[发明专利]基于希尔伯特变换和微分变换的二次谐波信号解调方法和系统

说明书

本发明提供一种基于希尔伯特变换和微分变换的二次谐波信号解调方法和系统，通过两次Hilbert变换和一次一阶导数将TDLAS系统的二次谐波信号解调出来，该解调方法不需要参考信号，且获得的二次谐波信号与锁相解调方式获得的解调解相同。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别涉及一种基于希尔伯特变换和微分变换的二次谐波信号解调方法和系统。

背景技术

近年来，随着科技的进步和全球经济的发展，人们的生活水平有了显著的提高，人们在寻求发展和享受美好生活的同时，对自然资源的利用不断增加，由此产生了相应的环境问题。气体污染是众多的环境问题之一，给人们的生存环境带来的危害尤为严重，如：甲烷等可燃性气体浓度超标导致煤矿事故频发，工业化制造和汽车尾气排放导致的雾霾天气、空气污染、温室效应等等。因此，对有害气体的检测成为了人们日益关注的话题。

在众多的气体检测方法中，红外光谱吸收法以其精度高、响应速度快、动态无接触测量等优点，被人们广泛使用来测量气体浓度。激光器和探测器作为红外光谱吸收法测量气体浓度的核心部件。多数气体分子在红外波段具有特征吸收光谱，当用激光器发出的红外光照射气体时会产生红外吸收现象，光强会相应的衰减，通过探测器测量光强的变化来确定气体浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS)技术是一种将激光应用于吸收光谱测量技术的光学和光谱学测量方法。由于具有高光谱分辨率、高灵敏度和良好选择性等特点使之成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。尤以其中的二次谐波信号检测技术在大气化学研究和有害气体监测领域中得到了实际应用。在TDLAS系统中，激光输出光频率由三角波与正弦波共同激励，经过气体吸收后的光强信号的二次谐波信号强度与气体浓度成正比，据此推算出所检测的气体浓度。

为得到与气体浓度相关的二次谐波信号，现有技术中，我们使用锁相放大器对探测器输出的信号进行处理。锁相放大器是利用信号的相关性对交变信号进行相敏检波的放大器，在微弱信号检测方面被广泛应用于众多科学领域中，如光学、通信、电化学、电子、生物医学、机械和基础物理学等，在气体检测中也被广泛使用。锁相放大器的核心技术是相关检测，利用被测信号与参考信号的频率和相位关系来提取有用的信号，可大幅度抑制背景噪声，提高信噪比，检测灵敏度高，具有较高的灵活性与稳定性。在气体检测中，将探测器输出的信号进行傅里叶变换，用锁相放大器提取所需的二次谐波信号，进行气体浓度的检测。

现有技术中，在TDLAS技术的气体检测中通常用锁相放大器对与气体相关的二次谐波信号进行提取，即，TDLAS二次谐波信号的解调在实际应用中多为锁相放大解调方法。然而，锁相放大解调需要参考信号作为输入，在没有同时精准获知输出光强频率、相位的条件下，二次谐波信号不能正确解调，这给二次谐波信号的解调带来不便。

因此，如何在无需知晓输出光强频率、相位的条件下解调获得TDLAS二次谐波信号，是TDLAS检测技术中需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于希尔伯特变换和微分变换的二次谐波信号解调方法和系统，针对TDLAS系统采集经传统的三角波结合正弦波调制后激光，并采用低通双次Hilbert变换结合一阶导数的解调方法解调出TDLAS系统的二次谐波信号，无需参考信号即可解调获得波形与锁相放大解调解波形相同的TDLAS二次谐波信号。

本发明实施例的第一方面提供一种基于希尔伯特变换和微分变换的二次谐波信号解调方法，包括以下步骤：步骤S1：对TDLAS系统所采集的透射光信号进行高通滤波，获得信号交流分量；步骤S2：对所述信号交流分量进行希尔伯特变换，并将变换前后的信号共同构成复数域上的第一解析信号，取第一解析信号的模长，并进行低通滤波，获得所述信号交流分量的包络信号；以及步骤S3：对所述包络信号进行微分变换，获得所述包络信号的一阶导数，对所述包络信号的一阶导数进行希尔伯特变换，并将变换前后的信号共同构成复数域上的第二解析信号，取第二解析信号的模长，并进行低通滤波，获得所述二次谐波信号。