新型光纤温度测量系统信号的仿真研究

　　1　引言

　　在工业生产、控制及其它领域中,温度是最重要的参量之一,因此,它的检测也是至关重要的。中高温的测量在钢铁制造、玻璃二次加工、热处理等领域是必不可少的〔1〕。光纤比色测温仪通过两路互为参考的通道进行信号采集、传输,经光电探测器及前置放大系统后得到被测电压信号,在信号的采集和传输过程中,原始信号会受到大量噪声的污染,在接收端就必须对信号进行去噪处理。由于小波具有良好的频域带通特性,根据信号和噪声所处频带不同的特点,将含噪信号进行多尺度分解,将分解后的高频信号采用阈值法进行处理,再对信号进行重构,即可有效滤除噪声干扰,提高系统测温精度。

　　2　基于小波阈值滤波的比色测温信号的消噪

　　比色式辐射测温是通过测量物体两个波段上的辐射高度,并根据它们的比值来确定被测物体温度的。黑体辐射的光谱能量可用维恩公式表示:

　　式中Mλ,T为物体发射的光谱辐射通量密度,C1,C2为普朗克第一,第二辐射常数。

　　一个含噪声的一维信号的模型可表示成如下形式:

　　其中s(i)为含噪信号,f(i)为真实信号,e(i)为噪声,σ为噪声标准方差。在测温仪系统中,有用信号表现为低频信号,而噪声主要为高频的白噪声信号,所以比色测温仪的光电探测器输出端的电压信号可近似表示为

　　由于白噪声是广义随机分布的,它的奇异性指数为负,而通常信号的奇异性指数是大于0的〔2〕。可见信号和噪声在不同尺度的小波变换下呈现的特性截然相反,所以在本系统中,小波分析采用二进小波变换,具体算法如下:

　　式中,a是原始信号的平滑信号,d是细节信号;g是与小波函数相关的带通滤波器的脉冲对应;h是与尺度函数相关的低通滤波器的脉冲对应〔3〕。J为小波分解的级数。

　　信号经过上述分解,噪声部分通常包含在高频信号中,因而可以通过采用阈值法对小波系数进行处理,然后对信号进行重构,即可从s(i)中恢复出真实信号f(i)。

　　由小波滤波去噪的理论可知:信号小波变换的幅度随着尺度的增大而增大,而白噪声具有负的奇异性,其小波变换幅度和稠密度及方差均随尺度的增大而减小。所以通过软阈值法即可进行消噪,具体过程如下:

　　(1)一维信号的小波分解。选择一个小波,当信噪比很低时,选用的小波函数必须很正则,本系统选用db5小波,dbN小波具有很好的正则性,能很好地将信号的高频部分和低频部分分开。

　　(2)确定小波分解的级数。可由传统的基于熵的标准来确定小波分解的级数: