一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体来说，涉及一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法。

背景技术

随着工业的高速发展，全球逐渐对气体检测领域，如工业气体检测、车尾气检测、药瓶残氧量检测等不断提出新的要求。

目前，可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术是一种理想的高灵敏度快速微量气体检测方法，被广泛应用于各种气体检测领域。其中，波长调制光谱(Wavelength Modulation Spectroscopy,WMS)技术常与TDLAS技术搭配使用，使检测系统具备极高的噪声抑制能力。在基于TDLAS-WMS技术的微量气体检测系统中，锁相放大技术起着至关重要的作用。具体地，利用锁相放大技术，可通过设置参考信号，从吸收光谱信号中解调出多次谐波，成为气体分析的重要基础。因此，锁相放大技术在基于TDLAS-WMS的气体检测系统中起着十分重要的作用。

现有的锁相放大方法主要以正交锁相方法为主，但该方法需要两路乘法及两路低通滤波器，当硬件资源受限时，存在性能衰退或滤波器阶数难以满足的问题。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法，以实现气体吸收光谱信号的谐波提取，相比正交锁相放大方法计算资源占用更少。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法，包括以下步骤，步骤1，将气体分子吸收光谱信号与正/余弦参考信号进行线性卷积；步骤2，利用线性卷积中积分器的低通滤波特性可将卷积序列中的高频项近似为0，步骤3，经过平方和即可获取多次谐波信号。

在可能的一个设计中，步骤1还包括在采样率f

其中，I为原始光强，v

在可能的一个设计中，步骤1中，设置正/余弦参考信号分别为：

在可能的一个设计中，步骤2中，当调制信号中的高频正弦信号频率足够高(即ω足够大)，且采样率足够时，作如下的约分：

在可能的一个设计中，步骤2中，卷积序列X(n)与卷积序列Y(n)可近似为下式：

在可能的一个设计中，步骤3中，对两卷积序列X(n)与Y(n)做平方和，得到离散序列Z(n)，其表达式为：

在可能的一个设计中，步骤3中，离散序列Z(n)即为k次谐波。

本发明还提供一种基于TDLAS-WMS技术的气体检测装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的锁相放大方法。

本发明还提供一种气体检测系统，包括前述的基于TDLAS-WMS技术的气体检测装置。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行前述的锁相放大方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的有益效果为：本方法快速准确，可实现吸收光谱信号锁相解调，为分析微量气体提供技术支持。相较基于正交解调的锁相放大方法，该方法无需低通滤波器处理，计算速度更快，占用资源更少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法实施例的流程图；

图2示出了本发明一种TDLAS气体检测中基于线性卷积的锁相放大方法实施例中解调出的一次～四次谐波。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

本实例提供的所述针对TDLAS气体检测系统的基于线性卷积的锁相放大方法，包括以下步骤：

搭建一套基于TDLAS-WMS技术的气体检测系统，采用低频斜坡信号与高频余弦信号的叠加信号作为激光器的电流调制信号，该调制方式下，激光器输出的激光光强可表示为：

所述激光在自由空间传输，并被待测气体吸收部分能量，设置光电探测器将光信号转换为电信号，经气体吸收后的光谱信号表达式为：

采集上述信号，采样率设为fs，得到N点吸收光谱信号离散序列I

设置正/余弦k倍频参考信号sin(kωt)/cos(kωt)，在采样率为fs下，两参考信号的离散序列可表示为：

所述参考信号离散序列仅取一个周期，故离散序列的长度为

令吸收光谱信号离散序列I

为分析上述离散序列的展开结果，现对吸收光谱信号进行傅里叶展开，可以得到如下的表达式：

将改傅里叶展开表示为离散序列可得到如下表达式：

故卷积序列X(n)可表示为：

/>

已知积分器可以简单看作一个低通滤波器，则当调制信号中的高频正弦信号频率足够高(即ω足够大)，且采样率足够时，可作如下的约分：

故卷积序列X(n)可近似为下式：

令吸收光谱信号离散序列I

同卷积序列X(n)，对卷积序列Y(n)中的吸收光谱信号序列项做傅里叶展开，可得到卷积序列Y(n)表达式为：

同卷积序列X(n)，由于积分器的低通滤波功能，卷积序列Y(n)也可近似为如下的表达式：

进一步地，为最终实现锁相放大功能，对两卷积序列X(n)与Y(n)做平方和，得到离散序列Z(n)，其表达式为：

/>

参考卷积序列X(n)与卷积序列Y(n)的近似表达式，离散序列Z(n)可近似为如下表达式：

由于积分器的滤波功能有限，上述得到的离散信号依然可能存在部分高频噪声，离散序列即为k次谐波。

本发明还提供一种基于TDLAS-WMS技术的气体检测装置，包括存储器、控制处理器及存储在所述存储器上并可在所述控制处理器上运行的计算机程序，所述控制处理器执行所述程序，以实现前述的锁相放大方法。

本发明还提供一种气体检测系统，包括前述的基于TDLAS-WMS技术的气体检测装置。本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行前述的锁相放大方法。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘(SSD)、卡式存储器(诸如，多媒体卡、安全数字(SD)卡或极速数字(XD)卡)、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行计算机程序。

在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。

本发明的有益效果为：本方法快速准确，可实现吸收光谱信号锁相解调，为分析微量气体提供技术支持。相较基于正交解调的锁相放大方法，该方法无需低通滤波器处理，计算速度更快，占用资源更少。

具体的，选取水蒸气为待测气体，操作流程如图1所示。

首先，搭建实验平台，按要求连接水蒸气激光器、激光控制器ITC4001、激光探测器PDA10DTEC、数据采集卡USB-6361和PC。

设置为185mv-265mv、10Hz锯齿波+20mv 6kHz正弦波为激光器的控制电流信号，稳定输出波段1392.45～1392.55nm的激光，发射的激光经空气中水蒸气吸收后被激光探测器PDA10DTEC接收，并用数据采集卡对接收到的气体吸收光谱信号进行采集，采样率设置为300K，采集的信号传送到PC做进一步的数据处理。

分别取1/2/3/4倍频(6kHz/12kHz/18kHz/24kHz)的正/余弦参考信号，得到300K采样率下，各参考信号的离散序列并只取一个周期。

令上述采集的吸收光谱信号离散序列分别与各倍频的正/余弦参考信号离散序列做线性卷积，分别得到对应不同阶数的两路信号X

分别对两路信号做平方和操作得到离散序列Z

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。