JP2018013433A - Signal processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ式ガス分析計に用いられる信号処理装置に関する。 The present invention relates to a signal processing device used in a laser gas analyzer.
測定空間に存在する測定対象ガスの有無又は濃度を、レーザ光を用いて測定するレーザ式ガス分析計が知られている。レーザ式ガス分析計においては、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長帯を有するレーザ光源が用いられる(例えば、特許文献1参照)。レーザ光源から出射されるレーザ光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスによるレーザ光の吸収を利用してガス濃度を計測する。 2. Description of the Related Art Laser type gas analyzers that measure the presence or concentration of a measurement target gas existing in a measurement space using laser light are known. In the laser gas analyzer, a laser light source having the same emission wavelength band as the light absorption spectrum of the measurement target gas is used (see, for example, Patent Document 1). The measurement target gas is irradiated with laser light emitted from a laser light source, and the gas concentration is measured using absorption of the laser light by the measurement target gas.
図9は、特許文献1に記載されたレーザ式ガス分析計の概略構成図である。レーザ式ガス分析計20は、測定対象ガスが存在する測定対象空間30に向けてレーザ光を出射する発光部10と、測定対象空間30を透過したレーザ光を受光する受光部20と、受光信号に基づいて測定対象ガスによるレーザ光の吸収量を抽出して各種演算処理によって測定対象ガス濃度を求める信号処理部23と、で構成されている。発光部10は、レーザ素子が搭載された光源部11と、光源部11から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ12とを備えている。また、受光部20は、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ21と、集光レンズ21で集光されたレーザ光を検出する光検出部22と、を備えている。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a laser type gas analyzer described in Patent Document 1. In FIG. The laser gas analyzer 20 includes a light emitting unit 10 that emits laser light toward a measurement target space 30 in which a measurement target gas exists, a light receiving unit 20 that receives laser light that has passed through the measurement target space 30, and a light reception signal. And a
レーザ光は光路上にあるコリメートレンズ12、集光レンズ21等の光学部品を完全に透過することが望ましいが、光学部品により若干反射される場合がある。このため、光学部品間で多重反射を生じる光学干渉が引き起こされて、光学干渉によるノイズ(以下、光学干渉ノイズという)が光検出部22のレーザ受光信号に重畳し、測定対象ガス濃度の計測に誤差が発生する問題が有る。一般的に光学干渉を防ぐためには、光源部11及び光学部品を、若干角度を設けて設置する対策がとられている。また、予め測定対象ガス濃度のバイアス値として、測定対象ガスを発光部筐体17及び受光部筐体27内に封入させておくことで、光学干渉ノイズの影響を低減させている。
The laser light is preferably completely transmitted through optical components such as the
しかしながら、光源部11及び光学部品を角度を設けて設置する場合、角度調整機構が必要となり装置構成が複雑になる問題がある。また、周囲の温度変化により調整機構の寸法が変化すると角度調整が正確に行われず、光学干渉を防ぐことができない問題がある。また、特許文献1に記載の方法では、測定対象ガスを発光部筐体17及び受光部筐体27内に機密保持するための機構が必要となり、コストが増加する問題がある。
However, when the
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、調整機構を設けることなく光学干渉ノイズをレーザ受光信号から効果的に除去でき、レーザ式ガス分析計を簡素な構成で実現でき、コストダウンを図ることができる信号処理装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to effectively remove optical interference noise from a laser light reception signal without providing an adjustment mechanism, and to simplify a laser gas analyzer. It is an object of the present invention to provide a signal processing device that can be realized with a simple configuration and can reduce costs.
本発明の信号処理装置は、測定空間を透過したレーザ光をレーザ受光信号に変換し、当該レーザ受光信号から測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出するレーザ式ガス分析計における信号処理装置であり、前記レーザ光が透過した光学系で生じた光学干渉ノイズに対応した閾値が設定される非線形フィルタを備えたことを特徴とする。 The signal processing apparatus of the present invention converts a laser beam that has passed through a measurement space into a laser light reception signal, and extracts a signal component that has received light absorption by the measurement target gas from the laser light reception signal. The apparatus is characterized by comprising a non-linear filter in which a threshold value corresponding to optical interference noise generated in the optical system through which the laser beam is transmitted is set.
この構成により、非線形フィルタによって光学干渉ノイズから決定された閾値を用いて、光学干渉ノイズを効果的に除去することができるため、測定対象ガスによる光吸収波長域の信号成分を適切に抽出することができる。 With this configuration, since the optical interference noise can be effectively removed using the threshold value determined from the optical interference noise by the nonlinear filter, the signal component in the light absorption wavelength region by the measurement target gas can be appropriately extracted. Can do.
本発明によれば、調整機構を設けることなく光学干渉ノイズをレーザ受光信号から効果的に除去でき、レーザ式ガス分析計を簡素な構成で実現でき、コストダウンを図ることができる信号処理装置を提供できる。 According to the present invention, there is provided a signal processing apparatus that can effectively remove optical interference noise from a laser light reception signal without providing an adjustment mechanism, can realize a laser gas analyzer with a simple configuration, and can reduce costs. Can be provided.
以下、本発明の第1の実施の形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理装置について詳細に説明する。なお、以下の説明では、すべての図面において同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, the signal processing apparatus of the laser type gas analyzer according to the first embodiment of the present invention will be described in detail. In the following description, the same components are denoted by the same reference symbols in all the drawings, and the description thereof is omitted as appropriate.
図1は、第1の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。本実施の形態の信号処理装置は、レーザ式ガス分析計1の光学測定部からレーザ受光信号を取り込んで測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出する信号処理を行う。レーザ式ガス分析計1の光学測定部では、発光部40から出射されたレーザ光は、測定対象ガスを透過して受光部50に受光され、受光光量に応じた電流として受光部50から出力される。受光部50の出力電流はIV変換器60で電圧信号に変換され、信号処理装置70にレーザ受光信号Sとして取り込まれる。本実施の形態の信号処理装置70は、高域通過フィルタ(HPF:High Pass Filter)71と、平均化フィルタ72と、非線形フィルタ73とを備え、これらのフィルタ71、72、73により各種ノイズを除去した後、測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分に基づいて測定対象ガス濃度を演算する。図2は非線形フィルタ73の構成例を示している。非線形フィルタ73は、ノイズ解析部74と、閾値処理部75と、ノイズ除去部76とで構成されている。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a signal processing process of the signal processing apparatus according to the first embodiment. The signal processing apparatus according to the present embodiment performs signal processing that takes in a laser light reception signal from the optical measurement unit of the laser gas analyzer 1 and extracts a signal component that has received light absorption by the measurement target gas. In the optical measurement unit of the laser gas analyzer 1, the laser beam emitted from the
図3はレーザ式ガス分析計の光学測定部における発光部及びレーザ駆動制御回路の構成を示すブロック図である。発光部40には、上記の通りレーザ素子41が搭載された光源部40aが備えられている。光源部40aは、レーザ素子41と、レーザ素子41を駆動するためのレーザ駆動信号を生成するレーザ駆動信号生成部42と、レーザ駆動信号生成部42で生成したレーザ駆動信号を電流に変換してレーザ素子41に供給する電流制御部43と、を備える。レーザ駆動信号生成部42と電流制御部43とでレーザ駆動制御回路を構成している。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the light emitting unit and the laser drive control circuit in the optical measurement unit of the laser gas analyzer. The
レーザ駆動信号生成部42は、波長走査駆動信号発生部42aと、高周波変調信号発生部42bと、合成部42cとから構成されている。波長走査駆動信号発生部42aは、測定対象ガスの吸収波長を横切るようにレーザ素子41の発光波長を走査させる。高周波変調信号発生部42bは、測定対象ガスの吸収波長を検出するために正弦波で波長を周波数変調する(図4参照)。これらの波長走査駆動信号発生部42a及び高周波変調信号発生部42bの出力信号を合成部42cで合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。レーザ駆動信号発生部42から出力されたレーザ駆動信号は電流制御部43により電流に変換され、レーザ素子41に供給される。
The laser drive
レーザ素子41に近接して、温度検出素子としてのサーミスタ44が配置され、サーミスタ44にはペルチェ素子45が近接して配置されている。ペルチェ素子45は、サーミスタ44の抵抗値が一定値になるように温度制御部46によって制御され、これによりレーザ素子41の温度が安定化される。
A
図4を参照してレーザ光波長域の走査について説明する。図4はレーザ光の走査波形と、測定対象ガスの吸収波形との対応を示す図である。波長走査駆動信号発生部42aから出力される波長走査駆動信号I1(図3参照)は、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。波長走査駆動信号I1は、信号値が零よりも大きな一定値に保たれた部分i1と、信号値がi1部分よりも高い状態から直線的に増加する部分i2と、信号値が零となる部分i3とから構成される。波長走査駆動信号I1の部分i1は、吸収波長は走査しないがレーザ素子41は発光させておくオフセット部分であって、レーザ素子41の発光を安定化させるためにレーザ素子41のスレッショルド電流以上となる値に設定される。波長走査駆動信号I1の部分i2は、レーザ素子41に供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子41の発光波長を徐々にずらすための部分である。
Scanning in the laser light wavelength region will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing the correspondence between the scanning waveform of the laser beam and the absorption waveform of the measurement target gas. The wavelength scanning drive signal I1 (see FIG. 3) output from the wavelength scanning drive
波長走査駆動信号発生部42aからの波長走査駆動信号I1と、高周波変調信号発生部42bからの高周波変調信号I2とは合成部42cで合成され、レーザ駆動信号に応じてレーザ素子41が駆動される。これにより、レーザ素子41からは、図4に示すように測定対象ガスの吸収波長帯を横切るように走査されるレーザ光が出射される。図4では、例えば高周波変調信号I2の周波数を50kHz、波長走査駆動信号I1の周波数を0.2kHzとしてあり、λ1はオフセットに相当する波長、λ2、λ3は測定対象ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。
The wavelength scanning drive signal I1 from the wavelength scanning drive
次に、受光部50について説明する(図1参照)。受光部50における受光素子からなる光検出部(不図示)によって検出されたレーザ受光信号Sは電流信号に変換される。電流信号はIV変換器60で電圧信号に変換され、信号処理装置70に入力される。
Next, the
次に、信号処理装置70について説明する。レーザ受光信号Sは高域通過フィルタ71を経由して平均化フィルタ72に入力される(図1参照)。高域通過フィルタ71は、レーザ受光信号Sにおけるオフセット部分を除去する。また、直流成分や低周波のうねり成分(1/fノイズ)を除去することができる。平均化フィルタ72は、高域通過フィルタ71の出力を入力し、ランダムノイズを低減する。高域通過フィルタ71及び平均化フィルタ72において直流成分、ランダムノイズ等が除去されたレーザ受光信号Sは、非線形フィルタ73に入力される。
Next, the
非線形フィルタ73は、ノイズ解析部74において、レーザ受光信号Sに重畳している光学干渉ノイズの振幅を解析する(図2参照)。レーザ受光信号Sには光学干渉ノイズの他に各種ノイズが重畳する可能性がある。ここでは、光学干渉ノイズ及び光学干渉ノイズに類似した振幅のノイズを総称して小振幅ノイズNという。ノイズ解析部74は、波長走査駆動信号発生部42aから波長走査駆動信号i1が出力される区間(図4参照)、すなわち測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミング(測定対象ガスの信号が無い区間b(図6参照))で小振幅ノイズNの振幅を検出する。閾値処理部75は、ノイズ解析部74で検出された小振幅ノイズNの振幅に基づいて閾値εを設定する。ノイズ除去部76は、閾値処理部75で設定された閾値εを用いて、小振幅ノイズNを閾値ε以下にする。これにより、レーザ受光信号Sから小振幅ノイズNを除去することができる。
The
ノイズ除去部76としては、例えばε−フィルタを用いることができる。ε−フィルタは、比較的大きな変化を伴う信号に重畳した小振幅ノイズNを、信号の急峻性を損なわずに効果的に取り除くことができる。ε−フィルタの入出力式は、小振幅ノイズNが重畳したレーザ受光信号Sの入力信号をx(n)、ε−フィルタの出力信号をy(n)とすると、式(1)のように示すことができる。
As the
またF(x)は、絶対値をεに制限する非線形関数であり、式(4)のように示される。 F (x) is a non-linear function that limits the absolute value to ε, and is expressed as in Equation (4).
図5に、使用する非線形関数F(x)を示す。図5は、ノイズ解析部74で用いられる非線形関数を示す。このように、ε−フィルタは非巡回型デジタルフィルタを非線形化することにより導くことができ、入力信号x(n)と出力信号y(n)との差を閾値ε以下に抑えながらレーザ受光信号Sの波形を平滑化することができる。ε−フィルタにより、アナログ回路フィルタ等の線形フィルタでは除去できない小振幅ノイズNを除去することができる。なお、ε−フィルタは非巡回型デジタルフィルタであり、その位相特性は周波数で変わらない。すなわち、位相一定(位相直線性)が保証されるため、急峻な周波数特性を持たせた場合においても、一般の線形フィルタに用いられるようなフィルタ出力の波形の歪みは発生しない特徴を持つ。
FIG. 5 shows the nonlinear function F (x) used. FIG. 5 shows a non-linear function used in the
非線形フィルタ73のノイズ除去部76の出力信号は、ガス濃度演算部77に送られる(図1参照)。ガス濃度演算部77は、測定対象ガス濃度を演算する。非線形フィルタ73のノイズ解析部74は、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングでノイズを検出することにより、小振幅ノイズNの振幅を容易に検出することができる。閾値処理部75において小振幅ノイズNの振幅から決定された閾値εを用いて、ノイズ除去部76が小振幅ノイズNを閾値ε以下に抑えることで、レーザ受光信号Sに重畳した小振幅ノイズNを効果的に除去することができる。よって、ガス濃度演算部77において、小振幅ノイズNが除去された測定対象ガスの信号波形から測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
The output signal of the
また、非線形フィルタ73を用いてレーザ受光信号Sから小振幅ノイズNを除去することができるため、信号処理装置70が用いられるレーザ式ガス分析計1の光学系(光学部品間)で起こるレーザ光の反射を防止するための機構を設置する必要がなくなる。これにより、レーザ式ガス分析計1の構成を簡易化することができ、低コスト化を図ることができる。
Further, since the small amplitude noise N can be removed from the laser light reception signal S using the
なお、レーザ受光信号Sと比較して大きいインパルス性ノイズ(スイッチング電源ノイズ等)が、レーザ受光信号Sに重畳する場合は、非線形フィルタ73又はガス濃度演算部77の後段に、中央値処理を行うメディアンフィルタを追加することができる。
When impulsive noise (switching power supply noise or the like) larger than the laser light reception signal S is superimposed on the laser light reception signal S, median processing is performed after the
次に、第1の実施の形態における信号処理過程の具体例について説明する。
図6は、第1の実施の形態の信号処理過程におけるレーザ受光信号の信号波形を示す図である。図6Aから図6Cにおいて、横軸はレーザ光の波長、縦軸はレーザ受光信号Sの振幅を示している。また、区間aは、測定対象ガスの吸収波長帯(波長走査駆動信号発生部42aから出力される波長走査駆動信号I1の部分i2に対応(図4参照))であり、測定対象ガスの信号波形が示されている。区間bは、測定対象ガスの吸収波長帯から外れた波長帯(波長走査駆動信号発生部42aから出力される波長走査駆動信号I1の部分i1(オフセット部分)に対応)である。
Next, a specific example of the signal processing process in the first embodiment will be described.
FIG. 6 is a diagram illustrating a signal waveform of the laser light reception signal in the signal processing process of the first embodiment. 6A to 6C, the horizontal axis indicates the wavelength of the laser beam, and the vertical axis indicates the amplitude of the laser light reception signal S. The section a is the absorption wavelength band of the measurement target gas (corresponding to the portion i2 of the wavelength scan drive signal I1 output from the wavelength scan drive
上記した通り、受光部50のレーザ素子41は、測定対象ガスの吸収波長帯を含まないように周波数変調されたレーザ光(波長走査駆動信号発生部42aから出力される波長走査駆動信号I1の部分i1に対応(図3及び図4参照))と、測定対象ガスの吸収波長帯を含むように周波数変調されたレーザ光(波長走査駆動信号発生部42aから出力される波長走査駆動信号I1の部分i2に対応)とを交互に出射する。レーザ受光信号Sは、オフセット部分(波長走査駆動信号I1の部分i1)の信号、コリメートレンズ(図1参照)及び集光レンズ等の光学部品間で多重反射による小振幅ノイズN、直流成分や低周波の1/fノイズ、ランダムノイズ等が重畳している。
As described above, the
信号処理装置70の高域通過フィルタ71において、レーザ受光信号Sにおけるオフセット部分、直流成分や低周波の1/fノイズが除去される。図6Aは、高域通過フィルタ71を通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。
In the high-
区間aに測定対象ガスの吸収波長域の信号波形が示されており、測定対象ガスが当該波長域のレーザ光を吸収して、出力は低下している。区間bに現れるレーザ受光信号Sのオフセット部分に相当する波形、レーザ受光信号Sに重畳する直流成分や1/fノイズは除去されているが、レーザ受光信号Sの波形には小振幅ノイズNやランダムノイズが重畳したままとなっている。このため、区間bから測定対象ガスの信号波形を直接抽出することは難しい。また、小振幅ノイズNのみを検出することも難しい。 The signal waveform in the absorption wavelength range of the measurement target gas is shown in the section a. The measurement target gas absorbs the laser beam in the wavelength range, and the output is reduced. The waveform corresponding to the offset portion of the laser light reception signal S appearing in the section b, the direct current component superimposed on the laser light reception signal S and 1 / f noise are removed, but the waveform of the laser light reception signal S has small amplitude noise N and Random noise remains superimposed. For this reason, it is difficult to directly extract the signal waveform of the measurement target gas from the section b. It is also difficult to detect only the small amplitude noise N.
図6Bは、平均化フィルタ72を通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。平均化フィルタ72により区間a及び区間bに現れるランダムノイズが大きく低減されていることがわかるが、レーザ受光信号Sに小振幅ノイズNがまだ重畳している。また区間bは、本来測定対象ガスの信号波形が生成しない箇所であるので、区間bの波形は小振幅ノイズNが残留しているものであることがわかる。このとき、区間bにおいて小振幅ノイズNの振幅を容易に検出することができる。
FIG. 6B shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the averaging
非線形フィルタ73のノイズ解析部74は、区間b、すなわち測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングで小振幅ノイズNの振幅を検出する。閾値処理部75は、ノイズ解析部74で検出された小振幅ノイズNの振幅値を、ノイズ除去部76におけるε−フィルタの閾値εに設定する。ノイズ除去部76は閾値処理部75で設定された閾値εを用いて、小振幅ノイズNを閾値ε以下にする。区間a及び区間bに対応するレーザ光波長域の切り換えはレーザ駆動制御回路で行われているため(図3参照)、区間bのタイミングは容易に確認することができる。よって、ノイズ解析部74は、図6Bの区間bに示す小振幅ノイズNを検出することができるため、小振幅ノイズNの振幅を安定して検出することができる。なお、ノイズ解析部74は、測定対象ガスの信号波形が生成する後ろのタイミングで小振幅ノイズNの振幅を検出することもできる。
The
図6Cは、非線形フィルタ73を通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。図6Bにおいてレーザ受光信号Sに残留していた小振幅ノイズNが除去されていることがわかる。このように、非線形フィルタ73を用いることにより、区間bにおいて測定対象ガスの信号波形を適切に抽出できる。
FIG. 6C shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the
非線形フィルタ73のノイズ除去部76の出力信号は、ガス濃度演算部77に入力される。ガス濃度演算部77は、区間bにおける小振幅ノイズNが除去された測定対象ガスの信号波形から測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
The output signal of the
ノイズ解析部74においては、図6Bに示すレーザ受光信号Sの波形をA/Dコンバータで取り込み、レーザ駆動制御回路による区間a及び区間bの切り換え結果から測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングを確認して、区間bから小振幅ノイズNの振幅を検出することが可能である。また、短時間高速フーリエ変換又はウェーブレット解析によって小振幅ノイズNの振幅を検出することも可能である。この場合、レーザ受光信号Sの時間領域と周波数領域を同時に解析できるため、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングと小振幅ノイズNの振幅値を求めることができる。
In the
また、閾値処理部75において、例えば波長走査駆動信号I1の周波数ごとに閾値εを更新していくことで、周囲温度変化による光学系の変化、すなわち小振幅ノイズNの変化に対応して、小振幅ノイズNの除去が可能になる。なお、周囲温度変化が一定の場合、平均化フィルタ72の出力は、ノイズ解析部74及び閾値処理部75を介さずに直接ノイズ除去部76に入力されてもよい。これにより、非線形フィルタ73における処理速度を上げることができる。
Further, in the
第1の実施の形態に係る信号処理装置70によれば、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングで光学干渉ノイズを検出することにより、測定対象ガスの光吸収波長域外で小振幅ノイズNを検出することができるため、小振幅ノイズNの振幅εを容易に検出することができる。非線形フィルタ73によって小振幅ノイズNの振幅から決定された閾値εを用いて、小振幅ノイズNを効果的に除去することができるため、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出することができる。また、非線形フィルタ73を用いて小振幅ノイズNを除去することにより、信号処理装置70が用いられるレーザ式ガス分析計1に光学部品間で起こるレーザ光の反射を防止するための機構を設置する必要がなくなる。これにより、レーザ式ガス分析計1の構成を簡易化することができ、低コスト化を図ることができる。
According to the
次に、第2の実施の形態に係る信号処理装置について説明する。第2の実施の形態は、帯域通過フィルタ(BPF:Band Pass Filter)により、レーザ受光信号Sの低周波成分と高周波成分を分離して、非線形フィルタ73で処理する。第1の実施の形態と相違している部分を主に説明する。ここで、高周波成分とはレーザ受光信号Sの周波数成分のうち高域側の周波数成分を言い、低周波成分とはレーザ受光信号Sの周波数成分のうち低域側の周波数成分を言うものとする。
Next, a signal processing apparatus according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, a low-frequency component and a high-frequency component of the laser light reception signal S are separated by a band-pass filter (BPF: Band Pass Filter) and processed by the
図7は、第2の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。平均化フィルタ72の出力端に対して複数のBPF81a〜81nが並列に接続され、BPF81a〜81nの出力端には複数の非線形フィルタ73a〜73nが接続されている。また、各非線形フィルタ73a〜73nの後段にはそれぞれ補償器(delay)82a〜82nが接続され、各補償器82a〜82nの出力は波形合成部83に入力される。平均化フィルタ72より前段は図1に示す通りである。例えば、レーザ受光信号Sの基本成分が低周波と高周波とにより構成される場合、BPF81a〜81nによりレーザ受光信号Sに含まれる周波数成分を低周波成分と高周波成分とに分離することができる。このため、閾値ε又はノイズ除去部76のε−フィルタの基本となる非巡回型デジタルフィルタの定数を、各非線形フィルタ73a〜73nに入力される周波数成分に対応して設定することができる。
FIG. 7 is a functional block diagram illustrating a signal processing process of the signal processing device according to the second embodiment. A plurality of
例えば、BPF81aによってレーザ受光信号Sに含まれる周波数成分のうち低周波が抽出され、非線形フィルタ73aに入力される場合、低周波成分を通過させるように非線形フィルタ73aの非巡回型デジタルフィルタの定数を設定する。そして、低周波成分の波形に重畳する小振幅ノイズNレベルに対応して振幅値から閾値εを設定する。これにより、レーザ受光信号Sの低周波成分の波形を維持したまま、効果的にレーザ受光信号Sの波形から小振幅ノイズNを除去することができる。また、BPF81bによってレーザ受光信号Sに含まれる周波数成分のうち高周波数を抽出する場合も同様に、高周波成分を通過させるように非線形フィルタ73bの非巡回型デジタルフィルタの定数を設定し、高周波成分に重畳する小振幅ノイズNの振幅値から閾値εを設定して、小振幅ノイズNを除去する。
For example, when a low frequency is extracted from the frequency components included in the laser light reception signal S by the
補償器82a〜82nは、非線形フィルタ73a〜73nの出力を補償器82a〜82nに入力することで、フィルタ処理による遅延時間が等しくなるように設定されている。すなわち、BPF81a及び非線形フィルタaに入力されたレーザ受光信号Sの低周波数成分の演算処理時間と、BPF81b及び非線形フィルタbに入力されたレーザ受光信号Sの高周波数成分の演算処理時間とが等しくなるように遅延して時間補償している。波形合成部83は各補償器82a〜82nの出力を合成し、低周波成分及び高周波成分に分離されたレーザ受光信号Sを加算により波形として再合成して、レーザ受光信号Sを再現させる。補償器82a〜82nでレーザ受光信号Sの低周波数成分の演算処理時間と高周波数成分の演算処理時間とを等しくすることで、波形合成部83で各成分毎の信号波形を精度良く再合成することができる。
The
図8を参照して第2の実施の形態における信号処理過程の具体例について説明する。
図8は、横軸はレーザ受光信号の波長、縦軸はレーザ受光信号の振幅を示している。図8Aは、平均化フィルタ72を通過したレーザ受光信号Sの信号波形を示す。レーザ受光信号Sは低周波成分Lと高周波成分Hの2成分からなっており、レーザ受光信号Sに小振幅ノイズNが重畳している様子が示されている。
A specific example of the signal processing process in the second embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 8, the horizontal axis indicates the wavelength of the laser light reception signal, and the vertical axis indicates the amplitude of the laser light reception signal. FIG. 8A shows a signal waveform of the laser light reception signal S that has passed through the averaging
平均化フィルタ72の出力信号は、BPF81a〜81nに入力されて周波数成分が低周波成分Lと高周波成分Nとに分離される。分離されたレーザ受光信号は、それぞれ非線形フィルタ73a〜73nに入力されて小振幅ノイズNが除去される(図7参照)。レーザ受光信号Sは低周波成分Lを通過するBPF81aに入力されて低周波成分Lが分離され、低周波成分Lに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ73aに入力されて小振幅ノイズNが除去される。また、レーザ受光信号Sは高周波成分Hを通過するBPF81bに入力されて高周波成分Hが分離され、高周波成分Hに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ73bに入力されて小振幅ノイズNが除去される。
The output signal of the averaging
図8Bは、低周波成分Lを分離するBPF81aを通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。図8Cは、低周波成分Lに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ73aを通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。レーザ受光信号Sが非線形フィルタ73aを通過する前の図8Bでは、低周波成分Lの波形に小振幅ノイズNが重畳している。非線形フィルタ73aを通過した後の図8Cでは、低周波成分Lの波形の形状が維持された状態で小振幅ノイズNが除去されている。低周波成分Lの波形に重畳する小振幅ノイズNレベルに合わせて振幅値から閾値εを設定することで、レーザ受光信号Sの低周波成分Lの波形を維持したまま、効果的に低周波成分の波形から小振幅ノイズNを除去できることがわかる。
FIG. 8B shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the
図8Dは、高周波成分Hを分離するBPF81bを通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。図8Eは、高周波成分Hに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ73bを通過したレーザ受光信号Sの波形を示す。レーザ受光信号Sが非線形フィルタ73aを通過する前の図8Bでは、高周波成分Hの波形に小振幅ノイズNが重畳している。非線形フィルタ73aを通過した後の図8Cでは、高周波成分Hの波形の形状が維持された状態で小振幅ノイズNが除去されている。高周波成分Hの波形に重畳する小振幅ノイズNレベルに合わせて振幅値から閾値εを設定することで、レーザ受光信号Sの高周波成分Hの波形を維持したまま、効果的に高周波成分Hの波形から小振幅ノイズNを除去できることがわかる。
FIG. 8D shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the
各非線形フィルタ73a〜73nの出力信号は補償器82a〜82nに入力され、レーザ受光信号Sの低周波数成分Lの演算処理時間と高周波数成分Hの演算処理時間とが等しくされる。各補償器82a〜82nの出力信号は波長合成部83入力され、低周波成分L及び高周波成分Hは再合成されてレーザ受光信号Sが再現される。図8Fは、波長合成部83で再合成されたレーザ受光信号Sの波形を示す。低周波成分Lの波形と高周波成分Hの波形が再合成され、小振幅ノイズNが除去されたレーザ受光信号Sが再現されていることがわかる。このように、複数の周波数成分からなるレーザ受光信号Sを再合成する場合であっても、レーザ受光信号Sの波形を維持したまま、効果的にレーザ受光信号Sの波形から小振幅ノイズNを除去できることがわかる。また、複数の非線形フィルタ73a〜73nを用いても、信号歪みを生じさせることがない。これにより、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出できるため、ガス濃度演算部77で測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
The output signals of the
第2の実施の形態に係る信号処理装置70によれば、非線形フィルタ非線形フィルタ73a〜73nにおいてレーザ受光信号Sに含まれる周波数成分に対応した閾値εを設定することができるため、周波数成分の波形を維持したままレーザ受光信号Sの波形から小振幅ノイズNを効果的に除去することができる。各周波数成分の波形が再合成される際に小振幅ノイズNが除去されたレーザ受光信号Sが再現されるので、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出することができる。
According to the
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications.
1 レーザ式ガス分析計
70 信号処理装置
73 非線形フィルタ
N 小振幅ノイズ
S レーザ受光信号
ε 閾値
1
Claims (4)
前記レーザ光が透過した光学系で生じた光学干渉ノイズに対応した閾値が設定される非線形フィルタを備えたことを特徴とする信号処理装置。 It is a signal processing device in a laser gas analyzer that converts laser light transmitted through a measurement space into a laser light reception signal and extracts a signal component that has received light absorption by the measurement target gas from the laser light reception signal.
A signal processing apparatus comprising: a nonlinear filter in which a threshold value corresponding to optical interference noise generated in an optical system through which the laser beam is transmitted is set.
前記測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分から低周波成分を抽出する第1のバンドパスフィルタと、前記第1のバンドパスフィルタへ入力する信号成分から分岐された同一の信号成分から高周波成分を抽出する第2のバンドパスフィルタと、前記第1のバンドパスフィルタから出力される低周波信号に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを除去する前記第1の非線形フィルタと、前記第2のバンドパスフィルタから出力される高周波信号に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを除去する前記第2の非線形フィルタと、前記第1及び第2の非線形フィルタの出力とを合成する波形合成部と、を具備したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の信号処理装置。 The non-linear filter has a first non-linear filter corresponding to a low frequency component and a second non-linear filter corresponding to a high frequency component,
A first band-pass filter that extracts a low-frequency component from a signal component that has received light absorption by the measurement target gas, and a high-frequency component from the same signal component branched from the signal component that is input to the first band-pass filter A second bandpass filter that extracts the first non-linear filter that removes small amplitude noise corresponding to optical interference noise superimposed on a low-frequency signal output from the first bandpass filter; A waveform for combining the second nonlinear filter for removing small amplitude noise corresponding to the optical interference noise superimposed on the high-frequency signal output from the second band-pass filter and the outputs of the first and second nonlinear filters. The signal processing apparatus according to claim 1, further comprising a combining unit.
前記ノイズ解析部は、前記レーザ光の波長域が前記測定対象ガスの光吸収波長域を横切る前又は後ろのタイミングで前記レーザ受光信号から前記光学干渉ノイズを検出することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の信号処理装置。
The laser gas analyzer includes a laser drive control circuit that changes a wavelength range of the laser light so as to cross a light absorption wavelength range of the measurement target gas,
2. The noise analysis unit detects the optical interference noise from the laser light reception signal at a timing before or after the wavelength range of the laser beam crosses the light absorption wavelength range of the measurement target gas. The signal processing device according to claim 3.
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-
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