CN100516842C - 检测并且实时分析大气中的化学和/或生物物质的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过火焰分光分度术分析气体成分的装置，其用于识别当前试验光谱并且基于一种知识获取和诊断方法。本发明方法包括以下步骤：对来自当前光谱的缩减数据的主成分分析；建立一个表示有效成分集的投影光谱的矩阵；把该有效成分集的投影光谱集分类到各当前族中；评估当前光谱对所有当前族的成员可能；如果当前光谱族的一个当前族的成员可能大于预定阈值，该当前光谱是所述有效成分集的所述族的成员；如果该有效成分组的一个当前族呈现比预定阈值大的该族不同成分的出现频率发出告警；以及如果所述当前光谱足够脱离现存形式，间接拒绝当前光谱并聚集到一个正在形成的一个族上以形成一个新族的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测大气中的化学和/或生物物质并对它们进行实时分析的方法和装置。
背景技术
把它集成到通过火焰分光光度术分析气体混合物中的设备内是有益的但不是排它的，此类设备例如是本申请人的归档法国专利9800761号中公开的设备。
概言之我们知道火焰分光光度术是一种对气体混合物的火焰产生的辐射进行光谱分析的方法，其中该气体混合物包括要分析的成分以及诸如氢气的助燃物。通过离析期望成分的特有辐射并且通过测光装置读出这些辐射进行该分析。
为了把该方法应用到一些不造成任何特有光辐射的成分上，必须在燃烧之前诱发这些成分和活性成分之间的反应从而得到一种产生可检测和可识别光辐射的化合物。
可以通过进行和反应物的第一次燃烧形成该先期反应。
从该第一次燃烧生成的气体混合物遭受第二次燃烧，这产生在其上还要进行光谱分析的光辐射。
可以把测光装置提供的关于和期望成分的性质有关的特有辐射以及根据所述成分的浓度的线密度的信息提供到处理器，该处理器编程成解释该信息是否为化合物、化学物质或者甚至生物物质。
通常我们知道有时需要能有效地介入大气污染事件；在此情况下迅速检测并识别构成所述污染的成分是恰当的。
此外，和大量预期成分相关的辐射光谱的复杂性要求实现能实时获得要分析的当前光谱并且同已知光谱参照库比照进行识别的方法。
发明内容
更准确地，本发明的目的是通过使可被分析的生物物质的范围为最大以及通过改进得到的结果的可信性改进这些分析的结果。
为此，提出一种识别当前要分析的光谱的训练和诊断过程，该过程遵循以下步骤：
分析当前光谱中主要成分的简化数据；
建立一个表示所有有效成分集的投影的矩阵；
把该有效成分集的所有投影都分类到当前各族中；
在所有当前族中译估当前光谱的可能溯源；
如果所述当前光谱的所述族的可能溯源大于预置阈值，该有效成分集中的一个当前族为该当前光谱的溯源；
如果该有效成分集中的一个当前族具有大于预置阈值的该族的不同成分的出现频率，则设定告警；
如果所述当前光谱和现存格式充分不同从而属于一个新族，间接拒绝该当前光谱并且聚集一个训练族。
该训练和诊断过程最好设计成在上述步骤之前，包括：
对火焰基底建模；
从当前光谱消去火焰基底；
对得到的信号滤波；
标准化滤波后的光谱；
如果当前光谱不对应于噪声，则检测该当前光谱。
当然，对其中与每个光谱关联的变量数远远大于光谱数的情况的建模能辨别构成污染的成分的特有光谱。
附图说明
下面参照附图说明本发明的一个作为非限制性例子的实施例，附图中：
图1是一种通过分光光度术分析化学和/或生物物质的设备的示意图；
图2是训练和诊断过程的流程图。
具体实施方式
通过分光光度术进行分析的设备如图1中所示可以包括一个管状燃烧器1，后者包括一个和进气管3连接的管状喷嘴2，进气管3用于要分析的气体并且在另一侧是打开的，以和喷嘴2同轴的方式：
第一管状套筒，其直径比喷嘴2的直径略大并且相对于喷嘴2轴向偏移，从而一方面和喷嘴2一起界定第一环形进气室5，室5和用于来自源7的氢气的注入管路6连接，另一方面界定一个超出第一喷嘴2的燃烧室8，在该燃烧室中要分析的气体和氢气的部分燃烧产生第一火焰F1，第一管状套管4在喷嘴2上的一侧封闭而在另一侧开放到第一燃烧室9中；
第二管状套管10，它的直径比第一管状套管4的直径大并且和套管4一起界定第二进气室11，进气室11和用于气体或氧化气体混合物例如空气的进气管路12连接，第二套管10在喷嘴2上和/或第一套管4上的一侧封闭并且在另一侧超过第一套管4地界定第二燃烧室9，在室9中发生从第一燃烧室8以及从进气室11排出的气体的氧化介质的后燃烧；
环形电极14，它大致劈成反C形状，其具有最大直径15的一侧和第二套管10互锁，其具有最小直径16的一侧(该侧的轴向长度小于侧15的轴向长度)界定燃烧室9的排气管S，超过电极14(套管4的相反侧上)处套管10包括一个横孔17，横孔17上排气管开在其中，该排气管配有一个用未示出的引擎激励的涡轮机18；
聚焦光器件19，例如位于喷嘴2的相反侧装配在一个封闭套筒10的盖的圆形开口内的透镜，该聚焦光器件19设计成把两个燃烧室8、9，尤其第一室8，发出的光辐射聚焦到分光分度组件的进入口上。
分光分度组件20提供的信息发送到处理器/显示器单元21，单元21编程成确定喷嘴2输出的气体采样的期望成分的性质和浓度。
如上面指出那样，套筒4的外表面可以涂上一层材料22，在套筒4升到在第一室8中实现燃烧的温度下该材料可以发出活性气体。作为例子，该活性材料可包括铟而期望的成分是氯。
在此情况下，该燃烧器可以包括在套筒4和10之间隔开的空间中延伸的第三管状同轴套筒23。第三套筒23和套筒4一起界定环室24，环室24对第二燃烧室9开放并充用源7发出的氢气流进入室9的进气道。为此，环室24通过由阀26控制的进气管路25和源7连接。
上述燃烧室按如下操作：
通过涡轮机18使二个室都处于负压，从而通过进气管路3中形成的孔在喷嘴2中诱发供取样的吸入气体。
在套筒4内，按第一燃烧室8中产生的燃烧减小(reductive)的比例混合抽入的气流(例如空气)和经进气室5注入的氢气流。第一室8中存在的火焰F1产生的光辐射允许通过分光分度组件20检测化合物例如磷和硫并且推断期望成分的存在。
该燃烧产生的温度诱发对套筒4并且相继地对涂层22的加热。
当达到或超过它的升华温度时，涂层22发出和经进气室24注入的氢气流以及和从进气室11流入的空气混合的活性蒸气。
在室11和24的出口处，该气体混合物和室8中的部分燃烧造成的气流反应(氧化燃烧)从而产生火焰F2，火焰F2发出表征诸如已和活性铟蒸气反应的氯的成分的光。该光以及室8中产生的光由透镜19聚焦到分光分度组件20的开口上。
组件20产生的信息传送到处理器21，处理器21编程成解释该信息并且推断期望成分的性质和浓度以及它们是否是化合物、化学物质或者甚至是生物物质。
所述信息以带有不同波长和不同密度的辐射光谱为形式。它们构成一组和与多个期望成分有关的多个变量相关的变量。
能识别当前光谱的方法包括事先形成一个有效成分集，即一个根据预先定义的规则的预处理光谱，这些光谱聚集在不同的族中，以后在该有效成分集中对每个当前光谱尝试识别出一个所述当前光谱的溯源为最强的族，该方法还包括把得到足够有效的族确定为诊断的结果。
该有效成分集的构成以及对当前光谱的处理采用图2中表示的处理数据的相同方法。
例如，该处理所述数据的方法可以包括以下步骤：
获得新光谱(框1)，
对火焰基底建模(框2)，
去掉火焰的基底(框3)，
对得到的信号滤波(框4)，
标准化预处理的光谱(框5)，
检测得到的光谱(框6)，
投影得到的光谱(框7)，
评估投影的光谱的可能溯源(框8)，
诊断(框9)，
聚合(框10)，
聚集训练族中的一个(框11)，
建立新族(框12)，
大小阈值(框13)。
获得新光谱(框1)涉及考虑从组件20得到的所述信息；它还可以涉及在后面详述的一些步骤期间在该方法中进而考虑一个尚未处理的光谱的第一步骤。
对火焰基底建模(框2)允许在不存在要分析的成分下更新已存储的用来定义火焰产生的辐射特征的数字数据。
去掉火焰基底(框3)包括从要分析的当前光谱提取火焰基底的建模数据。
对得到的信号滤波(框4)是利用一阶蝶值(Butterworth)递归线性滤波器进行的。
预处理光谱的标准化(框5)包括在缩减(reduced)中央矩阵的形式下确定该光谱的变量。
预处理后对得到的光谱的检测(框6)能了解当前光谱是否具有明显超越额定噪声的特征，在此情况下我们认为已得到增强，相应地，出现特有光谱，反之，该得到的信号按箭头A回到框1以重复预处理。
检测光谱在所有投影轴上的投影(框7)包括利用所述光谱的数据和它的一部分参数之间的一系列简单回归估计该光谱的参数；该估计采用NIPALS(通过迭代部分最小平方的非线性估计)算法。
按以下方式进行投影光谱对于不同光谱族的可能溯源评估(框8)，这些不同的光谱族是先前根据相同的过程处理的并且构成一个组织在各个族中的有效成分集：
如果该当前光谱的可能溯源大于预置阈值，所述光谱历经诊断步骤(框9)，
如果该当前光谱的可能溯源小于预置拒绝阈值，所述光谱历经称为聚合的步骤(框10)，
如果该当前先谱的可能溯源大于拒绝阈值但小于接收阈值，存在不定性；该当前光谱沿箭头B回到框1以重复预处理。
诊断(框9)在于计算在前面的步骤(框1至框8)检测出的光谱构成的族中的不同成分出现的频率并且确定有效成分集中的一个族是否达到告警等级；如果诊断和大于预置阈值，识别期望成分并得到期望结果；反之，被诊断的光谱按箭头C回到框1以重复预处理。
聚合(框10)能使该当前光谱和一个训练族聚集(框11)或者建立一个新族(框12)；聚合的目的是聚集足够数量的光谱以便建立一个新族，当前光谱和训练族的聚合可能性可能要和该族的其余部分进行比较。
训练族(框11)历经定义最小规模的阈值检测(框13)；如果达到该阈值，把该训练族集成到有效成分集中并且参与训练过程，反之所述训练族的当前光谱按箭头D回到框1以重复预处理。
依据本发明的方法当然包括管理有效成分集的各个族的手段。
在本例子，一个双向链表示所有的族，每个族是由它的标识符和它的内容定义的；在破坏最旧的族后进行新族的插入；但是，一些族是不可破坏的。
Claims (11)
1.一种通过火焰分光分度技术识别当前光谱以能检测大气中的化学和/或生物物质的训练和诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
分析主要成分的当前光谱的简化数据；
建立一个表示所有有效成分集的投影的矩阵；
把该有效成分集的所有投影都分类到各当前族中；
评估在所有当前族中当前光谱的可能溯源；
如果所述当前光谱的所述当前族的可能溯源大于预置阈值，该有效成分集中的一个当前族为该当前光谱的溯源：
如果该有效成分集中的一个当前族的不同成分的出现频率大于预置阈值，则设定告警；
如果所述当前光谱和现存格式充分不同从而属于一个新族，间接拒绝该当前光谱并且聚集一个训练族。
2.依据权利要求1的方法，特征在于它首先包括以下步骤：
对火焰基底建模；
在当前光谱中去掉该火焰基底；
对得到的信号滤波；
标准化滤过波的光谱；
如果当前光谱不对应噪声则检测该当前光谱。
3.依据权利要求1的方法，特征在于，当前光谱在所有投影轴上的投影包括利用所述当前光谱的数据和它的一部分参数之间的一系列简单回归估计所述光谱的参数。
4.依据权利要求1至3中任一权利要求的方法，特征在于，关于以不同的族组织成有效成分集的不同光谱族评估投影光谱的可能溯源，包括以下条件：
如果该当前光谱的可能溯源大于预置阈值，所述光谱历经所谓的诊断步骤，
如果该当前光谱的可能溯源小于预置拒绝阈值，所述光谱历经所谓的聚合步骤，
如果该当前光谱的可能溯源大于拒绝阈值但小于接受阈值，存在不定性；对该当前光谱重复预处理。
5.依据权利要求4的方法，特征在于，诊断包括计算该检测到的光谱组成的族的不同成分的出现频率并且判定有效成分集的一个族是否达到告警等级。
6.依据权利要求5的方法，特征在于，它包括在诊断和大于预置阈值时识别诊断的光谱。
7.依据权利要求4的方法，特征在于，聚合包括使当前光谱和一个训练族聚集或者建立一个新族。
8.依据权利要求7的方法，特征在于，它包括定义训练族的最小规模的阈值检测。
9.依据权利要求8的方法，特征在于，它包括当达到阈值时把训练族集成到有效成分集。
10.依据权利要求1的方法，特征在于，它包括一个表示所有族的双向链表，每个族由它的标识符和它的内容定义；插入新族在破坏最旧族后进行。
11.依据权利要求10的方法，特征在于，该链表包括不可破坏的族。
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