[发明专利]一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法

说明书

一种提高大气探测傅里叶红外光谱仪信噪比的方法，根据傅里叶红外光谱仪的工作原理，通过高频时钟对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零脉冲进行采样，并把每一个过零点脉冲周期细分成若干等时间间隔的子脉冲，利用细分后的子脉冲作为触发信号，实现对红外干涉信号的过采样，将采集到的红外干涉信号采样点的时间坐标信息变换成光程差坐标信息，并对过零点之间的采样数据进行等光程差插值重采样计算，对重采样后数据进行数字降采样滤波。本发明方法提高了数据采样频率并实现了数字滤波，不仅可以消除采样中的混叠噪声和量化噪声，也避免了模拟滤波元器件本身引入噪声，从而提高了光谱仪的信噪比。

技术领域

本发明涉及一种提高光谱仪信噪比的方法。特别是对高光谱分辨率、干涉信号微弱的大气探测傅里叶光谱仪提高光谱信噪比的实现方法。

背景技术

大气探测傅里叶红外光谱仪是一种以迈克耳逊干涉仪为核心的时间调制型红外干涉仪，依靠动镜的机械摆扫运动来对光进行调制。傅里叶光谱仪只能直接得到目标物的干涉曲线，某一谱段上的能量是通过干涉图的傅里叶变换获得，所以每一个光谱波数上的信噪比和整个干涉图的信噪比相关。在光谱仪数据实际反演分析中，吸收系数的计算结果准确度依赖于探测信号对于各种影响因素的敏感程度，当影响吸收特性的信号被噪声淹没时，吸收系数的计算精度也就受到了限制，对理想情况而言，1％的反演精度需要100∶1的光谱信噪比 (SNR)。因此干涉图信噪比是傅里叶光谱仪的一个重要指标，是决定系统辐射分辨率的重要因素，对数据恢复精度有着密切关系。

实现较高的探测光谱SNR一般从两个方面入手，一是增强探测目标强度，二是减小系统噪声水平。大气成份探测利用大气对太阳光的吸收光谱，直接采用太阳光作为系统的输入辐射源，因此很难再依靠辐射源来提高探测光谱 SNR。从降低系统噪声水平的角度，傅里叶光谱仪在接收测量光谱信息的同时也接收测量了噪声信号。这些可能的噪声包括探测器噪声、辐射源光子噪声，还包括光源强度微小变化引起的噪声、外界振动干扰引入的噪声、电子线路引起的噪声、数字量化噪声等，这些变化的噪声信号会加到被测光谱信号中，使输出的光谱既包含被测光谱信号也包含噪声信号。

使用宽频率响应的探测器引入不必要的噪声会干扰正常的红外干涉信号.使傅里叶变换得到的光谱产生偏差，同时强的环境噪声还会“掩盖”光谱信号中的弱吸收峰，从而限制光谱分析的检出限。因此，必须对光谱转换前的红外干涉信号作滤波处理，尽可能消除噪声对真实信号的干扰。

传统的傅里叶光谱仪在降噪处理上采用探测器预放大之后加装高阶模拟滤波器的方法，例如采用多片MAX274芯片级连构建模拟滤波器，以阻止噪声信号进入数据采集模块，达到提高信噪比和降噪目的。

采用硬件实现高阶模拟滤波器时存在以下不足之处：

(1)受模拟滤波芯片数量和功能的限制及专用设计软件的限制，模拟滤波器设计复杂，在参数调整上非常困难；

(2)模拟滤波器元器件本身也会引入噪声；

(3)大气探测光谱仪的光谱带宽窄，系统的采样频率较低，使带外噪声容易混叠到探测光谱带内，增加了探测光谱带内的噪声，较低了信噪比；

(4)模拟滤波器无法滤除模数转换器采样引入的量化噪声。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种可有效滤除噪声，提高傅里叶光谱仪信噪比的方法。

本发明的技术解决方案是：一种提高大气探测傅里叶光谱仪信噪比的方法，步骤如下：

(1)将周期为T₀的高频时钟作为参考时钟信号，对傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲进行采样，记录过零点脉冲当前周期内参考时钟的整周期个数计数值为n₂，过零点脉冲当前周期的前一周期内参考时钟的整周期个数计数值为n₁。所述过零点脉冲周期即为傅里叶光谱仪激光干涉信号的过零点脉冲周期；