光学成像条码定位中的频谱修正(3)

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但是在实际应用中，特征谱线的分析与提取却会受到多种因素的影响使得提取到的谱线与实际的特征谱线不一致，使由此计算得出的距离与实际距离间产生误差。这主要是由于点扩散函数的低通滤波作用，消弱了特征谱线的幅值。随着仪器标尺之间距离的变大，特征谱线随之也向高频方向移动，使其受到的影响更加显著，进而导致特征谱线愈发难以检测。同时，这种条码定位系统中的频谱分析是一种典型的数字信号处理，这就意味着我们使用的计算机只能对有限多个信号样本进行处理，DFT和谱分析也仅能在有限的区间中进行，这就将不可避免的导致由于空域截断效应产生的能量泄漏和谱间干扰，使得单频离散谱线被连续化，谱峰变小，精度降低，不同频率的谱线之间会相互影响，这样就使得经过DFT处理后得到的离散频谱的幅值，相位和频率都将产生较大的误差。同样，在从条码信号的频谱中提取特征谱线时，也会由于频域的离散化而产生误差，使得实际的特征谱线位于条码信号频谱的两根谱线之间，这种现象称之为栅栏效应，将造成物象比和测量距离计算的显著误差。

目前减少频谱泄漏和谱间干扰现象的方法主要有以下两大类: 一，通过减少同步误差来降低频谱泄漏和谱间干扰; 二，在同步误差一定的情况下, 通过对采样数据进行处理或者修正测量结果来减少测量误差。其中，加窗函数以改善频谱性质属于第二种方法，在进行离散频谱分析时由于截断处理得到的信号为有限长度，因此截断效应的影响是不可避免的。截断效应的影响与窗函数频谱的旁瓣有着密切的关系，若是旁瓣的幅值趋向零，从而使得能量在主瓣区域相对集中，我们就可以得到较为接近于真实的频谱，它的误差一般较小。为此，我们通常对原始信号采用不同的窗函数来进行截断，对窗函数的基本要求是：信号截断处的不连续状态(由于吉布斯效应而产生的振荡)要得到改善；窗函数频谱中的主瓣窄而高，从而能够提高分辨率，于此同时，旁瓣的高度应较小，使得正负交替接近相等，从而减小频谱泄漏和谱间干扰。文献综述

条码定位系统中频谱分析所遇到的误差是大多数数字信号处理过程中都会遇到的误差，对于条码定位系统中定位标尺所使用的这种单频谐波信号，目前国内外的科学家们提出了多种频谱修正的方法来提高分析的精度，主要包括：一，能量重心校正法；二，比值校正法(内插法 )；三，FFT + FT谱连续细化分析傅立叶变换；四，相位差修正法。从谐波信号加窗截断进行离散频谱分析时会存在较大的相位、幅值和频率误差这样的角度出发，能量重心校正法、比值校正法、相位差校正法一般是首先解出归一化频率的校正量，然后根据我们已解出频率的校正量，得到校正的频率、幅值和相位。FFT+FT谱连续细化分析傅立叶变换法的原理实质是将连续傅立叶变换的时域中补零，使得频域中的频谱分辨率极大提高而得到细化倍数极高的频谱，从而可以得到高精度的幅值、相位和频率。经过理论上的分析可以知道，在信号不含噪声的情况下比值法和相位差法都是准确的校正方法，与此同时能量重心法和FFT+FT谱连续细化分析傅立叶变换都是精度非常高的近似方法．所以我们在频谱分析中不论采用哪一种方法都可以得到比较准确的谐波信号频谱的校正幅值、相位和频率，从而大大的减小了离散频谱分析的误差，为精确测量谐波信号的各种参数提供了一种有效的手段。

本文详尽分析了条码定位系统中所遇到的加窗、谱采样和噪声影响的详细成因。针对频谱分析中由于加窗而产生的截断效应的影响，探讨了不同窗函数经过傅里叶变换变换后频谱的性质,揭示各种窗的特点和作用,并且提出了在进行频谱分析时可以根据分析信号的性质与处理的要求运用适当的窗函数来改善频谱,以达到减小实际测量误差的目的。而针对由于频域离散化而产生的栅栏效应的影响，提出分析并应用了补零过采样法和相位差修正法来提高频谱分析的精度，以使得测量距离的精度有很大的提高。