一种气体瑞利布里渊散射频谱信号复原方法技术

一种气体瑞利布里渊散射频谱信号复原方法，该方法通过奇异值截断求解一个精确稳定的维纳滤波器传递函数，并将探测器所观测信号作为该滤波器的输入，输出得到复原后的气体瑞利布里渊散射频谱信号。通过该方法可以提高气体瑞利布里渊散射频谱信号的分辨率，实现了对气体压强、温度等物理量的准确测量。其实验装置主要包括气池、分频器、探测器、数据采集卡和计算机。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及于大气探测
，特别涉及一种气体瑞利布里渊散射信号复原方 法。
技术介绍
随着我国工业化进程的加快，环境污染问题已经愈加严重，尤其是近些年来大气 污染已经对人民群众的生产生活产生负面影响。公众对大气环境质量的关注度也越来越 高。由于激光技术的发展，瑞利布里渊散射已经成为一种新兴的大气探测技术。气体瑞利布 里渊散射技术已经可以实现对气体温度、压强等物理参数的测量，为大气环境的监测提供 一种可行技术。 目前，气体瑞利布里渊散射技术还面临分辨率低的问题。在常温和低压条件下，气 体瑞利布里渊散射频谱的测量过程中，真实信号受到分频器的影响，分辨率降低，布里渊峰 与瑞利峰很难分辨出来。为弥补难以分辨这一不足，我们采用维纳滤波结合奇异值截断 (TSVD)的方法提高气体瑞利布里渊散射散射频谱的分辨率。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术存在的问题，提出一种通过维纳滤波器来实现提高气体瑞利 布里渊散射散射频谱分辨率的信号复原方法，消除分频器的影响，复原出真实的气体瑞利 布里渊散射信号，从而提高气体物理量测量的准确度。 本专利技术采用以下技术方案实现上述目的。一种气体瑞利布里渊散射频谱信号复原 方法，包括:空气池、分频器、探测器、数据采集卡和计算机，空气池出射气体瑞利布里渊散 射信号，经由分频器出射至探测器;探测器的信号由数据采集卡进行采集，最后由计算机记 录和显示;探测器接收到的信号为空气池出射光信号与分频器传递函数的卷积;运用计算 机运算求得与分频器传递函数对应的托布利兹方程;利用奇异值截断(TSVD)的方法，选取 与最大的奇异值比值大于0.1的奇异值;使用奇异值截断的方法可以提高维纳滤波器传递 函数求解的精确度和稳定性;将维纳滤波器传递函数与探测器观测数据相卷积则获得气体 瑞利布里渊散射信号，最后使用气体瑞利布里渊理论模型以及其解析模型与复原后的气体 瑞利布里渊散射信号拟合，测得气体物理量。 所述物理量是压强、温度、体粘滞系数和声速。 本专利技术通过数值计算的方法求得维纳滤波器传递函数，也是分频器的反信号，进 而复原真实气体瑞利布里渊散射信号。该方法可以提高气体瑞利布里渊散射频谱信号的分 辨率，实现了对气体压强、温度等物理量的准确测量，是一种可行的分析验证实验结果的方 法。利用奇异值截断的方法求解分频器传递函数的反信号，求解结果准确且稳定、操作简 单、可行性强。【附图说明】 图1是本专利技术中气体瑞利布里渊散射装置示意图； 图2是本专利技术中与分频器传递函数自相关的对应托布利兹矩阵的奇异值分布图； 图3是本专利技术中的气体瑞利布里渊散射信号复原后结果的拟合图。 图中：1.空气池、2.分频器、3.探测器、4.数据采集卡、5.计算机。【具体实施方式】 以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术中气体瑞利布里渊 散射装置示意图，空气池1出射气体瑞利布里渊散射信号，经由分频器2出射至探测器3;探 测器3的信号由数据采集卡4进行采集，最后由计算机5记录和显示。图2是本专利技术中与分频 器2传递函数自相关序列对应的托布利兹矩阵的奇异值分布图，其横坐标是奇异值的序号 数，纵坐标是每一个奇异值与最大奇异值的比值。如图2所示，奇异值截断法舍去该比值小 于0.1的奇异值。图3是本专利技术中的气体瑞利布里渊散射信号复原后结果的拟合图，白色空 心点为探测器3采集的原始数据，灰色点为复原后的信号，黑色实心点为拟合后理论模型谱 线。 -种气体瑞利布里渊散射频谱信号复原方法，记空气池 1出射瑞利布里渊散射信 号为X，分频器2传递函数为w，探测器3观测信号为y。根据卷积公式则三者关系有：基于维纳滤波器输出与冲激函数最佳逼近的思 想设计一个滤波器G，得出托布利兹方程： 式中：r?是分频器2传递函数的自相关序列，rsw是冲激函数与分频器2传递函数的 互相关序列。则托布利兹方的矩阵形式如下，并记为RG=W。将托布利兹矩阵R作奇异值分解： 式中：U、V是由左右奇异向量m和Vi组成的矩阵，并且有性质:UUH = E、VVH = E，由奇 异值组成的对角矩阵，且对角线元素有2 〇2 2…2 〇m+1 2 0,其分布如图2所示。利用矩阵U和V的正交性质，托布利兹方程的解：式中：Σ是由组成的对角矩阵。可以看出，在求倒数之后极小奇异值会产生极大奇异值，给托布利兹方程的求解 带来极大误差。为消除误差，本专利技术采用截断极小奇异值的方法。选取前r个数值大于最大 奇异值0.1倍的奇异值、舍去剩下数值微小的奇异值便得到既准确又稳定的解G，BP: 所求G既是所设计滤波器传递函数，也是分频器2传递函数的反信号。将所求滤波 器传递函数G与探测器3观测信号y相卷积便可获得从空气池1出射真实的气体瑞利布里渊 散射信号频谱X: x=G*y ； 最后依据最小二乘法，用理论模型与复原后的信号拟合便可得到气体温度、压强。 维纳滤波器的基本思想是输出与冲激函数最佳逼近，基于该思想结合奇异值截断 法求解分频器2传递函数的反信号。将所求反信号与探测器探测的信号相卷积即可消除分 频器2的影响，复原出真实的气体瑞利布里渊散射信号，提高气体物理量测量的准确度。 依据上述理论，已知传递函数w和观测序列y，将观测序列信号主要分以下七个步 骤： 1.由计算机计算得到分频器2传递函数w的自相关序列，并由该自相关序列得到托 布利兹矩阵R; 2.由计算机计算冲激函数δ与传递函数W的互相关序列，得到托布利兹方程等号右 边的列向量W; 3.建立等式RG=W，求解维纳滤波器传递函数G; 4.将托布利兹矩阵R作奇异值分解，得到左右奇异向量m、Vi，以及m+1个奇异值 (σι > 〇2 > ··· > om+i > 〇)； 5.依据以下公式，选取前r个与m+1个奇异值中最大值比值大于0.1的奇异值，结合 相应的左右奇异向量得到精确且稳定的维纳滤波器传递函数的解： 6.根据卷积公式，将观测序列信号y与维纳滤波器传递函数G卷积，得到复原之后 的信号:x=G*y; 最后将复原之后的信号X与理论模型拟合得到温度、压强等物理量。【主权项】1. ，包括:空气池、分频器、探测器、数据采 集卡和计算机，其特征在于，空气池出射气体瑞利布里渊散射信号，经由分频器出射至探测 器;探测器的信号由数据采集卡进行采集，最后由计算机记录和显示;探测器3接收到的信 号为空气池出射光信号与分频器传递函数的卷积;运用计算机运算求得与分频器传递函数 对应的托布利兹方程;利用奇异值截断的方法，选取与最大的奇异值比值大于0.1的奇异 值;使用奇异值截断的方法可以提高维纳滤波器传递函数求解的精确度和稳定性;将维纳 滤波器传递函数与探测器观测数据相卷积则获得气体瑞利布里渊散射信号，最后使用气体 瑞利布里渊理论模型以及其解析模型与复原后的气体瑞利布里渊散射信号拟合，测得气体 物理量。2. 根据权利要求1所述的气体瑞利布里渊散射频谱信号复原方法，其特征在于，所述物 理量是压强、温度、体粘滞系数和声速。【专利摘要】<b></b><b>，</b>该方法通过奇异值截断求解一个精确稳定的维纳滤波器传递函数，并将探测器所观测信号作为该滤波器的输入，输出得到复原后的气体瑞利布里渊散射频谱信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体瑞利布里渊散射频谱信号复原方法，包括：空气池、分频器、探测器、数据采集卡和计算机，其特征在于，空气池出射气体瑞利布里渊散射信号，经由分频器出射至探测器；探测器的信号由数据采集卡进行采集，最后由计算机记录和显示；探测器3接收到的信号为空气池出射光信号与分频器传递函数的卷积；运用计算机运算求得与分频器传递函数对应的托布利兹方程；利用奇异值截断的方法，选取与最大的奇异值比值大于0.1的奇异值；使用奇异值截断的方法可以提高维纳滤波器传递函数求解的精确度和稳定性；将维纳滤波器传递函数与探测器观测数据相卷积则获得气体瑞利布里渊散射信号，最后使用气体瑞利布里渊理论模型以及其解析模型与复原后的气体瑞利布里渊散射信号拟合，测得气体物理量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余欢，吴涛，何兴道，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36