JP2018013433A - Signal processing device - Google Patents

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増永 靖行
Yasuyuki Masunaga
靖行 増永
貴正 浅野
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貴正 浅野
和裕 小泉
Kazuhiro Koizumi
和裕 小泉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processing device that can effectively remove optical interference noise from a laser reception optical signal without providing an adjustment mechanism, implement a laser gas analyzer with a simple configuration, and cut down cost.SOLUTION: A signal processing device (70) is used in a laser gas analyzer (1) that converts laser light that has passed through a measurement space into laser reception optical signal (S), and extracts a signal component that has gone through light absorption by measurement object gas from the laser reception optical signal. The signal processing device includes a non-linear filter (73) to which a threshold value (ε) corresponding to optical interference noise that has occurred in an optical system the laser light has passed through is set.SELECTED DRAWING: Figure 1

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 signal processing unit 23 that extracts the amount of laser light absorbed by the measurement target gas and obtains the measurement target gas concentration by various arithmetic processes. The light emitting unit 10 includes a light source unit 11 on which a laser element is mounted, and a collimator lens 12 that converts laser light emitted from the light source unit 11 into a parallel beam. The light receiving unit 20 includes a condensing lens 21 that condenses the laser light that has passed through the measurement target gas, and a light detection unit 22 that detects the laser light collected by the condensing lens 21.

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 collimating lens 12 and the condenser lens 21 on the optical path, but may be slightly reflected by the optical components. For this reason, optical interference that causes multiple reflections between optical components is caused, and noise due to optical interference (hereinafter referred to as optical interference noise) is superimposed on the laser light reception signal of the light detection unit 22 to measure the measurement target gas concentration. There is a problem that an error occurs. In general, in order to prevent optical interference, a measure is taken to install the light source unit 11 and the optical component at a slight angle. Moreover, the influence of optical interference noise is reduced by preliminarily sealing the measurement target gas in the light emitting unit casing 17 and the light receiving unit casing 27 as a bias value of the measurement target gas concentration.

特開2010−32422号公報JP 2010-32422 A

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 light source unit 11 and the optical component are installed at an angle, there is a problem that an angle adjustment mechanism is required and the apparatus configuration is complicated. In addition, when the dimensions of the adjusting mechanism change due to a change in ambient temperature, there is a problem that angle adjustment is not performed accurately and optical interference cannot be prevented. In addition, the method described in Patent Document 1 requires a mechanism for keeping the measurement target gas confidential in the light emitting unit housing 17 and the light receiving unit housing 27, which increases the cost.

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.

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。It is a functional block diagram which shows the signal processing process of the signal processing apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る非線形フィルタの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the nonlinear filter which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態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。It is a block diagram which shows the structure of the light emission part and laser drive control circuit in 1st Embodiment. 第1の実施形態における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。It is a figure which shows a response | compatibility with the scanning waveform of the laser beam in 1st Embodiment, and the absorption waveform of measurement object gas. 第1の実施の形態におけるノイズ解析部で用いられる非線形関数を示す。The nonlinear function used by the noise analysis part in 1st Embodiment is shown. 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。It is a figure which shows the signal waveform of the laser received light signal in the signal processing process of 1st Embodiment. 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。It is a functional block diagram which shows the signal processing process of the signal processing apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係る信号処理過程の具体例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the specific example of the signal processing process which concerns on 2nd Embodiment. レーザ式ガス分析計の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a laser type gas analyzer.

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 light emitting unit 40 passes through the measurement target gas and is received by the light receiving unit 50, and is output from the light receiving unit 50 as a current corresponding to the amount of received light. The The output current of the light receiving unit 50 is converted into a voltage signal by the IV converter 60 and taken into the signal processing device 70 as the laser light reception signal S. The signal processing device 70 according to the present embodiment includes a high pass filter (HPF) 71, an averaging filter 72, and a non-linear filter 73. These filters 71, 72, 73 cause various noises. After the removal, the measurement target gas concentration is calculated based on the signal component that has received light absorption by the measurement target gas. FIG. 2 shows a configuration example of the nonlinear filter 73. The nonlinear filter 73 includes a noise analysis unit 74, a threshold processing unit 75, and a noise removal unit 76.

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 light emitting unit 40 includes the light source unit 40a on which the laser element 41 is mounted as described above. The light source unit 40a converts the laser drive signal generated by the laser element 41, the laser drive signal generation unit 42 that generates a laser drive signal for driving the laser element 41, and the laser drive signal generation unit 42 into a current. And a current control unit 43 that supplies the laser element 41. The laser drive signal generation unit 42 and the current control unit 43 constitute a laser drive control circuit.

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 signal generation unit 42 includes a wavelength scanning drive signal generation unit 42a, a high frequency modulation signal generation unit 42b, and a synthesis unit 42c. The wavelength scanning drive signal generator 42a scans the emission wavelength of the laser element 41 so as to cross the absorption wavelength of the measurement target gas. The high frequency modulation signal generation unit 42b frequency-modulates the wavelength with a sine wave in order to detect the absorption wavelength of the measurement target gas (see FIG. 4). A laser drive signal is generated by combining the output signals of the wavelength scanning drive signal generator 42a and the high frequency modulation signal generator 42b by a combiner 42c. The laser drive signal output from the laser drive signal generator 42 is converted into a current by the current controller 43 and supplied to the laser element 41.

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 thermistor 44 as a temperature detection element is disposed in the vicinity of the laser element 41, and a Peltier element 45 is disposed in the proximity of the thermistor 44. The Peltier element 45 is controlled by the temperature control unit 46 so that the resistance value of the thermistor 44 becomes a constant value, whereby the temperature of the laser element 41 is stabilized.

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 signal generation unit 42a is a substantially trapezoidal signal that is repeated at a constant period. The wavelength scanning drive signal I1 includes a portion i1 where the signal value is maintained at a constant value larger than zero, a portion i2 where the signal value increases linearly from a state higher than the i1 portion, and a portion where the signal value becomes zero. i3. The portion i1 of the wavelength scanning drive signal I1 is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 41 to emit light, and is equal to or higher than the threshold current of the laser element 41 in order to stabilize the light emission of the laser element 41. Set to a value. The portion i2 of the wavelength scanning drive signal I1 is a portion for gradually shifting the emission wavelength of the laser element 41 by linearly changing the magnitude of the current supplied to the laser element 41.

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、λはオフセットに相当する波長、λ、λ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 signal generation unit 42a and the high frequency modulation signal I2 from the high frequency modulation signal generation unit 42b are combined by the combining unit 42c, and the laser element 41 is driven according to the laser drive signal. . As a result, a laser beam that is scanned across the absorption wavelength band of the measurement target gas is emitted from the laser element 41 as shown in FIG. In FIG. 4, for example, the frequency of the high frequency modulation signal I2 is 50 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal I1 is 0.2 kHz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 and λ 3 are the absorption wavelengths of the measurement target gas. The upper and lower limit values of the corresponding scanning range are shown.

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 light receiving unit 50 will be described (see FIG. 1). A laser light reception signal S detected by a light detection unit (not shown) including a light receiving element in the light receiving unit 50 is converted into a current signal. The current signal is converted into a voltage signal by the IV converter 60 and input to the signal processing device 70.

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 signal processing device 70 will be described. The laser light reception signal S is input to the averaging filter 72 via the high-pass filter 71 (see FIG. 1). The high-pass filter 71 removes an offset portion in the laser light reception signal S. In addition, a direct current component and a low frequency swell component (1 / f noise) can be removed. The averaging filter 72 receives the output of the high-pass filter 71 and reduces random noise. The laser light reception signal S from which the DC component, random noise, and the like have been removed by the high-pass filter 71 and the averaging filter 72 is input to the nonlinear filter 73.

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 non-linear filter 73 analyzes the amplitude of the optical interference noise superimposed on the laser light reception signal S in the noise analysis unit 74 (see FIG. 2). In addition to the optical interference noise, various noises may be superimposed on the laser light reception signal S. Here, the optical interference noise and noise having an amplitude similar to the optical interference noise are collectively referred to as small amplitude noise N. The noise analyzing unit 74 outputs the wavelength scanning drive signal i1 from the wavelength scanning drive signal generating unit 42a (see FIG. 4), that is, the timing before the signal waveform of the measurement target gas is generated (the signal of the measurement target gas is The amplitude of the small amplitude noise N is detected in the non-existing section b (see FIG. 6)). The threshold processing unit 75 sets the threshold ε based on the amplitude of the small amplitude noise N detected by the noise analysis unit 74. The noise removing unit 76 uses the threshold ε set by the threshold processing unit 75 to make the small amplitude noise N equal to or less than the threshold ε. Thereby, the small amplitude noise N can be removed from the laser light reception signal S.

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 noise removal unit 76, for example, an ε-filter can be used. The ε-filter can effectively remove the small-amplitude noise N superimposed on the signal with a relatively large change without impairing the steepness of the signal. The input / output expression of the ε-filter is as shown in Expression (1), where x (n) is the input signal of the laser light reception signal S on which the small amplitude noise N is superimposed and y (n) is the output signal of the ε-filter. Can show.

Figure 2018013433
Figure 2018013433

Figure 2018013433
は、非巡回型デジタルフィルタ(FIR)である。aは非巡回型デジタルフィルタのフィルタ係数であり、フィルタ係数の直流ゲインを1とするために、その総和は式(3)のように示される。
Figure 2018013433
Is a non-recursive digital filter (FIR). a i is a filter coefficient of the acyclic digital filter, and in order to set the DC gain of the filter coefficient to 1, the sum is expressed as shown in Expression (3).

Figure 2018013433
Figure 2018013433

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).

Figure 2018013433
Figure 2018013433

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 noise analysis unit 74. As described above, the ε-filter can be derived by making the acyclic digital filter non-linear, and the laser light receiving signal is suppressed while keeping the difference between the input signal x (n) and the output signal y (n) below the threshold ε. The waveform of S can be smoothed. The ε-filter can remove small amplitude noise N that cannot be removed by a linear filter such as an analog circuit filter. Note that the ε-filter is an acyclic digital filter, and its phase characteristic does not change with frequency. In other words, since a constant phase (phase linearity) is guaranteed, even when a steep frequency characteristic is given, there is a feature that the waveform of the filter output waveform used in a general linear filter does not occur.

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 noise removing unit 76 of the nonlinear filter 73 is sent to the gas concentration calculating unit 77 (see FIG. 1). The gas concentration calculator 77 calculates the measurement target gas concentration. The noise analysis unit 74 of the nonlinear filter 73 can easily detect the amplitude of the small amplitude noise N by detecting the noise at the timing before the signal waveform of the measurement target gas is generated. Using the threshold value ε determined from the amplitude of the small amplitude noise N in the threshold value processing unit 75, the noise removing unit 76 suppresses the small amplitude noise N to be equal to or less than the threshold value ε, thereby superimposing the small amplitude noise N superimposed on the laser light reception signal S. Can be effectively removed. Therefore, the gas concentration calculation unit 77 can calculate the measurement target gas concentration with high accuracy from the signal waveform of the measurement target gas from which the small amplitude noise N is removed.

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 non-linear filter 73, laser light generated in the optical system (between optical components) of the laser gas analyzer 1 in which the signal processing device 70 is used. It is not necessary to install a mechanism for preventing the reflection of light. Thereby, the structure of the laser type gas analyzer 1 can be simplified and cost reduction can be achieved.

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 nonlinear filter 73 or the gas concentration calculation unit 77. Median filters can be added.

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 signal generation unit 42a (see FIG. 4)), and the signal waveform of the measurement target gas. It is shown. The section b is a wavelength band that is out of the absorption wavelength band of the measurement target gas (corresponding to the portion i1 (offset portion) of the wavelength scanning drive signal I1 output from the wavelength scanning driving signal generation unit 42a).

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 laser element 41 of the light receiving unit 50 is a laser beam frequency-modulated so as not to include the absorption wavelength band of the measurement target gas (the portion of the wavelength scanning drive signal I1 output from the wavelength scanning drive signal generation unit 42a). Corresponding to i1 (see FIGS. 3 and 4)) and a laser beam that is frequency-modulated so as to include the absorption wavelength band of the gas to be measured (the portion of the wavelength scanning drive signal I1 output from the wavelength scanning drive signal generator 42a) (corresponding to i2). The laser light reception signal S includes an offset portion (a portion i1 of the wavelength scanning drive signal I1), a small amplitude noise N due to multiple reflections between the optical components such as a collimating lens (see FIG. 1) and a condenser lens, a direct current component, and a low level. Frequency 1 / f noise, random noise, etc. are superimposed.

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-pass filter 71 of the signal processing device 70, the offset portion, the direct current component, and the low frequency 1 / f noise in the laser light reception signal S are removed. FIG. 6A shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the high-pass filter 71.

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 filter 72. Although it can be seen that the random noise appearing in the section a and the section b is greatly reduced by the averaging filter 72, the small amplitude noise N is still superimposed on the laser light reception signal S. In addition, since the section b is a place where the signal waveform of the measurement target gas is not originally generated, it can be seen that the waveform in the section b is one in which the small amplitude noise N remains. At this time, the amplitude of the small amplitude noise N can be easily detected in the section b.

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 noise analysis unit 74 of the non-linear filter 73 detects the amplitude of the small amplitude noise N at the interval b, that is, the timing before the signal waveform of the measurement target gas is generated. The threshold processing unit 75 sets the amplitude value of the small amplitude noise N detected by the noise analyzing unit 74 as the ε-filter threshold ε in the noise removing unit 76. The noise removing unit 76 uses the threshold ε set by the threshold processing unit 75 to make the small amplitude noise N equal to or less than the threshold ε. Since the switching of the laser light wavelength range corresponding to the section a and the section b is performed by the laser drive control circuit (see FIG. 3), the timing of the section b can be easily confirmed. Therefore, since the noise analysis unit 74 can detect the small amplitude noise N shown in the section b of FIG. 6B, it can stably detect the amplitude of the small amplitude noise N. Note that the noise analysis unit 74 can also detect the amplitude of the small amplitude noise N at a later timing when the signal waveform of the measurement target gas is generated.

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 nonlinear filter 73. In FIG. 6B, it can be seen that the small amplitude noise N remaining in the laser light reception signal S is removed. Thus, by using the nonlinear filter 73, the signal waveform of the measurement target gas can be appropriately extracted in the section b.

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 noise removal unit 76 of the nonlinear filter 73 is input to the gas concentration calculation unit 77. The gas concentration calculation unit 77 can calculate the measurement target gas concentration with high accuracy from the signal waveform of the measurement target gas from which the small amplitude noise N in the section b is removed.

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 noise analysis unit 74, the waveform of the laser light reception signal S shown in FIG. 6B is captured by the A / D converter, and the signal waveform of the measurement target gas is generated from the switching result of the section a and the section b by the laser drive control circuit. By checking the timing, it is possible to detect the amplitude of the small amplitude noise N from the interval b. It is also possible to detect the amplitude of the small amplitude noise N by short-time fast Fourier transform or wavelet analysis. In this case, since the time domain and the frequency domain of the laser light reception signal S can be analyzed simultaneously, the timing before the signal waveform of the measurement target gas is generated and the amplitude value of the small amplitude noise N can be obtained.

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 threshold processing unit 75, for example, by updating the threshold ε for each frequency of the wavelength scanning drive signal I1, a small change in response to a change in the optical system due to a change in the ambient temperature, that is, a change in the small amplitude noise N is small. The amplitude noise N can be removed. When the ambient temperature change is constant, the output of the averaging filter 72 may be directly input to the noise removing unit 76 without going through the noise analyzing unit 74 and the threshold processing unit 75. Thereby, the processing speed in the nonlinear filter 73 can be increased.

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 signal processing device 70 according to the first embodiment, by detecting the optical interference noise at the timing before the signal waveform of the measurement target gas is generated, the small amplitude noise outside the light absorption wavelength range of the measurement target gas. Since N can be detected, the amplitude ε of the small amplitude noise N can be easily detected. Since the small amplitude noise N can be effectively removed using the threshold value ε determined from the amplitude of the small amplitude noise N by the nonlinear filter 73, the signal waveform of the measurement target gas can be appropriately extracted. Further, by removing the small amplitude noise N using the non-linear filter 73, a mechanism for preventing the reflection of the laser light that occurs between the optical components is installed in the laser gas analyzer 1 in which the signal processing device 70 is used. There is no need. Thereby, the structure of the laser type gas analyzer 1 can be simplified and cost reduction can be achieved.

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 nonlinear filter 73. The difference from the first embodiment will be mainly described. Here, the high frequency component refers to the high frequency component of the laser light reception signal S, and the low frequency component refers to the low frequency component of the laser light reception signal S. .

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 BPFs 81a to 81n are connected in parallel to the output end of the averaging filter 72, and a plurality of nonlinear filters 73a to 73n are connected to the output ends of the BPFs 81a to 81n. Further, compensators (delays) 82a to 82n are connected to the subsequent stages of the nonlinear filters 73a to 73n, respectively, and outputs from the compensators 82a to 82n are input to the waveform synthesis unit 83. The stage before the averaging filter 72 is as shown in FIG. For example, when the basic component of the laser light reception signal S is composed of a low frequency and a high frequency, the frequency components contained in the laser light reception signal S can be separated into a low frequency component and a high frequency component by the BPFs 81a to 81n. For this reason, the constant of the acyclic digital filter that is the basis of the threshold value ε or the ε-filter of the noise removing unit 76 can be set corresponding to the frequency components input to the nonlinear filters 73a to 73n.

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 BPF 81a and is input to the nonlinear filter 73a, the constant of the acyclic digital filter of the nonlinear filter 73a is set so as to pass the low frequency component. Set. Then, a threshold value ε is set from the amplitude value corresponding to the small amplitude noise N level superimposed on the waveform of the low frequency component. Thereby, the small amplitude noise N can be effectively removed from the waveform of the laser light reception signal S while maintaining the waveform of the low frequency component of the laser light reception signal S. Similarly, when a high frequency is extracted from the frequency components included in the laser light reception signal S by the BPF 81b, the constant of the acyclic digital filter of the non-linear filter 73b is set so as to pass the high frequency component. A threshold ε is set from the amplitude value of the small amplitude noise N to be superimposed, and the small amplitude noise N is removed.

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 compensators 82a to 82n are set so that the delay times due to the filter processing are equalized by inputting the outputs of the nonlinear filters 73a to 73n to the compensators 82a to 82n. That is, the calculation processing time of the low frequency component of the laser light reception signal S input to the BPF 81a and the nonlinear filter a is equal to the calculation processing time of the high frequency component of the laser reception signal S input to the BPF 81b and the nonlinear filter b. So that the time compensation is delayed. The waveform synthesizer 83 synthesizes the outputs of the compensators 82a to 82n, re-synthesizes the laser light reception signal S separated into the low frequency component and the high frequency component as a waveform by addition, and reproduces the laser light reception signal S. By making the low frequency component calculation processing time and the high frequency component calculation processing time of the laser light reception signal S equal by the compensators 82a to 82n, the waveform synthesis unit 83 re-synthesizes the signal waveform of each component with high accuracy. be able to.

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 filter 72. The laser light reception signal S is composed of two components, a low frequency component L and a high frequency component H, and a state in which a small amplitude noise N is superimposed on the laser light reception signal S is shown.

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 filter 72 is input to the BPFs 81a to 81n, and the frequency component is separated into the low frequency component L and the high frequency component N. The separated laser light reception signals are input to the non-linear filters 73a to 73n, respectively, and the small amplitude noise N is removed (see FIG. 7). The laser light reception signal S is input to the BPF 81a that passes through the low frequency component L, the low frequency component L is separated, and input to the nonlinear filter 73a in which the acyclic digital filter constant corresponding to the low frequency component L and the threshold value ε are set. Thus, the small amplitude noise N is removed. Further, the laser light reception signal S is input to the BPF 81b that passes the high frequency component H, the high frequency component H is separated, and is input to the nonlinear filter 73b in which the acyclic digital filter constant corresponding to the high frequency component H and the threshold ε are set. Thus, the small amplitude noise N is removed.

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 BPF 81a that separates the low-frequency component L. FIG. FIG. 8C shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the nonlinear filter 73a in which the acyclic digital filter constant corresponding to the low frequency component L and the threshold value ε are set. In FIG. 8B before the laser light reception signal S passes through the nonlinear filter 73a, the small amplitude noise N is superimposed on the waveform of the low frequency component L. In FIG. 8C after passing through the non-linear filter 73a, the small amplitude noise N is removed while the shape of the waveform of the low frequency component L is maintained. By setting the threshold value ε from the amplitude value in accordance with the small amplitude noise N level superimposed on the waveform of the low frequency component L, the low frequency component is effectively maintained while maintaining the waveform of the low frequency component L of the laser light reception signal S. It can be seen that the small amplitude noise N can be removed from the waveform.

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 BPF 81b that separates the high-frequency component H. FIG. 8E shows the waveform of the laser light reception signal S that has passed through the non-circular digital filter constant corresponding to the high frequency component H and the nonlinear filter 73b in which the threshold value ε is set. In FIG. 8B before the laser light reception signal S passes through the nonlinear filter 73a, the small amplitude noise N is superimposed on the waveform of the high frequency component H. In FIG. 8C after passing through the non-linear filter 73a, the small amplitude noise N is removed while the shape of the waveform of the high frequency component H is maintained. By setting the threshold value ε from the amplitude value in accordance with the small amplitude noise N level superimposed on the waveform of the high frequency component H, the waveform of the high frequency component H is effectively maintained while maintaining the waveform of the high frequency component H of the laser light reception signal S. It can be seen that the small amplitude noise N can be removed.

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 nonlinear filters 73a to 73n are input to the compensators 82a to 82n so that the low frequency component L calculation processing time and the high frequency component H calculation processing time of the laser light reception signal S are equalized. The output signals of the compensators 82a to 82n are input to the wavelength synthesizer 83, and the low frequency component L and the high frequency component H are recombined to reproduce the laser light reception signal S. FIG. 8F shows the waveform of the laser light reception signal S recombined by the wavelength combining unit 83. It can be seen that the waveform of the low frequency component L and the waveform of the high frequency component H are recombined to reproduce the laser light reception signal S from which the small amplitude noise N is removed. As described above, even when the laser light reception signal S composed of a plurality of frequency components is re-synthesized, the small amplitude noise N is effectively reduced from the waveform of the laser light reception signal S while maintaining the waveform of the laser light reception signal S. It can be seen that it can be removed. Further, even if a plurality of nonlinear filters 73a to 73n are used, no signal distortion is caused. Thereby, since the signal waveform of the measurement target gas can be appropriately extracted, the gas concentration calculation unit 77 can calculate the measurement target gas concentration with high accuracy.

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 signal processing device 70 according to the second embodiment, since the threshold ε corresponding to the frequency component included in the laser light reception signal S can be set in the nonlinear filters 73a to 73n, the waveform of the frequency component The small amplitude noise N can be effectively removed from the waveform of the laser light reception signal S while maintaining the above. Since the laser light reception signal S from which the small amplitude noise N has been removed is reproduced when the waveform of each frequency component is recombined, the signal waveform of the measurement target gas can be appropriately extracted.

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 Laser Gas Analyzer 70 Signal Processing Device 73 Nonlinear Filter N Small Amplitude Noise S Laser Light Received Signal ε Threshold

Claims (4)

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.
前記非線形フィルタは、前記測定対象ガスの光吸収波長域外において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ノイズ解析部と、前記ノイズ解析部で検出した前記光学干渉ノイズに相当する閾値を設定する閾値処理部と、前記レーザ受光信号から光吸収を受けた信号成分に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを前記光学干渉ノイズに相当する閾値に基づいて除去するノイズ除去部と、を備えることを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。   The non-linear filter sets a noise analysis unit that detects the optical interference noise from the laser light reception signal outside the light absorption wavelength range of the measurement target gas, and a threshold corresponding to the optical interference noise detected by the noise analysis unit. A threshold processing unit, and a noise removing unit that removes small amplitude noise corresponding to optical interference noise superimposed on a signal component that has received light absorption from the laser light reception signal, based on a threshold corresponding to the optical interference noise. The signal processing apparatus according to claim 1. 前記非線形フィルタは、低周波成分に対応した第1の非線形フィルタと、高周波成分に対応した第2の非線形フィルタとを有し、
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.
前記レーザ式ガス分析計は、前記レーザ光の波長域を前記測定対象ガスの光吸収波長域を横切るように変化させるレーザ駆動制御回路を備え、
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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