大光程差PEM-FTS的快速光谱重建

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、非线性变化,每秒可产生上万张干涉图。为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演,对大光程差弹光调制干涉信号的特性、加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法,此算法的核函数类型、参数τ、延伸影响因子q、过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。在分析这些参数对算法影响的基础上,在μ=2,q=10,τ=1×10-6时,将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中,重建了632.8 nm的激光和氙灯光谱,复原的632.8 nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52,插值时间小于0.267 s。实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差,能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。     

非均匀采样干涉数据光谱反演技术研究

干涉光谱成像仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演才能够得到目标光谱数据,傅里叶变换方法是常规的光谱反演方法。由于干涉数据中存在非均匀采样问题,若忽略光谱混叠,直接采用快速傅里叶变换会导致反演光谱的失真,难以满足实时处理需求。针对非均匀采样干涉数据的光谱反演需求,将插值及非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法应用到光谱反演处理中,对过采样及部分欠采样情况下的非均匀采样干涉数据,提出了相应的光谱反演方法,并分析了方法的适用性。最后对过采样及部分欠采样情况下的光谱反演方法进行计算机仿真,过采样情况下采用NUFFT方法反演光谱的精度要明显高于插值方法,而部分欠采样情况下插值方法反演光谱的精度要明显高于NUFFT方法,并对欠采样造成的光谱混叠有一定的修正,验证了方法的有效性。     

基于线性调频Z变换的差分吸收光谱数据处理方法研究

差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)是一种常用的污染气体监测方法,对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声,但该算法本身会引入误差。提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform,CZT),通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化,能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上,对算法的误差进行补偿,从而进一步提高反演精度。实验配置了SO₂及NO₂进行浓度反演,结果表明,直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定,线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。模拟了SO₂和NO₂混合气体实验,频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、削弱等问题,CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。     

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。     

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术研究与仿真

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术是一种综合强度调制光谱偏振技术和傅里叶变换光谱技术的新型光谱偏振测量技术,能够同时实现全斯托克斯光谱偏振参数测量,保留了傅里叶变换光谱技术高通量、多通道的特点,同时具有降低数据处理复杂程度的优点.文章对强度调制-傅里叶变换光谱偏振测量技术的数据采集和光谱偏振复原过程进行了理论分析,给出了...     

求解分数傅里叶变换衍射积分的一种快速算法

在对Lohmann 二型分数傅里叶变换(FRT)和菲涅耳衍射积分进行比较的基础上,给出基于快速傅里叶变换(FFT)求解该分数傅里叶变换和菲涅耳衍射积分的快速算法及算法适用范围.数值模拟实验证明了理论的可靠性和算法的高效性.此快速算法为分数傅里叶变换在工程实际中的进一步广泛应用奠定了基础.     

傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究

为了提高傅里叶光谱仪光谱定标精度,减小光谱定标误差,基于风云四号大气垂直探测仪实验室气体池光谱定标数据,进行傅里叶光谱仪高精度光谱定标算法研究。首先,分析了傅里叶光谱仪的分光原理,并在对参考激光波数漂移、光线离轴、以及有限视场引起光谱波数偏移的原理进行分析后,得出傅里叶光谱仪光谱定标公式及定标参数的计算方法;接着分析了快速傅里叶变换(FFT)的栅栏效应和干涉图截断产生的sinc函数造成的光谱定标误差较大的原因;然后通过对比几种不同的光谱细化方法,选择高效的快速Chirp Z-transform(CZT)进行光谱细化,解决FFT光谱分辨率较低导致光谱误差较大的问题;通过对气体池参考气体在HITRAN数据库中的理论谱线,用Gaussian线型展宽并卷积sinc函数处理后作为光谱定标参考谱线的方式,减小由sinc函数引起的谱线间串扰造成的光谱定标误差,从而提高光谱定标精度。最后,使用实验测得的数据对该光谱定标算法进行验证,对比使用CZT细化光谱前后定标误差,和参考谱线处理前后的定标误差,证明该算法可以有效提高光谱定标精度,最高可将光谱定标误差减小10倍以上。     

CZT和ZFFT频谱细化性能分析及FPGA实现

快速傅里叶变换在信号的频谱分析中应用广泛,而在工程实际中往往只对信号频谱中一段区间感兴趣,需要对频谱进行细化分析。常用的频谱细化方法有线性调频Z变换(Chirp-Z Transform, CZT)算法和基于复调制的细化(Zoom-FFT, ZFFT)算法,在给出了两种频谱细化方法的计算流程后,通过MATLAB仿真说明两种算法都能提高信号频率的测量精度,最后给出了这两种算法在FPGA具体工程实现中的实现步骤。     

多子阵合成孔径声呐波数域算法不均匀采样问题研究

多子阵合成孔径声呐(SAS)方位向采样不均匀,因而单子阵波数域算法(ω-k)不能直接用于多子阵SAS图像重建。为此,提出两种改进ω-k算法的方法,使其可以应用于多子阵SAS图像重建。不均匀分离快速傅里叶变换(NSFFT)方法采用多子阵匀速直线运动的假设,将方位向不均匀采样的傅里叶变换分解为若干个均匀采样的傅里叶变换;不均匀快速傅里叶变换(NFFT)方法则直接快速计算方位向不均匀采样的傅里叶变换。文中对这两种方法进行了理论分析,并利用仿真数据和湖试数据对这两种方法进行了验证。成像结果表明两种方法均可用于多子阵SAS系统图像重建。NSFFT计算效率较高,但声呐基阵前进方向速度的不均匀性会对成像质量造成一定的影响;NFFT可以适用于任意速度的情况,但计算效率比NSFFT方法低。综合来看,两种方法各有特点,可以根据应用场景的不同进行选择。      

弹光调制傅里叶变换光谱技术研究

为进一步提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率,提出了一种折返式弹光调制干涉仪结构,该结构通过在弹光晶体前后表面镀制相互交错的的全反射膜,并让入射光线以约10°的倾斜角入射,使得被测光束在晶体内部产生多次反射,增大光在干涉仪中的传播距离并提高了调制光程差。建立了折返式弹光调制傅里叶变换光谱仪干涉-光谱反演数学模型,并在此基础上设计搭建了相应的前置收集光系统,并进行了激光光源和氙灯光源的遥测实验,实验所得干涉条纹清晰、稳定,结果表明,所设计的多次反射式弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率达到13 cm-1,且该方案使得光线在晶体内部产生反射,降低了光能损失,保证了系统性噪比。最后的光谱反演结果表明,所设计光谱系统的技术可行,为后续的样机研制以及光谱、辐射标定等工作奠定了基础。     

基于Nuttall窗三谱线插值的激光多普勒信号处理方法研究

快速傅里叶变换(FFT)是主要的激光多普勒测速系统信号处理方法,由于受到频谱泄露和栅栏效应的影响,其处理精度并不理想。基于Nuttall窗三谱线插值法的激光多普勒信号处理方法就是一种好的处理方法,它可以有效地抑制频谱泄漏和栅栏效应,改善信号分析精度,提高速度测量精度。由于Nuttall四项余弦窗的能量集中在主瓣,旁瓣非常小,因此加Nuttall四项余弦窗的FFT三谱线插值算法能够极大地减小频谱泄漏的影响,谱间干扰也很小,能很好地减小频谱泄漏和栅栏效应。     

Signal processing of double-beam and double-scattering laser Doppler velocimeter

The common method of laser Doppler velocimeter (LDV) signal processing is fast Fourier transform (FFT). Because of the restraint of spectral interference, fence effect and spectrum leakage, the precision of FFT is not high. In order to improve the accuracy of double-beam and double-scattering laser Doppler velocimeter signal processing, an algorithm based on spectral refinement and interpolation is put forward. First, high-pass filter is adopted to remove the baseplate of LDV signal. Second, FFT is adopted to get the estimate of Doppler frequency and then Zoom-FFT is used to refine the local range of Doppler frequency. Third, four-term fifth derivative Nuttall windowed interpolation is used to correct the refined spectrum. Then the accurate estimate of Doppler frequency can be obtained. Simulations and experiments based on the LDV system built in laboratory show that Zoom-FFT can improve the resolution of spectrum and four-term fifth derivative Nuttall windowed interpolation can further increase the precision of signal processing.     

离散分数阶傅里叶变换快速算法的DSP详细实现

为满足在数字信号处理器DSP(digital signal processor)上进行离散分数阶傅里叶变换DFRFT(discrete fractional fourier transform) 实时计算的要求，通过对多种DFRFT计算方法进行比较,选择Ozaktas提出的DFRFT快速算法进行基于DSP的详细实现处理。在对该快速算法进行理论分析的基础上，将快速算法的计算过程进行优化配置，并给出完整的计算量统计结果。在保证精度要求的情况下，提出的详细实现方法将快速算法的实数乘法计算量减至最小。工程实际应用表明：该方法满足DSP运算精度和实时性要求。     

基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法研究

为了提高数字全息图的重建速度和精度,本文提出了一种基于同态信号处理的数字全息广义线性重建算法. 首先利用预放大数字全息显微系统并结合同态信号处理原理进行了理论分析,得到了广义线性重建算法的实现条件及重建步骤,并对该算法的优点进行了分析;然后利用计算机模拟和实验相结合的方法对理论分析进行了验证. 结果表明：数字全息广义线性重建算法不仅可以有效的消除全息图频谱中零级项的干扰,实现高精度再现,而且由于采用一个完整象限的固定区域滤波,避免了常规线性算法的手动滤波操作,极大地提高了重建速度,同时最大限度地保留了原始像中的高频成分,实现全息图的高分辨重建. 关键词： 数字全息显微术 同态信号处理 傅里叶变换 分辨率     

瞬态位移干涉仪信号处理新方法

利用短时傅里叶变换计算速度快的特点,先对瞬态位移干涉仪信号进行预处理,得到速度的轮廓范围.据此估计小波变换中尺度因子的范围,然后用连续小波变换的方法对信号再次进行处理,用此方法分析计算机模拟出的位移干涉信号,恢复的速度相对误差小于2%.对高速爆轰实验中的位移干涉信号分别采用短时傅立叶变换、小波变换和二者相结合的方式进行分析,并记录三者的计算速度.实验表明,第三种方法能准确地恢复出物体的速度历史,计算误差在系统要求的范围内.本文综合计算速度和计算误差两方面的考虑,选择了适合于瞬态位移干涉信号处理的方法.     

层析法计算三维物体全息图的并行加速研究

随着计算空间光调制器的分辨率的尺寸逐渐变大，全息图三维动态显示的计算量也越来越大，使得对全息计算速度提出了新的要求。利用GPU并行计算处理的方式实现全息图的快速层析法计算，该方法利用GPU并行多线程和层析法中的图像二维傅里叶变换的优势对菲涅尔衍射变换算法加速计算；同时通过对GPU底层资源的调用和对CUDA中程序的流处理过程，有效减少中间的延时等待。通过对计算速度对比分析表明:与在CPU上运算相比，计算速度大幅提升，基于GPU并行计算的方法比基于CPU计算的方法速度快10倍左右。     

基于连续统快速傅里叶变换的红外光谱处理技术

为实现红外光谱对遥感地物准确的识别,消除高频噪声是光谱特征分析和提取的重要环节。利用光谱连续统处理方法,结合信号时域分析领域快速傅里叶变换提出了一种新的红外光谱滤波方法。该方法首先对红外光谱进行光谱连续统去除,利用快速傅里叶变换将去连续统后光谱转换到频域,设计低通滤波器滤除高频噪声,然后通过快速傅里叶反变换将频域信号转换到时域,最后对信号进行光谱连续统恢复,得到滤除噪声后的红外光谱信号。对比实验表明,连续统快速傅里叶滤波方法比常规的时域滤波方法有更好、更快的滤波效果,解决了传统快速傅里叶红外光谱滤波的吉布斯现象。该方法操作简便、运行速度快捷、滤波效果好,满足了红外光谱地物识别对光谱高质量的要求。     

激光告警系统中小型静态傅里叶变换光谱仪的研究

相干激光告警接收机较光谱识别型激光告警接收机有着不可比拟的优点,在相干激光告警中实时可靠地获取敌方来袭激光的光谱细节具有重要意义。文章介绍的基于等效斜楔干涉具和线阵CCD的小型静态傅里叶变换光谱仪,是相干激光告警接收机的重要组成部分,其光学部分由一个等效斜楔干涉具和柱面镜组成,内部不含扫描部件,具有体积小、成本低、结构简单、性能稳定、光谱检测速度快等优点,可以满足脉宽大于等于10 ns脉冲激光信号光谱高速探测的要求。该光谱仪波长范围从400到1 100 nm,波长分辨率小于10 nm。文中详细介绍了该光谱仪的设计方法和关键光学元件的设计原理,进行了相关的性能分析,构建了实验系统,应用该实验系统对7个中心波长分别为635,650 nm等的半导体激光器进行了光谱测试,并将测试结果与使用日本Advantest公司的Q8344A型光谱仪测得的结果进行了比较,得到中心波长平均误差为0.269 nm,绝对平均误差为0.919 nm。波长分辨率最小为1.170 nm,最大为8.845 nm,且有较高的信噪比。     

A quantum search algorithm of two entangled registers to realize quantum discrete Fouriertransform of signal processing

The discrete Fourier transform （DFT） is the base of modern signal processing. 1-dimensional fast Fourier transform （1D FFT） and 2D FFT have time complexity O（N log N） and O（N^2 log N） respectively. Since 1965, there has been no more essential breakthrough for the design of fast DFT algorithm. DFT has two properties. One property is that DFT is energy conservation transform. The other property is that many DFT coefficients are close to zero. The basic idea of this paper is that the generalized Grover＇s iteration can perform the computation of DFT which acts on the entangled states to search the big DFT coefficients until these big coefficients contain nearly all energy. One-dimensional quantum DFT （1D QDFT） and two-dimensional quantum DFT （2D QDFT） are presented in this paper. The quantum algorithm for convolution estimation is also presented in this paper. Compared with FFT, 1D and 2D QDFT have time complexity O（v/N） and O（N） respectively. QDFT and quantum convolution demonstrate that quantum computation to process classical signal is possible.