一种针对激光吸收光谱的降噪方法及装置制造方法及图纸

本申请公开了一种针对激光吸收光谱的降噪方法及装置，所述方法包括：确定激光照射待测气体时形成的激光吸收光谱；根据待测气体所在气室的当前压强对应的降噪光谱函数，以及当前温度与激光吸收光谱之间的关系，确定当前环境变量下的降噪光谱，降噪光谱与激光吸收光谱位于同一坐标系，当前环境变量包括当前温度和当前压强；通过对比激光吸收光谱和降噪光谱，确定降噪光谱在坐标系中的更新方向和更新位移量；根据更新方向和更新位移量，对降噪光谱在坐标系中的位置进行更新，直到更新后的降噪光谱满足预设条件，满足预设条件的降噪光谱为滤除噪声后的激光吸收光谱。本申请能够降低各种噪声对于待测气体的激光吸收光谱的影响，进而利于检测精度的改善。而利于检测精度的改善。而利于检测精度的改善。

【技术实现步骤摘要】
一种针对激光吸收光谱的降噪方法及装置


[0001]本申请涉及激光吸收光谱分析
，尤其涉及一种针对激光吸收光谱的降噪方法及装置。

技术介绍

[0002]目前，气体浓度检测的方式主要有电化学气体传感器检测、催化燃烧气体传感器检测和激光吸收光谱检测等。其中，激光吸收光谱检测相较于传统的电化学气体传感器检测和催化燃烧气体传感器检测而言，因具有高灵敏度、响应时间快和检测下限低等优点，越来越受到人们的青睐。激光吸收光谱检测主要根据“特定气体只吸收特定波长的激光”这一原理，通过对比待测气体在吸收特定波长激光的前后，所呈现出的激光吸收光谱间的差异来进行气体浓度的计算。
[0003]激光吸收光谱检测技术中常规的检测装置一般包括激光发射器、气室、光电检测模块和信号处理模块等。具体地，激光发射器发射的激光束在气室中进行传播，并能够被气室中的待测气体吸收，光电检测模块在接收到被待测气体吸收后的激光束后，将光信号转换为电信号并发送给信号处理模块，信号处理模块则能够根据接收到的电信号输出激光吸收光谱。上述检测过程中，由于各种噪声的存在，往往会使输出的激光吸收光谱具有较低的信噪比，从而增大了后续气体浓度计算过程的误差，不利于气体浓度检测精确度的提升。
[0004]为了降低各种噪声对于气体浓度检测的影响，现有技术主要从硬件改良和软件去噪两个方面对气体浓度检测过程行降噪处理。在硬件改良方面，例如可以通过对检测装置中的激光发射器进行改良，如选择能发射出光吸收强度更好的激光的激光发射器，以改善激光的质量，从而降低激光器的光源强度噪声；或者，对气室进行改良，以增加光程或使气室的反射结构得到改善，以降低激光器的光源相位噪声；亦或者，对后端电气模块进行改进，如设计更高性能的滤波电路，以消除电路系统产生的噪声。上述多种硬件改良的方式虽然能够分别降低不同类型的噪声对于气体浓度检测的影响，但是硬件改良的方式由于对检测装置各部件的性能有了更高的要求，因此也往往使得检测装置的结构更加复杂，使用和维护方式更加繁琐，极大的增加了检测装置的成本。
[0005]基于此，软件去噪凭借着便于调试、成本低等优点，正在逐渐成为激光吸收光谱降噪
中的一个研究热点。近年来，常用的软件去噪算法为窗口均值算法(Averaging Window)。通过窗口均值算法进行气体浓度的检测时，首先需要多次采集待测气体的激光吸收光谱，将多次采集的吸收光谱作为样本数据，通过比较众多样本数据，确定样本数据之间的差异，并认为差异较大的部分为噪声的影响，然后去除其中差异较大的部分，通过剩余的样本数据确定气体的浓度，以滤除噪声对气体检测的影响。
[0006]但是，窗口均值算法极度依赖样本数据的采集数量，若样本数据太少，待测气体的各激光吸收光谱中的噪声不具有普适性，因而往往会影响激光吸收光谱中噪声的滤除效果；若样本数据太多，则又会大大增加算法的运算负荷，延长激光吸收光谱中噪声的滤除时间。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种针对激光吸收光谱的降噪方法及装置，以解决上述技术问题中的至少一个技术问题。
[0008]本申请所采用的技术方案为：
[0009]第一方面，本申请提供一种针对激光吸收光谱的降噪方法，所述降噪方法包括如下步骤：
[0010]确定激光照射待测气体时形成的激光吸收光谱；
[0011]根据所述待测气体所在气室的当前压强对应的降噪光谱函数，以及当前温度与所述激光吸收光谱之间的关系，确定当前环境变量下的降噪光谱，所述降噪光谱与所述激光吸收光谱位于同一坐标系，所述当前环境变量包括所述当前温度和所述当前压强；
[0012]通过对比所述激光吸收光谱和所述降噪光谱，确定所述降噪光谱在所述坐标系中的更新方向和更新位移量；
[0013]根据所述更新方向和所述更新位移量，对所述降噪光谱在所述坐标系中的位置进行更新，直到更新后的所述降噪光谱满足预设条件，满足预设条件的所述降噪光谱为滤除噪声后的所述激光吸收光谱。
[0014]作为本申请的一种优选实施方式，所述确定激光照射待测气体时形成的激光吸收光谱，包括：获取激光照射待测气体生成的原始光谱，所述原始光谱对应多个连续的周期；通过极值搜索算法确定所述原始光谱中每个周期的极值；以确定出的多个所述极值为节点，将多个所述连续的周期裁剪为多个离散的周期；对叠加在一起的多个所述离散的周期进行均值处理，以得到均值化光谱，所述均值化光谱具有气体吸收峰，所述气体吸收峰为所述激光吸收光谱中所述待测气体对应的波长吸收区域；对所述均值化光谱中不含所述气体吸收峰的部分进行拟合，以得到参照光谱；对所述均值化光谱和所述参照光谱进行归一化处理，得到所述激光吸收光谱。
[0015]作为本申请的一种优选实施方式，所述当前压强对应的降噪光谱函数包括：
[0016]当所述当前压强小于预设的第一阈值时，所述降噪光谱函数为：
[0017][0018]其中，g
G
(v)表示高斯线型函数g
G
，Δv
G
为当前压强小于预设的第一阈值时，降噪光谱的半峰半宽，单位为cm
‑1，v0为谱线中心处的波数，单位cm
‑1，v为激光的波数，单位cm
‑1；
[0019]当所述当前压强大于预设的第二阈值时，所述降噪光谱函数为：
[0020][0021]其中，g
L
(v)表示洛伦兹线型函数g
L
，Δv
L
为当前压强大于预设的第二阈值时，降噪光谱的半峰半宽，单位为cm
‑1；v0为谱线中心处的波数，单位cm
‑1；v为激光的波数，单位cm
‑1；
[0022]当所述当前压强在所述第一阈值和所述第二阈值之间时，所述降噪光谱函数为：
[0023][0024]其中，g
v
(v)表示伏克特线型函数g
v
，g
v
是g
G
和g
L
的卷积，
[0025]作为本申请的一种优选实施方式，所述根据所述待测气体所在气室的当前压强对应的降噪光谱函数，以及当前温度与所述激光吸收光谱之间的关系，确定当前环境变量下的降噪光谱，包括：选择与所述当前压强相对应的所述降噪光谱函数；构建基于所述当前温度与所述激光吸收光谱的谱线强度的补偿函数，并对所述降噪光谱函数和所述补偿函数进行乘积计算，以得到所述当前环境变量下的降噪光谱。
[0026]作为本申请的一种优选实施方式，在所述通过对比所述激光吸收光谱和所述降噪光谱，确定所述降噪光谱在所述坐标系中的更新方向和更新位移量之前，所述降噪方法还包括：
[0027]将所述激光吸收光谱和所述降噪光谱对应的数据分别导入预先构建的自适应粒子群算法，其中，所述自适应粒子群算法被配置为包含i个粒子，每个粒子代表一个数据对象，每个数据对象为所述激光吸收光谱中的一个光谱点，种群总数为NP，最大更新次数为N；
[0028]通过边界处理函数对所述激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对激光吸收光谱的降噪方法，其特征在于，所述降噪方法包括如下步骤：确定激光照射待测气体时形成的激光吸收光谱；根据所述待测气体所在气室的当前压强对应的降噪光谱函数，以及当前温度与所述激光吸收光谱之间的关系，确定当前环境变量下的降噪光谱，所述降噪光谱与所述激光吸收光谱位于同一坐标系，所述当前环境变量包括所述当前温度和所述当前压强；通过对比所述激光吸收光谱和所述降噪光谱，确定所述降噪光谱在所述坐标系中的更新方向和更新位移量；根据所述更新方向和所述更新位移量，对所述降噪光谱在所述坐标系中的位置进行更新，直到更新后的所述降噪光谱满足预设条件，满足预设条件的所述降噪光谱为滤除噪声后的所述激光吸收光谱。2.如权利要求1所述的针对激光吸收光谱的降噪方法，其特征在于，所述确定激光照射待测气体时形成的激光吸收光谱，包括：获取激光照射待测气体生成的原始光谱，所述原始光谱对应多个连续的周期；通过极值搜索算法确定所述原始光谱中每个周期的极值；以确定出的多个所述极值为节点，将多个所述连续的周期裁剪为多个离散的周期；对叠加在一起的多个所述离散的周期进行均值处理，以得到均值化光谱，所述均值化光谱具有气体吸收峰，所述气体吸收峰为所述激光吸收光谱中所述待测气体对应的波长吸收区域；对所述均值化光谱中不含所述气体吸收峰的部分进行拟合，以得到参照光谱；对所述均值化光谱和所述参照光谱进行归一化处理，得到所述激光吸收光谱。3.如权利要求1所述的针对激光吸收光谱的降噪方法，其特征在于，所述当前压强对应的降噪光谱函数包括：当所述当前压强小于预设的第一阈值时，所述降噪光谱函数为：其中，g
G
(v)表示高斯线型函数g
G
，Δv
G
为当前压强小于预设的第一阈值时，降噪光谱的半峰半宽，单位为cm
‑1，v0为谱线中心处的波数，单位cm
‑1，v为激光的波数，单位cm
‑1；当所述当前压强大于预设的第二阈值时，所述降噪光谱函数为：其中，g
L
(v)表示洛伦兹线型函数g
L
，Δv
L
为当前压强大于预设的第二阈值时，降噪光谱的半峰半宽，单位为cm
‑1；v0为谱线中心处的波数，单位cm
‑1；v为激光的波数，单位cm
‑1；当所述当前压强在所述第一阈值和所述第二阈值之间时，所述降噪光谱函数为：其中，g
v
(v)表示伏克特线型函数g
v
，g
v
是g
G
和g
L
的卷积，的卷积，
4.如权利要求3所述的针对激光吸收光谱的降噪方法，其特征在于，所述根据所述待测气体所在气室的当前压强对应的降噪光谱函数，以及当前温度与所述激光吸收光谱之间的关系，确定当前环境变量下的降噪光谱，包括：选择与所述当前压强相对应的所述降噪光谱函数；构建基于所述当前温度与所述激光吸收光谱的谱线强度的补偿函数，并对所述降噪光谱函数和所述补偿函数进行乘积计算，以得到所述当前环境变量下的降噪光谱。5.如权利要求1所述的针对激光吸收光谱的降噪方法，其特征在于，在所述通过对比所述激光吸收光谱和所述降噪光谱，确定所述降噪光谱在所述坐标系中的更新方向和更新位移量之前，所述降噪方法还包括：将所述激光吸收光谱和所述降噪光谱对应的数据分别导入预先构建的自适应粒子群算法，其中，所述自适应粒子群算法被配置为包含i个粒子，每个粒子代表一个数据对象，每个数据对象为所述激光吸收光谱中的一个光谱点，种群总数为NP，最大更新次数为N；通过边界处理函数对所述激光吸收光谱的各个粒子进行矫正，所述边界处理函数为：其中，为矫正后对应j维分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳芳，张林，张秦端，李彬恺，魏玉宾，张婷婷，王兆伟，宫卫华，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：