用改進(jìn)的Chebyshev函數(shù)提高干涉圖切趾效果*

江峰，武高衛(wèi)，盛文，豐驍，馮至

(空軍預(yù)警學(xué)院， 湖北 武漢 430019)

用改進(jìn)的Chebyshev函數(shù)提高干涉圖切趾效果*

江峰，武高衛(wèi)，盛文，豐驍，馮至

(空軍預(yù)警學(xué)院， 湖北 武漢 430019)

針對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)在低旁瓣衰減時(shí)功率泄漏率高以及旁瓣衰減的等波動(dòng)性問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)。首先通過(guò)仿真分析指出Chebyshev切趾函數(shù)在光譜復(fù)原中存在的缺陷；然后選取Blackman-Harris函數(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，并與改進(jìn)前進(jìn)行了對(duì)比分析；最后，用該函數(shù)對(duì)單色光干涉圖進(jìn)行切趾處理并仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后Chebyshev切趾函數(shù)能夠較好地克服功率泄露率高及旁瓣衰減等波動(dòng)性的問(wèn)題，其應(yīng)用能力也更加靈活。

Chebyshev；切趾函數(shù)；Blackman-Harris；干涉圖；光譜復(fù)原；仿真分析

0 引言

在傅里葉變換光譜儀光譜復(fù)原的過(guò)程中，存在傅里葉變換需要無(wú)限的積分區(qū)間而實(shí)際光譜儀只能提供有限光程差的矛盾，這個(gè)矛盾會(huì)造成復(fù)原光譜存在旁瓣效應(yīng)進(jìn)而影響鄰近的、微弱信號(hào)的測(cè)定，此時(shí)就需要將光譜儀的干涉圖進(jìn)行切趾處理，以消除或者減弱虛假的旁瓣，增強(qiáng)有用信號(hào)的被檢測(cè)率[1-2]。切趾的普遍做法是在信號(hào)處理中用切趾函數(shù)乘以干涉圖，迄今學(xué)界已經(jīng)提出了眾多的切趾函數(shù)，包括三角函數(shù)、Hamming函數(shù)、Blackman函數(shù)、KaiserBessel函數(shù)以及各種函數(shù)族[3]。切趾函數(shù)的選取一般要考慮以下原則[4]：

(1) 切趾函數(shù)的形式盡量簡(jiǎn)單，切趾計(jì)算過(guò)程方便，計(jì)算量小；

(2) 切趾處理后復(fù)原光譜主瓣盡量窄，以保證系統(tǒng)分辨率；

(3) 切趾處理后復(fù)原光譜旁瓣盡量低，旁瓣衰減率盡量高。

實(shí)際應(yīng)用中，用形式簡(jiǎn)單的切趾函數(shù)處理干涉圖容易丟失有用信號(hào)，在抑制旁瓣的同時(shí)，系統(tǒng)分辨率也會(huì)降低，因此，要綜合考慮切趾函數(shù)性質(zhì)以及系統(tǒng)要求，選取合適的切趾函數(shù)。在給定旁瓣高度下，Chebyshev切趾函數(shù)的主瓣寬度最小，滿(mǎn)足切趾函數(shù)的最大震幅比準(zhǔn)則[5]，同時(shí)其旁瓣衰減量可調(diào)節(jié)范圍寬，是一種性能優(yōu)異的切趾函數(shù)；但是當(dāng)干涉圖信號(hào)功率較弱，需要小的旁瓣衰減情形時(shí)，其主瓣功率泄露嚴(yán)重，在頻域上表現(xiàn)為相位誤差增大，并且由于旁瓣衰減的等波動(dòng)性，旁瓣衰減速率為零，不利于臨近強(qiáng)干擾信號(hào)的抑制。文獻(xiàn)[6]對(duì)基于傳統(tǒng)Chebyshev函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器相位特性較差的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，犧牲幅度特性提升其相位特性；文獻(xiàn)[7]針對(duì)其旁瓣衰減的等波動(dòng)性，提出離散傅立葉變換后對(duì)旁瓣進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，利用疊加校正的方法使旁瓣干擾降到最低，然而，這種方法在增加計(jì)算量、引入誤差的同時(shí)，計(jì)算精度得不到保證。因此，本文提出一種改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)，在保留Chebyshev切趾函數(shù)原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入Blackman-harris函數(shù)改善其旁瓣衰減的等波動(dòng)性、低旁瓣衰減時(shí)主瓣功率泄露嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)，新切趾函數(shù)第一旁瓣衰減的可調(diào)節(jié)性也更加靈活。

1 Chebyshev切趾函數(shù)及其分析

Chebyshev切趾函數(shù)是由Chebyshev多項(xiàng)式在單位圓上作等間隔抽樣，再作DFT反變換得到的[8]。Chebyshev多項(xiàng)式定義為

(1)

式(1)可以通過(guò)迭代產(chǎn)生：Tk+1(x)=2xTk(x)-Tk-1(x),T0(x)=1,T1(x)=x，其中x∈Z,k∈R且k≥1，令函數(shù)長(zhǎng)度N=2M+1，則Chebyshev切趾函數(shù)在時(shí)域的表達(dá)式為

wC(n,γ)=

-M≤n≤M,

(2)

(3)

式中：γ為用分?jǐn)?shù)表示的旁瓣與主瓣幅度的比值[9-10]，則第一旁瓣相對(duì)于主瓣衰減值m=20lgγ(dB)，在實(shí)際應(yīng)用中，僅需調(diào)整γ的值就可以獲得不同的主瓣寬度、旁瓣衰減等指標(biāo)，Chebyshev切趾函數(shù)的性質(zhì)如表1所示，與其他典型切趾函數(shù)的幅頻響應(yīng)對(duì)比如圖1所示。

表1 Chebyshev切趾函數(shù)在不同旁瓣衰減時(shí)的性質(zhì)(N=128)

圖1 Chebyshev切趾函數(shù)與兩種典型切趾函數(shù)在相同旁瓣衰減下的對(duì)比(N=128)Fig.1 Comparison of Chebyshev apodization function with two typical apodization functions at the same side-lobe attenuation(N=128)

圖1中，a)是Chebyshev切趾函數(shù)與Hamming函數(shù)(形式簡(jiǎn)單、切趾性能不可調(diào))的對(duì)比，b)是Chebyshev切趾函數(shù)與Gausswin函數(shù)(形式復(fù)雜、切趾性能可調(diào))的對(duì)比。通過(guò)圖1可以發(fā)現(xiàn)，在相同第一旁瓣衰減情況下，Chebyshev切趾函數(shù)具有更窄的主瓣寬度，這使得干涉圖經(jīng)過(guò)Chebyshev切趾后光譜分辨率更高；同時(shí)，Chebyshev切趾函數(shù)第一旁瓣衰減可調(diào)節(jié)范圍寬，具有更強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。然而通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旁瓣衰減較小時(shí)，Chebyshev切趾函數(shù)主瓣功率泄露嚴(yán)重，并且其旁瓣衰減率為零，不利于臨近強(qiáng)干擾信號(hào)的抑制。為了更好地利用Chebyshev切趾函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)的改進(jìn)顯得十分有必要。

2 改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)及其分析

通過(guò)第1節(jié)對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)的分析，在眾多切趾函數(shù)中選取Blackman-Harris函數(shù)用于對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)的改進(jìn)。Blackman-Harris切趾函數(shù)是一種具有良好旁瓣性能的四項(xiàng)系數(shù)三階余弦函數(shù)，與其他切趾函數(shù)相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：第1，作為一種余弦函數(shù)，其切趾運(yùn)算簡(jiǎn)單易行[11]；第2，在同步誤差較小時(shí)，旁瓣抑制能力強(qiáng)，通過(guò)在Matlab中調(diào)用Wvtool函數(shù)對(duì)其幅頻響應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其旁瓣電平相對(duì)于主瓣可降低-92 dB[12]，能較好的適應(yīng)Chebyshev切趾函數(shù)旁瓣衰減調(diào)節(jié)范圍寬的特點(diǎn)；第3，Blackman-Harris函數(shù)有一定的旁瓣衰減率，對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)旁瓣衰減率的提高具有改善作用。Blackman-Harris函數(shù)表達(dá)式可由余弦窗的一般表達(dá)式推導(dǎo)得出：

(4)

式(4)為余弦窗的一般表達(dá)式，其中0≤n≤N-1，k為項(xiàng)數(shù)。當(dāng)k=0時(shí)，式(4)為矩形切趾函數(shù)，當(dāng)k=1時(shí)，為漢寧切趾函數(shù)，當(dāng)k=2時(shí)，為Blackman切趾函數(shù)，k=3時(shí)，為Blackman-Harris函數(shù)。長(zhǎng)度為N的Blackman-Harris函數(shù)其時(shí)域表達(dá)式為[12-13]

(5)

式中：a0=0.358 75,a1=0.488 29,a2=0.141 28,a3=0.011 68。為此，在原有可調(diào)參數(shù)γ的基礎(chǔ)上，增加了可調(diào)參數(shù)L(0≤L≤N)，對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)：

wC_B_H(n,γ,N,L)=

(6)

式(6)為改進(jìn)后的Chebyshev切趾函數(shù)時(shí)域表達(dá)式，其波形如圖2所示(N=128,L=80)，改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)同時(shí)擁有Chebyshev與Blackman-Harris函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)Matlab計(jì)算，其性質(zhì)如表2所示。

圖2 改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)Fig.2 Improved Chebyshev apodization function

表2 改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)在不同旁瓣衰減時(shí)的性質(zhì)

Table 2 Property of improved Chebyshev apodization function at different side-lobe attenuation

m/dBL實(shí)際第一旁瓣衰減/dB功率泄露系數(shù)(%)歸一化主瓣寬度旁瓣衰減率/(dB/otc)-2510-48．20．010．02930-6-2560-18．61．640．02340-12-25120-21．71．060．01563-10-5010-51．300．02930-6-5060-23．70．440．02340-12-50120-41．80．020．01953-10-802-80．800．02930-6-80126-77．300．02539-10

通過(guò)表1和表2的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)際旁瓣衰減較小時(shí)，改進(jìn)后切趾函數(shù)功率泄露系數(shù)得到了明顯的改善，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)L，其仍可以保留Chebyshev切趾函數(shù)歸一化主瓣寬度較窄、第一旁瓣衰減調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，并且旁瓣衰減率得到了增加。改進(jìn)的切趾函數(shù)與原Chebyshev切趾函數(shù)的幅頻響應(yīng)對(duì)比如圖3所示。

圖3中，a)為改進(jìn)的切趾函數(shù)與Chebyshev切趾函數(shù)在第一旁瓣衰減43 dB時(shí)的比較，其中L=127，m=-46 dB,改進(jìn)的切趾函數(shù)功率泄露系數(shù)為0.07%，原Chebyshev切趾函數(shù)為0.23%。b)為改進(jìn)的切趾函數(shù)與原Chebyshev函數(shù)在第一旁瓣衰減25 dB時(shí)的比較，其中L=127，m=-27 dB，改進(jìn)的切趾函數(shù)功率泄露系數(shù)為5.89%，原Chebyshev切趾函數(shù)為16.01%。c)為改進(jìn)的切趾函數(shù)與原Chebyshev函數(shù)在第一旁瓣衰減25 dB時(shí)的比較，其中L=101，m=-38 dB, 改進(jìn)的切趾函數(shù)功率泄露系數(shù)為0.4%，原Chebyshev切趾函數(shù)為16.01%，改進(jìn)后函數(shù)旁瓣衰減率達(dá)到了12 dB/otc。

圖3 改進(jìn)的切趾函數(shù)與原Chebyshev切趾函數(shù)在相同旁瓣衰減下的比較(N=128)Fig.3 Comparison between the improved apodization function and the original Chebyshev apodization function under the same side-lobe attenuation (N=128)

從圖3a)，b)，c)的結(jié)果可以看出，通過(guò)對(duì)參數(shù)γ及參數(shù)L的調(diào)節(jié)，新的切趾函數(shù)在功率泄露系數(shù)、旁瓣衰減率方面得到了很大的改善，從圖3b),c)可以看出，不同的γ及L值可以得到相同的第一旁瓣衰減，但功率泄露系數(shù)、旁瓣衰減率和主瓣寬度會(huì)有相應(yīng)的增減，這使得改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)可以適應(yīng)不同的切趾要求，應(yīng)用能力更加靈活。在一般情況下，其主瓣寬度較原Chebyshev函數(shù)有所增寬，但是當(dāng)取L=N時(shí)(圖3d)，改進(jìn)的切趾函數(shù)恢復(fù)原Chebyshev函數(shù)的效果，主瓣寬度最窄。

3 仿真與討論

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)型切趾函數(shù)的性能，選取余弦波模擬單色光的干涉圖，首先在Matlab中生成余弦信號(hào)，對(duì)此信號(hào)采樣(采樣頻率100 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)512點(diǎn))，然后進(jìn)行切趾、光譜還原處理。則系統(tǒng)理想干涉圖為

IR(x)=100 cos(2π·4x).

(7)

限制于干涉儀只能提供有限的光程差，實(shí)際截?cái)喔缮鎴D為

(8)

式(8)經(jīng)過(guò)反傅里葉變換，即可得到矩形函數(shù)切趾后的光譜圖[14]：

(9)

式中：σ為光譜波數(shù)；BR(σ)表示波數(shù)σ處的光譜強(qiáng)度。

然后用改進(jìn)的切趾函數(shù)和4種典型切趾函數(shù)乘以式(8)，對(duì)實(shí)際干涉圖切趾后進(jìn)行式(9)的變換，得復(fù)原光譜如圖4所示。

圖4 幾種典型切趾函數(shù)對(duì)單色光干涉圖切趾還原后光譜圖效果對(duì)比Fig.4 Contrast effect of restored spectrum of monochromatic light from several typical apodization functions

圖4中，a)為模擬原始干涉圖及其未經(jīng)切趾處理的復(fù)原光譜，b)為矩形切趾及三角切趾后的復(fù)原光譜，實(shí)際應(yīng)用中，限制于光譜儀只能提供有限的光程差，矩形切趾后的干涉圖即為一般意義上的原始干涉圖[15]，從圖b)可以看出，經(jīng)矩形切趾后的復(fù)原光譜旁瓣衰減不足，經(jīng)三角切趾后的復(fù)原光譜旁瓣雖然得到了一定的抑制，但是主瓣寬度增加較多，光譜分辨率下降明顯；c)為布萊克曼與漢明切趾后的復(fù)原光譜，旁瓣抑制能力進(jìn)一步增強(qiáng)，但仍然存在主瓣寬度增加明顯的問(wèn)題，切趾處理后光譜還原效果并不理想；d)中，2種切趾函數(shù)在相同的第一旁瓣衰減下(-25 dB)，改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)旁瓣抑制能力較強(qiáng)，旁瓣衰減率得到了提高的同時(shí)，主瓣寬度增加并不明顯，因此，改進(jìn)后的Chebyshev函數(shù)是一種性能優(yōu)異的切趾函數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)傅里葉變換光譜儀干涉圖切趾函數(shù)進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的Chebyshev切趾函數(shù)，利用Chebyshev切趾函數(shù)切趾處理后光譜圖主瓣寬度窄、旁瓣衰減可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)與Blackman-Harris切趾函數(shù)旁瓣衰減能力強(qiáng)，具有一定旁瓣衰減率的特點(diǎn)相結(jié)合，對(duì)Chebyshev切趾函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。將改進(jìn)后的切趾函數(shù)進(jìn)行分析與仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：①改進(jìn)后的Chebyshev切趾函數(shù)較正了原切趾函數(shù)旁瓣衰減較低時(shí)，功率泄露嚴(yán)重的問(wèn)題；②改進(jìn)后的Chebyshev切趾函數(shù)較正了原切趾函數(shù)旁瓣等波動(dòng)性，旁瓣衰減率為0的問(wèn)題；③改進(jìn)后的Chebyshev切趾函數(shù)相比于原切趾函數(shù)更加靈活，可以在相同第一旁瓣衰減量下得到不同的功率泄露效果、旁瓣衰減率和主瓣寬度。

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Improved Chebyshev Function to Raise the Effect of Interferogram Apodization

JIANG Feng, WU Gao-wei, SHENG Wen, FENG Xiao, FENG Zhi

(Air Force Early Warning Academy, Hubei Wuhan 430019, China)

In order to rectify the shortcomings of high power leakage rate at low side-lobe attenuation and identical fluctuation of side-lobe attenuation of Chebyshev apodization function, an improved Chebyshev apodization function is put forward. Firstly, the defects of Chebyshev apodization function in spectrum restoration is analyzed by simulation; and then, the Blackman-Harris function is selected to improve it and compared with the previous one; at last, the function is used for monochromatic interferogram apodization process and simulation. The simulation results show that the new Chebyshev apodization function can solve the problems of high power leakage rate at low side-lobe attenuation and identical fluctuation of side-lobe attenuation, and its application ability is more flexible.

Chebyshev; apodization function; Blackman-Harris; interferogram; spectrum reconstruction; simulation analysis

2016-04-05；

2016-07-10 作者簡(jiǎn)介：江峰(1992-)，男，四川眉山人。碩士生，主要研究方向?yàn)榧t外光譜復(fù)原技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.02.025

TN911.1；TH744.1

A

1009-086X(2017)-02-0160-06

通信地址：430019 湖北省武漢市江岸區(qū)黃浦大街288號(hào)空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì)21隊(duì)E-mail：969656256@qq.com