快速傅里叶变换与线性调频Z变换联合算法在光纤法布里-珀罗传感器解调中的应用

将快速傅里叶变换(FFT)与线性调频Z变换(CZT)联合变换的方法应用到法布里-珀罗(F-P)腔传感器的解调中,从理论上分析了该方法的解调原理及误差.模拟计算得出,该联合算法解调出的腔长的相对误差达到0.01%,腔长的最大绝对误差小于0.05 μm.在对测量范围为O～3 MPa的F-P腔微机电系统(MEMS)压力传感器进行的解调试验中,该算法可以辨别0.01 MPa的压力,腔长与压力数据的拟合度为0.99316,测量压力与实际压力的标准偏差小于0.005 MPa.实验结果表明,FFT与CZT联合解调的方法可以在较少计算量的基础上达到较高的精度,满足实际需求.     

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。     

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。     

相关峰细化的精确时延估计快速算法研究

研究精确计算相关峰的方法,提高时延估计精度,改进传统的CZT算法,计算细化的频谱,降低了标准FFT计算带来的栅栏效应,利用互谱的前后两段计算相关函数的主峰波形,并建立了新的快速变换算法(FICP),相关峰可以任意“插值”而不增加计算量。采用该方法和模型,可以有针对性地利用有限范围频谱,抑制宽带噪声对时延估计的影响,提高相关峰的检测精度。     

用于时延估计的一种相关峰内插算法

本文介绍一种基于余弦函数的相关峰内插算法，在时延估计系统中，为了减少运算量和增加观察时间，采用内插算法是必要的，因为在频率估算时应用了迭代算法，所以无论对于ｃｏｓｘ，ｓｉｘ／ｘ或实际的相关峰，都有相当高的内插精度。     

基于自适应免疫算法重叠拉曼谱峰的解析

拉曼光谱测量速度快,可以实现原位实时测量,现已成为过程控制中物料检测的一种重要手段。但由于环境的复杂性以及拉曼光谱信号特点,目前在线检测时难免会出现一些重叠谱峰。基于免疫算法特点,将该方法用于芳烃重叠拉曼谱峰信号的解析中,提取混合物质中单个组分拉曼谱峰信息进行分析,结果表明该方法解析快速、定量准确,相对误差低于1%,是解析重叠拉曼光谱信号的有效方法。针对现场样品检测中出现的重叠谱峰伴随荧光背景信号,提出了结合独立成分分析的自适应免疫算法,有效地解析出荧光背景信号,为复杂样品的拉曼光谱检测分析提供了新的手段。     

基于标准互相关函数的图像分辨率自动标定方法

理想规则图像特征经标准互相关函数匹配后,相似函数C*(x)可用确定的解析式Z(x)表达.但是对于含噪声图像,相似函数C(x)较之C*(x)发生了变化,但存在"零相似不变性".将此原理应与于显微视觉中图像物面分辨率的在线标定,推导了矩形图像特征的一维相似函数解析式Z(x);求解C(x)=0作为Z(x)的近似,并给出了具体标定算法;通过仿真图像实验,给出标定算法的正确度在0.1～0.2 pixel;最后,将标定算法应用于可连续变焦的微对准装配系统,实测算法的精密度可达为0.08 pixel.实验结果表明,基于"零相似不变性"的标定算法是具有实用性的亚像素标定方法.～290nm波长激发下,310～390nm范围内产生荧光光谱,峰位波长在350nm,最佳激励波长为250nm;采用垂直偏振片(起偏角为0°)起偏照射样品,发现偏振荧光峰位不变,荧光峰强度随检偏角的增大而呈明显的线性递减关系.由实验数据计算得到荧光偏振度为0.783,表明分子具有一定确定取向;另外,分析认为酸性橙Ⅱ产生荧光,是由于分子中含有苯环和萘环结构吸收紫外光能量,以及氮键在光子作用下形成顺式异构体的激发单线态后,两者发射的光子所致.整个结果对酸性橙Ⅱ在食品中的违禁使用检测、特性表征、以及分子规律的更深入研究,有一定的参考价值.     

荧光寿命的快速傅里叶变换拟合方法

介绍了一种利用快速傅里叶变换算法对稀土掺杂物质的荧光寿命进行数据拟合的方法。稀土掺杂物质可用来制备多种光学传感器,用于温度、pH值等多种参量测量领域。本方法利用快速傅里叶变换(FFT)结果作为基础,从非零项的相位角的正切值得出被测的荧光寿命,具有速度快、误差小、不受本底干扰等一系列优点。以掺铒光纤为例,通过数字仿真将本方法与其它几种传统的拟合方法进行了比较。快速傅里叶变换方法的测量偏差不到Prony方法的50％,为对数似合(log-fit)方法测量偏差的1／6。另外,快速傅里叶变换方法由于不受本底噪声影响,可以不必在信号处理时去掉本底噪声,因而可以明显缩短测量时间。     

荧光寿命数据的相量分析及其应用

荧光寿命显微成像技术(fluorescence lifetime imaging microscopy, FLIM)具有特异性强、灵敏度高、可定量测量等优点,被广泛应用于生物医学、材料学等领域的研究.为使FLIM技术更好地适用于高通量数据的快速分析,近年来涌现出多种荧光寿命分析的新算法.其中,相量分析法(phasor analysis, PA)通过将时间域的拟合转化为频率域的直接计算来获得荧光寿命值,与传统的最小二乘拟合法相比,不仅更加简便快速,适用于低光子数情形,而且便于使数据内容可视化和对数据进行聚类分析,因此越来越受到科研人员的青睐.本文详细阐述了相量分析法的基本原理及运用方法,并在此基础上介绍了该方法在细胞代谢状态测量、蛋白质相互作用研究、细胞微环境测量,以及辅助病理诊断和提高超分辨成像分辨率等方面的应用,着重讨论了PA法在这些FLIM应用实例中的优势所在,为相关领域的研究提供有益的参考.最后,对荧光寿命数据的相量分析及其应用的发展方向进行展望.     

一种基于信号功率的水声通信线性调频同步信号自适应阈值检测算法

由于线性调频信号具有一定的抗多普勒效应能力,在水下突发通信中作为同步序列得到了广泛的应用。在对线性调频信号进行同步的过程中发现,当采用固定判决门限检测方法时,往往会造成检测概率的减小或者虚警概率的增大,针对这一问题,本文提出了一种根据信号功率,并在滑动窗口中进行比较判决,自动调整相关峰检测门限值的自适应算法。通过仿真和湖试验证,该方法性能良好,具有一定的实用价值。     

基于FICP算法提高对低频噪声时延的估计精度

针对非平稳随机噪声（直升机飞行声音，导弹喷流噪声）信号，研究了提高时延估计计算精度的方法，通过计算信号的细化频谱，并避免了标准FFT计算带来的栅栏效应，从而使得对于超短取样信号的频谱计算精度与信号长度无关，采用快速计算方法FICP由N点互谱计算2N点相关波形，提高了相关波形的分辨率，使得时延估计精度得以提高。对实测直升机飞行噪声和导弹噪声计算了不同取样长度和不同采样率下的时延估计，得出了谱分辨率越高，时延估计精度越高的结论。     

基于声发射的光学元件损伤监测方法研究

光学元件损伤是限制激光通量水平提高的重要因素之一。为快速、准确地检测光学元件损伤是否产生,支撑光学元件循环修复策略的使用,研究并提出了基于声发射技术的光学元件损伤检测方法,通过研究光学元件损伤产生的声发射信号特征,判断光学元件是否发生损伤,使用一种基于二次相关和相关峰精确插值（FICP）的时延估计算法,通过仿真验证了该算法的可行性,结合时差定位原理建立了损伤位置求解方法,并通过实验进行了验证。研究结果表明:该方法能从监测信号中快速地获得损伤的位置估计,其平均定位误差为8.61 mm,计算时间为0.143 s/次,对大口径光学元件的损伤在线监测具有应用潜力。     

Monitoring heart and respiratory rates at radial artery based on PPG

To develop an apparatus for simultaneous monitoring of heart and respiratory rates using photoplethysmography (PPG) and Fast Fourier Transform algorithm (FFT), the PPG waveform was measured at the radial artery with an original based on diffuse reflectance mode photoplethysmographic device. An FFT algorithm was used to extract heart and respiratory information from the PPG waveform. The results good agree with conventional method. The correlation coefficient of heart rate and respiratory rate obtained using PPG waveform and conventional method is 0.988 and 0.976, respectively. The PPG waveform and FFT algorithm can contribute to quicker and more accurate measurement of human heart rate and respiration rate. A portable watch-like device can be made via this method and be utilized to monitor heart and respiratory rates in hospitals or daily life care.     

A sapphire fibre thermal probe based on fast Fourier transform and phase-lock loop

A sapphire fibre thermal probe with Cr³⁺ ion-doped end is developed by using the laser heated pedestal growth method. The fluorescence thermal probe offers advantages of compact structure, high performance and ability to withstand high temperature in a detection range from room temperature to 450℃. Based on the fast Fourier transform (FFT), the fluorescence lifetime is obtained from the tangent function of phase angle of the non-zeroth terms in the FFT result. This method has advantages such as quick calculation, high accuracy and immunity to the background noise. This FFT method is compared with other traditional fitting methods, indicating that the standard deviation of the FFT method is about half of that of the Prony method and about 1/6 of that of the log-fit method. And the FFT method is immune to the background noise involved in a signal. So, the FFT method is an excellent way of processing signals. In addition, a phase-lock amplifier can effectively suppress the noise.     

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.     

测量飞秒激光脉冲啁啾的方法

介绍了一种能够直接检测飞秒脉冲啁啾大小的方法。采用共轴结构的迈克尔逊干涉自相关二次谐波检测系统对自制碰撞脉冲锁模循环染料激光器输出的最窄脉冲宽度约为200fs的脉冲进行了测量。测得的飞秒脉冲自相关二次谐波曲线表明：实测曲线的下包络两翼明显隆起,包络外形很不整齐,对称性较差,说明光脉冲含有啁啾。通过比较干涉测量曲线和理论曲线的形状与面积的大小,可以直观地反映出光脉冲所含啁啾的大小。实验结果分析表明,利用满足光相关检测所需精度的光学元件和满足光相关探测基本条件的实验装置,能测得含有相位及啁啾信息的快干涉项信号,是一种能够直观检测光脉冲所含啁啾大小的可行方法。     

激光诱导植物荧光寿命校正技术及其特性分析

激光诱导植物荧光寿命测量法是在植物荧光光谱分析法基础上开发的一种评估植物生长状况及环境监测的新技术。根据植物叶绿素荧光信号的物理特性,利用信息仿真技术开发了一种叶绿素荧光寿命校正方法,可提高植物叶绿素荧光寿命的测量精度。利用激光诱导叶绿素荧光寿命测量系统分别测得叶绿素荧光及其背景信号,先用解卷积法叶绿素荧光信号中分离出荧光衰减函数,可获取荧光寿命估计值。再结合叶绿素荧光寿命校正技术就能反演得到高精度的植物荧光寿命。仿真与实验结果表明：该方法可实现高精度的植物荧光寿命实时监测;并对不同含量的叶绿素提取液进行了测试,构建了植物荧光寿命与叶绿素含量的对应关系模型。未来该技术可用于遥感监测海洋、湖泊、河流中藻类植物的生物含量。     

螺旋MRI的网格化数据重建算法比较

螺旋MRI的原始数据是在不均匀的 k- 空间螺旋轨迹上采样得到的,需要通过网格化算法等手段将数据变成等间距的网格数据后,才能采用FFT进行重建,最后得到供临床使用的图像. 本文对Jackson网格化算法和Claudia大矩阵算法的重建速度和图像结果进行了比较, 并得出以下结论：1）在获得相近图像质量的情况下,Claudia大矩阵重采样算法比Jackson算法要快且更方便在仪器上实现. 2）在Jackson双倍细网格算法的实现方式中,数据驱动插值比网格驱动插值更有效率. 3）在Claudia大矩阵重采样算法中,对冗余比大于310∶1的数据进行图像重建的时候,网格点的幅值不平均化比平均化后的效果还要好. 这几个结论都将有利于MRI图像重建技术的进一步提高. 