中频段对应的离散信号； 5)构造包络函数 5a)基于3a)中的TDLAS调制信号的倍频，建立对应频率的正弦和余弦离散信号； 5b)将正弦与余弦信号分别乘以需要取包络的信号，得到两路信号； 5c)建造低通滤波器，并将5b)中得到的两路信号分别通过该滤波器； 5d)将通过滤波器的两路信号逐点进行平方、相加和开根号运算； 6)取倍频信号:将4c)中的离散信号带入包络函数中进行运算，得到TDLAS调制信号的倍频信号。
2.根据权利要求1所述的调制光谱信号的谐波小波分析方法，其特征在于:所述步骤3a)中倍频由TDLAS调制信号所确定。
3.根据权利要求1所述的调制光谱信号的谐波小波分析方法，其特征在于:所述步骤5a)中的正弦与余弦离散信号的频率与TDLAS调制信号的倍频相同。
4.根据权利要求1所述的调制光谱信号的谐波小波分析方法，其特征在于:所述步骤5b)中需要取包络的信号是通过步骤1、2、3、4所得到的离散信号。
5.根据权利要求1所述的调制光谱信号的谐波小波分析方法，其特征在于:所述步骤5c)中的低通滤波器为巴特沃斯低通滤波器。
【文档编号】G06F19/00GK103886199SQ201410101814
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】金星, 王广宇, 周鑫 申请人:中国人民解放军装备学院