1.本发明涉及一种高精度、调制调理快速的变幅调制变幅宽带信号调理方法，应用于滤光片式光谱仪器时变光强的宽带快速检测。具体为一种调制变幅宽带微弱信号调理方法及滤光片式近红外水分仪。微弱
背景技术：
2.随着传感技术的信号发展，从现实世界中的及滤物理信号转化而来的微弱电信号组成成分越来越复杂。调制-解调技术在频率成分单一的光片窄带微弱信号多分量分解、噪声信号提取过程中起到至关重要的式近水分作用，具有测量速度快、红外信噪比高、调制调理抗干扰能力强等优点，变幅但该技术只适应于频率成分单一的宽带窄带微弱信号，对于调制装置与分光装置集成为一体的微弱滤光片分光式光谱仪等传感器生成的信号为宽带信号的仪器中却无法应用该技术。在此类滤光片式光谱仪器中，信号不同中心波长的及滤窄带滤光片安装在斩波器上，在调制的同时，完成光信号的分光，生成不同波长的调制单色光。生成信号的调制频率可控，而信号的幅值与滤光片透光率、光源在此波长的光强有关，该光信号与被测物料反应后由传感器转化为电信号，该电信号不再是单一调制频率的周期信号，对该信号进行频谱分析，该信号频率成分复杂，包括0频、与斩波器转速相同的基频和离散的倍频，属于包含直流分量的幅值周期变化的宽带信号(幅变宽带直流信号)。由于频率成分复杂，在利用窄带滤波放大器对信号直流分量及噪声进行抑制和对信号放大过程中，使信号失真。信号失真原因主要包括：利用窄带滤波器抑制直流分量时，由于宽带信号频率成分的复杂性，不可控的改变其余频率成分，导致信号失真。而如果不消除直流分量，在放大时，会产生信号漂移，导致信号失真。无法在信号不失真的情况下放大此类信号，使得无法对信号进行解调，限制调制-解调技术在此类宽带信号中的应用。
3.针对调制-解调技术无法拓展应用到宽带信号中的问题，科学研究者进行了大量的科学研究。2010年，turner r e.statistical models for natural sounds[m].university college london,2010.根据贝叶斯推理方法，针对宽带信号提出概率幅度解调方法，利用宽带信号的统计信息，计算出宽带信号的调制-解调器，由算法实现信号的调制-解调。sell g,slaney m.solvingdemodulation as an optimization problem,audio,speech,and language processing[j].ieee transactions on,2010,18(8):2051
–
2066.针对声学宽带信号提出一种凸优化框架调制-解调方法，按照凸优化规则，实现不同带宽下宽带信号的调制解调。2021年，gabrielaitis m.amplitude demodulation of wideband signals[m].2010.针对宽带信号幅值解调问题，提出交替投影迭代算法实现宽带信号的幅值解调问题，该方法能够实现在较差的信号采集条件下，不受信号带宽的影响，实现信号幅值解调。colominas m a,wu h t.decomposing non-stationary signals with time varying wave-shape functions[j].ieee transactions on signal processing,2021,69:5094-5104.针对由噪声引起的信号频率和幅值时变导致信号非正弦振荡，而使信号解调误差大的问题，提出一种非线性回归调制-解调方法，利用自适应模态分解方法对幅值、
频率时变的信号进行调制-解调，获得原信号幅值及频率等信息。
[0004]
概率幅度解调、凸优化框架调制-解调方法、交替投影迭代算法、非线性回归调制-解调等方法是现阶段针对宽带信号较为有效的调制解调方法。但是，上述方法都依赖于复杂的算法，数据调理时间较长，这使得上述调制-解调方法在输出信号为幅变宽带直流信号的实时测量仪器中的应用受到限制。
[0005]
可见，由于幅变宽带直流信号频率成分复杂，调制-解调技术在处理幅变宽带直流信号时会出现信号失真，而采用算法实现幅变宽带直流信号的调制解调，则无法实现调制装置与分光装置集成为一体的滤光片分光式光谱仪的实时测量。
技术实现要素：
[0006]
本发明所要解决的技术问题在于提供一种调制变幅宽带微弱信号调理方法，保证调理幅变宽带直流信号不失真，且不影响测量速度的前提下，将调制解调技术应用到幅变宽带直流信号中，实现幅变宽带直流信号的幅值解调。
[0007]
本发明另一方面还提供一种滤光片式近红外水分仪。
[0008]
本发明是这样实现的，
[0009]
一种基于频谱分析的调制变幅宽带微弱信号调理方法，该方法包括：
[0010]
获取滤光片分光式近红外光谱仪的传感器转化而来的幅变宽带直流信号f1(t)；
[0011]
对幅变宽带直流信号f1(t)进行放大及幅值解调，调理为由n个频率相同、幅值变化与原信号幅值变化相同的正弦信号组成的幅变宽带交流信号f2(t)；
[0012]
求解幅变宽带直流信号f1(t)的的k阶傅里叶谐波系数记为a1k；
[0013]
求解幅变宽带交流信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a2k；
[0014]
进行傅里叶系数的幅频转换，其中||表示的是傅里叶谐波系数的模；
[0015][0016]
进行傅里叶系数的相频转换，其中arg()为傅里叶谐波系数的相位：
[0017][0018]
根据幅频和相频，设计带通滤波器传递函数hk(ω)的模与相位需要与fk(ω)、的前100次谐波除频率突变点外一致；
[0019]
利用带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再对信号进行放大，完成信号调理；
[0020]
对幅变宽带交流信号f2’
(t)进行解调，获得信号幅值，完成信号幅值解调获得n个解调幅值an：
[0021][0022]
进一步地，求解幅变宽带直流信号f1(t)的的k阶傅里叶谐波系数，具体包括：
[0023]
当k≠n、k≠0时，谐波系数a1k为
[0024][0025]
其中
[0026][0027][0028][0029]
当k＝0时，谐波系数a1k为：
[0030][0031]
当k＝n时，谐波系数a1k为
[0032][0033]
其中an，n＝1,2,3....n为信号幅值，n为存在偏置正弦信号的总个数，t为时间，为信号相位，ω为宽带信号f1(t)的调制频率。
[0034]
进一步地，求解幅变宽带交流信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数：
[0035]
当k≠n、k≠0时，谐波系数a2k为：
[0036][0037]
当k＝n时，谐波系数a2k为：
[0038][0039]
当k＝0时，谐波系数a2k＝0。
[0040]
一种滤光片式近红外水分仪，包括光源、分光斩波系统、出光口、传感器、宽带信号调理系统、信号数字解调系统以及上位机，其中，光源采用卤钨灯，发出的光经分光斩波系统对光进行斩波及分光，同时输出参考信号作为信号采集的时间标志；
[0041]
由分光斩波系统获得的明亮交替变化的单色光波经出光探头照射物料；
[0042]
传感器收集与被测物料反应后的光信号，由传感器转化为电信号，所述电信号为幅变宽带直流信号f1(t)；
[0043]
宽带信号调理系统对幅变宽带直流信号f1(t)进行频谱分析，改变f1(t)的频谱成分，生成幅变宽带交流信号f2(t)；
[0044]
信号数字解调系统对幅变宽带交流信号f2(t)进行数字解调获得幅变宽带交流信号f2(t)中每个正弦信号的的幅值信息a0(n)，最后将解调幅值信息上传给上位机，由上位机进行信号处理，获得测量物料的水分值。
[0045]
进一步地，分光斩波系统包括稳速电路、直流电机、分光斩波结构以及光耦，通过稳速电路控制直流电机带动分光斩波结构旋转，完成对光的分光及斩波，获得多波段明亮交替变化的单色光；所述分光斩波结构包括10个孔位，1号孔位安装近红外截止滤光片、4号孔位安装中心波长为λ1的参比窄带滤光片、6号孔位安装中心波长为λ的水分测量窄带滤光片、8号孔位安装中心波长为λ2的参比窄带滤光片、其余孔位为光强调节窗口，6个光强调节窗口上均匀分布小孔，通过改变小孔尺寸，调节光强信号大小，光强调节窗口的孔密度及滤
光片的透过率，生成明亮交替变化的光波信号；
[0046]
1号孔位安装近红外截止滤光片配合传感器前安装的可见光截止滤光片，获得背景光强信息；
[0047]
光耦检测参考狭缝位置，输出与单色光信号同相位的参考信号。
[0048]
进一步地，所述宽带信号调理系统包括带通滤波器以及放大器，所述带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再通过放大器对信号进行放大，完成信号调理。
[0049]
进一步地，所述带通滤波器的设计过程为：
[0050]
获取滤光片分光式近红外光谱仪的传感器转化而来的幅变宽带直流信号f1(t)；
[0051]
对幅变宽带直流信号f1(t)进行放大及幅值解调，调理为由n个频率相同、幅值变化与原信号幅值变化相同的正弦信号组成的幅变宽带交流信号f2(t)；
[0052]
求解幅变宽带直流信号f1(t)的的k阶傅里叶谐波系数记为a1k；
[0053]
求解幅变宽带交流信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a2k；
[0054]
进行傅里叶系数的幅频转换，其中||表示的是傅里叶谐波系数的模；
[0055][0056]
进行傅里叶系数的相频转换，其中arg()为傅里叶谐波系数的相位：
[0057][0058]
根据幅频和相频，设计带通滤波器传递函数hk(ω)的模与相位需要与fk(ω)、的前100次谐波除频率突变点外一致。
[0059]
进一步地，求解幅变宽带直流信号f1(t)的的k阶傅里叶谐波系数，具体包括：
[0060]
当k≠n、k≠0时，谐波系数a1k为
[0061][0062]
其中
[0063][0064][0065][0066]
当k＝0时，谐波系数a1k为：
[0067][0068]
当k＝n时，谐波系数a1k为
[0069][0070]
其中an，n＝1,2,3....n为信号幅值，n为存在偏置正弦信号的总个数，t为时间，为信号相位，ω为宽带信号f1(t)的调制频率。
[0071]
进一步地，求解幅变宽带交流信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数：
[0072]
当k≠n、k≠0时，谐波系数a2k为：
[0073][0074]
当k＝n时，谐波系数a2k为：
[0075][0076]
当k＝0时，谐波系数a2k＝0。
[0077]
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
[0078]
本发明是能够将调制装置与分光装置集成为一体的滤光片分光式光谱仪传感器生成的幅变宽带直流信号调理为幅变宽带交流信号，消除信号直流成分的同时，实现调理前后信号的幅值一致，实现信号在不失真的情况下进行放大。进而将调制解调技术拓展应用到幅变宽带直流信号，实现幅变宽带直流信号的高精度、快速的幅值解调,解决调制解调技术不能应用于幅变宽带直流信号的问题。
附图说明
[0079]
图1为本发明实施例提供的信号f1(t)与f2(t)信号示意图；
[0080]
图2为本发明实施例提供的滤光片式在线测量近红外水分仪基本原理；
[0081]
图3为本发明实施例提供的滤光片式在线测量近红外水分仪待测信号图；
[0082]
图4为本发明实施例提供的幅频(a)及相频(b)信号图；
[0083]
图5为本发明实施例提供的f2(t)信号示意图；
[0084]
图6为本发明实施例提供的幅频(a)及相频(b)信号图；
[0085]
图7为本发明实施例提供的幅频转换特性图；
[0086]
图8为本发明实施例提供的相频转换特性图；
[0087]
图9为本发明实施例提供的设计电路图；
[0088]
图10为本发明实施例提供的幅频转换关系及hk(w)的幅频特性图；
[0089]
图11为本发明实施例提供的相频转换关系及hk(w)的相频特性图；
具体实施方式
[0090]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0091]
对于调制装置与分光装置集成为一体的滤光片分光式近红外光谱仪，其传感器转化而来的幅变宽带直流信号f1(t)，该信号在一个周期内，存在n个频率相同、幅值变化的直流偏置类正弦信号。为对信号f1(t)进行放大及幅值解调，需要将信号f1(t)调理为由n个频率相同、幅值变化与原信号幅值变化相同的正弦信号组成的幅变宽带交流信号f2(t)。其一个周期的f1(t)与f2(t)信号如图1所示。
[0092]
本发明提供一种基于频谱分析的调制变幅宽带微弱信号调理方法，该方法包括：
[0093]
获取滤光片分光式近红外光谱仪的传感器转化而来的幅变宽带直流信号f1(t)；
[0094]
对幅变宽带直流信号f1(t)进行放大及幅值解调，调理为由n个频率相同、幅值变化与原信号幅值变化相同的正弦信号组成的幅变宽带交流信号f2(t)；
[0095]
求解幅变宽带直流信号f1(t)的的k阶傅里叶谐波系数记为a1k；
[0096]
求解幅变宽带交流信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a2k；
[0097]
进行傅里叶系数的幅频转换，其中||表示的是傅里叶谐波系数的模；
[0098][0099]
进行傅里叶系数的相频转换，其中arg()为傅里叶谐波系数的相位：
[0100][0101]
根据幅频和相频，设计带通滤波器传递函数hk(ω)的模与相位需要与fk(ω)、的前100次谐波除频率突变点外一致；
[0102]
利用带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再对信号进行放大，完成信号调理；
[0103]
对幅变宽带交流信号f2’
(t)进行解调，获得信号幅值，完成信号幅值解调获得n个解调幅值an：
[0104][0105]
幅变宽带交流信号f2(t)不存在直流分量，对该信号放大不会产生信号漂移。对f2(t)进行放大后，只要控制解调的积分时间，就可以对f2(t)包含的n个正弦信号的幅值进行解调，获得n个正弦信号的幅值信息。将信号f1(t)调理为f2(t)并进行解调的步骤如下：
[0106]
(1)求解f1(t)的傅里叶系数
[0107]
信号f1(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a1k。
[0108]
信号f1(t)存在n个幅值变化的直流偏置类正弦信号时，单周期内的时域表达式如公式(1)所示。
[0109][0110]
其中an(n＝1,2,3....n)为信号幅值，t为时间，为信号相位。t、ω0分别为宽带信号f1(t)的周期和角频率，squre(t)如公式(2)所示。
[0111][0112]
k不同时，利用不同的求解公式求解谐波系数，分为k＝n、k≠n且k≠0、k＝0三种情况。
[0113]
a)当k≠n、k≠0时，谐波系数a1k如公式(3)所示。
[0114][0115]
其中
[0116]
[0117][0118][0119]
b)当k＝0时，谐波系数a1k如公式(7)所示。
[0120][0121]
c)当k＝n时，谐波系数a1k如公式(8)所示。
[0122][0123]
(2)求解f2(t)的傅里叶系数
[0124]
信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a2k。
[0125]
当信号f2(t)存在n个幅值变化的正弦信号时，单周期内的时域表达式如公式(9)所示。
[0126][0127]
k不同时，利用不同的求解公式求解谐波系数，分为k＝n、k≠n且k≠0、k＝0三种情况。
[0128]
a)当k≠n、k≠0时，谐波系数a2k如公式(10)所示。
[0129][0130]
b)当k＝n时，谐波系数a2k如公式(11)所示。
[0131][0132]
c)当k＝0时，谐波系数a2k＝0。
[0133]
(3)幅频及相频转换
[0134]
a)利用公式(12)进行傅里叶系数的幅频转换，其中|ak|为傅里叶谐波系数的模。
[0135][0136]
b)利用公式(13)进行傅里叶系数的相频转换，其中arg(ak)为傅里叶谐波系数的相位。
[0137][0138]
(4)根据公式(12)、公式(13)，设计带通滤波器，其带通滤波器的传递函数hk(ω)的模与相位需要与fk(ω)、的前100次谐波除频率突变点外基本一致。
[0139]
(5)利用带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再对信号进行放大，完成信号调理。
[0140]
(6)利用公式(14)对信号f2’
(t)进行解调，获得信号幅值，完成信号幅值解调获得n个解调幅值an。
[0141][0142]
实施例：滤光片式在线测量近红外水分仪应用
[0143]
利用基于频谱分析的调制变幅宽带微弱信号调理方法，对可测量谷物、茶叶等物料的滤光片式近红外水分仪进行设计。
[0144]
本发明提供一种滤光片式近红外水分仪，包括光源、分光斩波系统、出光口、传感器、宽带信号调理系统、信号数字解调系统以及上位机，如图2所示。其中分光斩波系统包括稳速电路、直流电机、分光斩波结构、光耦四部分。
[0145]
光源采用卤钨灯，发出的光经分光斩波系统对光进行斩波及分光，同时输出参考信号作为信号采集的时间标志。由分光斩波系统获得的明亮交替变化的单色光波经出光探头照射物料，传感器收集与被测物料反应后的光信号，由传感器转化为电信号。此时的电信号为幅变宽带直流信号f1(t)，对该信号进行频谱分析，设计适用于该信号的宽带信号调理系统，改变f1(t)的频谱成分，生成幅变宽带交流信号f2(t)。再利用信号数字解调系统对f2(t)进行数字解调获得信号f2(t)中每个正弦信号的的幅值信息a0(n)，最后将解调幅值信息上传给上位机，由上位机进行信号处理，获得测量物料的水分值。
[0146]
所述宽带信号调理系统包括带通滤波器以及放大器，所述带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再通过放大器对信号进行放大，完成信号调理。
[0147]
分光斩波系统主要包括稳速电路、直流电机、分光斩波结构、光耦四部分，通过稳速电路控制直流电机带动分光斩波结构旋转，完成对光的分光及斩波，获得多波段明亮交替变化的单色光。其分光斩波结构包括10个孔位，1号孔位安装近红外截止滤光片、4号孔位安装中心波长为λ1的参比窄带滤光片、6号孔位安装中心波长为λ的水分测量窄带滤光片、8号孔位安装中心波长为λ2的参比窄带滤光片、其余窗口为光强调节窗口，6个光强调节窗口上均匀分布小孔，可根据实际情况改变小孔尺寸，调节光强信号大小，1号孔位安装近红外截止滤光片配合传感器前安装的可见光截止滤光片，可获得背景光强信息。光耦可检测参考狭缝位置，输出与单色光信号同相位的参考信号。
[0148]
光强调节窗口的孔密度及滤光片的透过率，生成明亮交替变化的光波信号。其中1号孔位输出的幅值较小，水分测量窄带滤光片位置(7号孔位)对应的幅值，会随着物料水分的不同而发生明显变化，其余孔位随水分减小而增加，信号幅值变化相对较小。
[0149]
根据仪器实际设计情况，设置信号参数如下：
①
包括n＝10个偏置类正弦信号；
②
f1(t,z)(z＝1,2,3,4,5,6)的角频率设置ω＝1220πrad/s；
③
每个偏置类正弦信号幅值a0(i)(i＝1,2,3....10)＝[x1(z)x2(z)x2(z)x2(z)x2(z)x2(z)x3(z)x2(z)x2(z)x2(z)]，其中x1(z)＝[30 40 50 60 70 80]，x2(z)＝[400 420 440 460 480 500]，x3(z)＝[250 300 350 400450 500]。
[0150]
(1)求解f1(t)的傅里叶系数
[0151]
f1(t)存在10个幅值变化的直流偏置类正弦信号，k阶傅里叶谐波系数记为a1k。信号f1(t)示意图如图3所示，单周期内的时域表达式如公式(1)所示。
[0152]
[0153]
求解傅里叶系数，k分为k＝n、k≠n且k≠0、k＝0三种情况。
[0154]
a)当k≠n、k≠0时，谐波系数a1k如公式(2)所示。
[0155][0156]
其中
[0157][0158][0159][0160]
b)当k＝0时，谐波系数a1k如公式(6)所示。
[0161][0162]
c)当k＝n时，谐波系数a1k如公式(7)所示。
[0163][0164]
求解的傅里叶系数的幅频及相频如图4所示。
[0165]
(2)求解f2(t)的傅里叶系数，参见图5为f2(t)信号示意图。
[0166]
信号f2(t)的k阶傅里叶谐波系数记为a2k。
[0167]
当f2(t)存在n个幅值变化的正弦信号时，单周期内的时域表达式如公式(8)所示。
[0168][0169]
k不同时，利用不同的求解公式求解谐波系数，分为k＝n、k≠n且k≠0、k＝0三种情况。
[0170]
a)当k≠n、k≠0时，谐波系数a2k如公式(9)所示。
[0171][0172]
b)当k＝n时，谐波系数a2k如公式(10)所示。
[0173][0174]
c)当k＝0时，谐波系数a2k＝0。
[0175]
求解的傅里叶系数的幅频及相频如图6所示。
[0176]
(3)幅频及相频转换
[0177]
a)利用公式(11)进行傅里叶系数的幅频转换，其中|ak|为傅里叶谐波系数的模，其幅频转换特性如图7所示，其相频转换特性如图8所示。
[0178][0179]
b)利用公式(12)进行傅里叶系数的相频转换，其中arg(ak)为傅里叶谐波系数的
相位。
[0180][0181]
(4)根据公式(11)、(12)，设计带通滤波器，其带通滤波器的传递函数hk(w)的模与相位需要与fk(ω)、的前100次谐波基本一致。设计的带通滤波器的电路图9所示。其中该电路的传递函数h(ω)如公式(13)所示。
[0182][0183]
设计c3＝c4＝0.01uf、r5＝r8＝200ω、r7＝r
10
＝r
12
＝1kω，r6、r9和r
11
使用可调电阻，可以改变放大倍数。传递函数hk(w)的模及相位如图10、11所示。尽可能保证设计的带通滤波器的传递函数hk(w)的模及相位与fk(w)、的前100次谐波一致。
[0184]
(2)利用带通滤波器对幅变宽带直流信号f1(t)进行滤波，获得幅变宽带交流信号f2’
(t)，再对信号进行放大，完成信号调理。
[0185]
(3)利用公式(14)对信号f2’
(t)进行解调，获得信号幅值，完成信号幅值解调获得10个解调幅值an。
[0186][0187]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。