CN103884679B - 结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔，光学腔的出射光路上设有第一光电探测器。本发明结合了卡尔曼滤波器，对腔衰荡信号进行后续处理，从而减小了系统误差，提高了腔衰荡光谱的准确度。

Description

结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法

技术领域

本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。

背景技术

气体检测技术作为一种发展长久的技术，广泛应用于生产生活之中。随着人们对大气环境质量的关切日益增加，对空气污染物，尤其是PM2.5的检测越发的重要。在工业中，对原料气体以及生成气体的检测与控制可以大大提高生产效率，减小经济成本，如在火力发电厂中对NO₂的检测。在农业中，通过测量大棚中的CO₂含量可以获知农作物生长状况，从而控制不同肥料的添加。常见的气体检测方式有传统的化学检测法和新型的光谱技术检测法。传统的化学检测法常常需要对气体进行取样，实验室分析，不能实时反映气体浓度变化。而新型的光谱技术检测法由于其具有实时、在线、高灵敏度等优点得到广泛认可。光谱技术检测法是基于气体分子对特定频率激光的吸收，根据光强的衰减情况演化得到气体浓度，这种方法不会对气体成分形成破坏。常见的光谱检测法包括直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术、频率调制光谱技术、腔增强光谱技术、腔衰荡光谱技术等。其中直接吸收光谱技术与波长调制光谱技术已经大量应用于生产中。但这两种光谱技术都存在光程不长，灵敏度相对较低，受外界因素影响大，需要标气进行校准等缺点。而光腔衰荡光谱技术(CavityRing-DownSpectroscopy,CRDS)是一种近些年发展迅速的高灵敏直接吸收光谱技术，它是通过测量腔内光场的衰荡时间来获得吸收介质浓度的。由于该技术测量的是信号的时间行为，所以不受激光强度起伏的影响。CRDS技术所采用的光学腔精细度很高，腔内的有效吸收路径可以很长(～km)，相当于多通道池技术的效果，而且这种技术的光学装置相对简单。CRDS的探测灵敏度与光声光谱(PAS)及腔内吸收光谱(ICLAS)相当，能够达到10^-7，使得该技术很快应用到了社会生产生活中。

CRDS的思想是在测量不断提高镜面反射率精度的过程中诞生的，最初在1980年，Herberlin使用光学腔相移技术来测量镜片的反射率。1984年Anderson通过激光强度的指数衰减测量镜片的反射率，可测量的镜面反射率达到99.99％。到1988年O’Keefe和Deacon首次阐述了CRDS的基本操作原理，并使用脉冲激光器对氧气分子可见光区域的吸收线进行了探测，最小探测吸收精度达到1ppm，但是测量得到的光谱分辨率很低，这是由于脉冲激光器频率稳定性较差，频率的线宽大于腔的自由光谱区。而到了1996年D.Romanini提出基于连续激光器CRDS(CW-CRDS)，并对乙炔(HCCH)在570nm附近的吸收线进行了探测，噪声等效吸收达到10^-9/cm，由于连续激光器的高重复率、高光谱精度和较好的信噪比，使得CRDS的应用前景扩展到很大的空间。

腔衰荡光谱技术原理如图1所示，当初始光强为I₀的激光束进入光学腔，由于腔镜散射、透射以及腔内介质吸收，将在光学腔后检测到随指数衰减的光：

$I=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})---\left(1\right)$

其中τ表示光强的衰荡时间，与腔内介质的吸收以及腔镜的透射、散射有关。由于光源为激光，有很好的单色性，腔镜的散射损耗可以忽略不计，则衰荡时间τ可以表示为：

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{c\[\mathrm{\α}LC+\ln R\]}---\left(2\right)$

其中，c表示光速，α表示介质的吸收系数，L表示腔长，R表示腔镜反射率。在腔衰荡光谱技术中，腔镜反射率R一般大于99％，lnR≈1-R。上式可改写为：

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{c\[\mathrm{\α}CL+(1-R)\]}---\left(3\right)$

当腔内不存在吸收介质时，衰荡时间τ₀：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{L}{c(1-R)}---\left(4\right)$

联立式(3)与式(4)可得：

$C=\frac{1}{c\mathrm{\α}}(\frac{1}{\mathrm{\τ}}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_0})---\left(5\right)$

虽然腔衰荡光谱有很多优于其他光谱技术的特点，但测量得到的结果会存在很大的误差，其主要原因包括：1.由于PID输出的误差信号具有一定的宽度，使得激光器的频率在一定范围内会抖动，而CO2的吸收以及镜面的反射率是随波长变化的；2.由于腔体材料受温度、机械振动等外界环境的影响，导致腔长发生漂移；3.电子噪声以及拟合过程存在的误差.而这些误差是都是由于现实工艺以及技术手段所限，很难通过实验手段直接消除的，从而使得腔衰荡光谱的应用产生很大的阻碍。因此有效提高腔衰荡光谱技术的测量精确度成为了本领技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决基于腔衰荡光谱技术的气体浓度检测方法和装置分析结果不够精确的技术问题，提供一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔，所述光学腔位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器和函数发生器；光学腔的出射光路上设有第一光电探测器，第一光电探测器的信号输出端分为两路，一路连接有计算机，另一路通过一个阈值电路与声光调制器的信号输入端相连接；所述阈值电路包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与第一光电探测器的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚相连接；所述定时器的第三管脚与声光调制器的信号输入端相连接；比较器的第七管脚以及定时器的第八管脚均与外部电源相连接；定时器的第三管脚还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二管脚与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四管脚与外部电源相连接，定时器的第七管脚通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一管脚接地；所述比较器的第四管脚接地，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚还共同通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501；所述计算机在内设的基于labview平台的CRDS采集及拟合程序软件的支持下，采用卡尔曼滤波器分析方法对由上述装置采集并得到的气体浓度数据进行分析，进而得出优化后待测气体的浓度；所述卡尔曼滤波器分析方法包括以下步骤：

设k-1时刻真实的气体浓度为C_k-1，浓度的变化为w_k-1，则k时刻真实的浓度值可表示为：

C_k＝C_k-1+w_k-1

通过实验系统测量得到浓度值为z_k，测量误差为v_k，则有：

z_k＝C_k+v_k

其中，w_k和v_k为高斯白噪声，二者方差分别为和

卡尔曼滤波过程是一个递归过程，包括5个公式：

预测过程：

在k-1时刻估计k时刻的值，浓度不会发生突变，则假设k时刻的浓度值等于k-1时刻得到的最佳估计值：

C_k|k-1＝C_k-1|k-1

计算先验误差，先验误差用来表征使用k-1时刻值估算k时刻值的估计误差，它等于k-1时刻的后验误差加浓度C的变化方差：

$P_{k|k-1}=P_{k-1|k-1}+{\mathrm{\σ}}_w^2$

更新过程：

更新k时刻的卡尔曼增益K_g，K_g用来权衡估计值与测量值的可信程度

$K_g=P_{k|k-1}{(P_{k|k-1}+{\mathrm{\σ}}_v^2)}^{-1}$

更新k时刻的最佳估计值，Z_k为k时刻实际测量值

C_k|k＝C_k|k-1+K_g(z_k-C_k|k-1)

计算k时刻的后验误差，后验误差用来表征最佳估计值的估计误差

P_k|k＝(1-K_g)P_k|k-1

最终得到的C_k|k就是经过卡尔曼滤波方法滤波后的待测气体浓度数据；其中浓度变化误差方差与测量误差方差可以根据下式进行估计：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ν}}^2=R\left(k\right)=-\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(j\right)*z(j-1)$

${\mathrm{\σ}}_w^2=R\left(0\right)-{\mathrm{\σ}}_v^2.$

对待测气体进行测量时，将本发明所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置放置于待测气体的环境中，待测气体通过光学腔的出入口于光学腔内流动；声光调制器作为光学开关，声光调制器出射的一级衍射光经过耦合透镜进入光学腔，光学腔的其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，函数发生器输出的三角波经过高压放大器加在压电陶瓷上，控制腔长的改变，从而保证激光能与腔共振，当激光与腔达到共振时，第一光电探测器检测到光强迅速上升，当达到阈值电路设置的阈值时，阈值电路产生一个负脉冲从而关闭声光调制器，关断光路，光学腔后检测到随指数衰减的光强信号，再经过数据采集、浓度换算、卡尔曼滤波得到稳定的浓度变化信号。从卡尔曼滤波方法所采用的公式可以看出虽然卡尔曼滤波过程包含了过去所有时刻的信息，但由于其是一系列的递归运算，所以不需要大量的存储空间，每一步的计算量很小，计算步骤清晰，非常适合计算机处理。

所述阈值电路是腔衰荡光谱系统的核心技术，本系统的阈值电路使用自行设计的基于555定时器(即LM555CN)的单稳态电路，电路输出与声光调制器控制端相连接，可以根据第一光电探测器输出信号来控制声光调制器，激光与光学腔达到共振时，第一光电探测器输出高电平，当阈值电路的输入电平大于预先设置好的阈值时，阈值电路输出一个时间宽度t可以调节的负脉冲，从而关闭光路，经过t时间的负脉冲后，输出自动回到高电平，从而再次打开光路。

进一步的，所述激光发射装置包括一个半导体激光器以及用于驱动半导体激光器的激光控制器；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置还包括位于半导体激光器的出射端的光纤分束器，光纤分束器将出射激光分为两路，一路通过光纤与声光调制器相连接，另一路通过光纤将激光输入至一个内部充有与待测气体成分相同的样气池；样气池的出射光路上设有第二光电探测器，第二光电探测器的信号输出端顺次连接有一个内部设有函数发生器的锁相放大器和PID控制器；所述锁相放大器的同步信号输出端与激光控制器的信号输入端相连接；PID控制器的信号输出端与激光控制器的信号输入端相连接。

基于腔衰荡光谱技术的气体浓度分析装置如图2所示。半导体激光器受激光控制器控制，锁相放大器内部含有一个函数发生器输出调制信号控制从而调制激光频率，出射的光束为一基模高斯光束，经过光纤分束器分为两部分：其中光强较弱的一部分经过充有和待测气体成分相同的标气池，被第二光电探测器采集，再经过锁相放大器进行解调，解调信号经过PID控制器，通过调节PID控制器的比例系数、积分时间、微分常数来优化误差信号，反馈回激光控制器，从而解决了激光频率飘移的问题，对激光频率进行锁定，将其控制在介质吸收线中心；组成的反馈回路将半导体激光器出射光的频率锁定在待测气体吸收线中心。

本发明技术的有益效果：

⒈本发明技术提出了一种基于腔衰荡光谱技术的气体浓度检测方案和装置，可以用于痕量气体检测。

2.本发明结合了卡尔曼滤波器，对腔衰荡信号进行后续处理，从而减小了系统误差，提高了腔衰荡光谱的准确度。

3.本发明技术采用自行设计的基于555定时器的单稳态电路作为阈值电路，结构简单，而且关断时间可以调节。

4.本发明使用了频率锁定技术，解决了激光器频率飘移的问题，保证了光源的单色性。

5.本发明技术方案简单，方便操作，不需要花费很多的人力及物力，其成本和使用方便程度容易被大多数应用部门所接受。

附图说明

图1为腔衰荡光谱技术原理图。

图2为结合卡尔曼滤波器的基于腔衰荡光谱技术的气体浓度检测装置图。

图3为7小时CO₂浓度监测结果。

图4为存在浓度突变的CO₂浓度监测结果。

图5阈值电路的结构示意图。

1-半导体激光器，2-光纤分束器，3-声光调制器，4-为耦合透镜，5-光学腔，6-第一光电探测器，7-阈值电路，8-高压放大器，9-函数发生器，10-标气池，11-第二光电探测器，12-锁相放大器，13-PID控制器，14-激光控制器，15-计算机。

具体实施方式

一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器3，声光调制器3的出射光路上顺次设有耦合透镜4以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔5，所述光学腔位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器8和函数发生器9；光学腔5的出射光路上设有第一光电探测器6，第一光电探测器6的信号输出端分为两路，一路连接有计算机15，另一路通过一个阈值电路7与声光调制器3的信号输入端相连接；所述阈值电路7包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与第一光电探测器6的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚相连接；所述定时器的第三管脚与声光调制器3的信号输入端相连接；比较器的第七管脚以及定时器的第八管脚均与外部电源相连接；定时器的第三管脚还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二管脚与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四管脚与外部电源相连接，定时器的第七管脚通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一管脚接地；所述比较器的第四管脚接地，定时器的第六管脚与比较器的信号输出端还共同通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501；所述计算机15在内设的基于labview平台的CRDS采集及拟合程序软件的支持下，采用卡尔曼滤波器分析方法对由上述装置采集并得到的气体浓度数据进行分析，进而得出优化后待测气体的浓度；所述卡尔曼滤波器分析方法包括以下步骤：

设k-1时刻真实的气体浓度为C_k-1，浓度的变化为w_k-1，则k时刻真实的浓度值可表示为：

C_k＝C_k-1+w_k-1

通过实验系统测量得到浓度值为z_k，测量误差为v_k，则有：

z_k＝C_k+v_k

其中，w_k和v_k为高斯白噪声(说明一下如何得来的)，二者方差分别为和

卡尔曼滤波过程是一个递归过程，包括5个公式：

预测过程：

在k-1时刻估计k时刻的值，浓度不会发生突变，则假设k时刻的浓度值等于k-1时刻得到的最佳估计值：

C_k|k-1＝C_k-1|k-1

计算先验误差，先验误差用来表征使用k-1时刻值估算k时刻值的估计误差，它等于k-1时刻的后验误差加浓度C的变化方差：

$P_{k|k-1}=P_{k-1|k-1}+{\mathrm{\σ}}_w^2$

更新过程：

更新k时刻的卡尔曼增益K_g，K_g用来权衡估计值与测量值的可信程度

$K_g=P_{k|k-1}{(P_{k|k-1}+{\mathrm{\σ}}_v^2)}^{-1}$

更新k时刻的最佳估计值，Z_k为k时刻实际测量值

C_k|k＝C_k|k-1+K_g(z_k-C_k|k-1)

计算k时刻的后验误差，后验误差用来表征最佳估计值的估计误差

P_k|k＝(1-K_g)P_k|k-1

最终得到的C_k|k就是经过卡尔曼滤波方法滤波后的待测气体浓度数据；其中浓度变化误差方差与测量误差方差可以根据下式进行估计：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ν}}^2=R\left(k\right)=-\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(j\right)*z(j-1)$

${\mathrm{\σ}}_w^2=R\left(0\right)-{\mathrm{\σ}}_v^2.$

所述激光发射装置包括一个半导体激光器1以及用于驱动半导体激光器1的激光控制器14；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置还包括位于半导体激光器1的出射端的光纤分束器2，光纤分束器2将出射激光分为两路，一路通过光纤与声光调制器3相连接，另一路通过光纤将激光输入至一个内部充有与待测气体成分相同的样气池10；样气池10的出射光路上设有第二光电探测器11，第二光电探测器11的信号输出端顺次连接有一个内部设有函数发生器的锁相放大器12和PID控制器13；所述锁相放大器12的同步信号输出端与激光控制器14的信号输入端相连接；PID控制器13的信号输出端与激光控制器14的信号输入端相连接。

所述光学腔内的高反镜采用一对反射率都为99.95％的平面镜与凹面镜，其中凹面镜固定在压电陶瓷上。

所述光纤分束器2采用1:99的光纤分束器。

图1为腔衰荡光谱技术原理图。1为半导体激光器，5为光学腔，6为第一光电探测器。

图2为结合卡尔曼滤波器基于腔衰荡光谱技术的气体浓度检测装置图。1为半导体激光器，2为1:99光纤分束器，3为声光调制器，4为耦合透镜，5是由两片高反镜组成的光学腔，腔上开有两个通气孔，使腔内与空气完全接触，也可以向腔内充气，6、11分别为第一、第二光电探测器，7为阈值电路，10为CO₂标气池，12为锁相放大器，13是PID控制器，14为激光控制器。

图3为7小时CO₂浓度监测结果。图3(a)为直接经过变换后得到的浓度信号，图3(b)为经过100次平均后得到的浓度信号，图3(c)为最后经过卡尔曼滤波器后的结果。可以看出最后得到信号信噪比提高了6倍。

图4为存在浓度突变的CO₂浓度监测结果。图4(a)为经过100次平均后的结果，图4(b)为经过卡尔曼滤波器后的结果。最开始系统处于正常的室内环境中，28分钟时向腔内冲入1000ppmCO₂标气，60分钟打开空调，CO₂浓度迅速下降。可以看出信噪比不仅得到了提高，而且不影响系统对于浓度变化的快速响应。

图5为阈值电路结构示意图。该阈值电路是基于555定时器的单稳态电路，电路输入接受第一光电探测器6输出信号，电路输出用来控制声光调制器3。电阻R4、稳压管D1以及电位器R5用来调制阈值电压的大小，当输入信号大于阈值电压时，比较器TLV3501输出一个低电平至555定时器的6端，从而触发定时器输出一个负脉冲，脉冲的时间宽度t可以根据R3和C2进行控制，满足关系式t＝1.1×R3×C2，该阈值电路结构简单，操作容易，工作稳定，阈值电压设置范围广(0.3V～5V之间)，关断时间可以任意调节。

下面结合附图2对本发明技术作进一步的说明。

如图2所示，半导体激光器1受激光控制器14控制，锁相放大器12内部含有一个函数发生器输出调制信号控制激光控制器14从而调制激光频率，出射的光束为一基模高斯光束，经过1:99的光纤分束器2分为两部分：其中光强较弱的一部分经过CO₂标气池，被第二光电探测器11采集，再经过锁相放大器12进行解调，解调信号经过PID控制器13，通过调节PID的比例系数、积分时间、微分常数来优化误差信号，反馈回激光控制器，从而解决了激光频率飘移的问题，对激光频率进行锁定，将其控制在介质吸收线中心；光强较强的一部分光用于气体浓度监测，声光调制器3作为光学开关，声光调制器出射的一级衍射光经过耦合透镜4进入光学腔，光学腔由一对反射率都为99.95％的平面镜与凹面镜组成，其中凹面镜固定在压电陶瓷上，函数发生器9输出的三角波经过高压放大器8加在压电陶瓷上，控制腔长的改变，从而保证激光能与腔共振，当激光与腔达到共振时，第一光电探测器6检测到光强迅速上升，当达到阈值电路7设置的阈值时，7产生一个负脉冲从而关闭声光调制器，关断光路，腔后检测到随指数衰减的光强信号，再经过数据采集、浓度换算、卡尔曼滤波得到稳定的浓度变化信号。

图3(a)为没有经过处理的7小时CO₂浓度监测结果，可以看出CO₂浓度随着人类的活动以及空气的流通缓慢的变化，但测量结果存在很大的偏差。图3(b)为经过100次平均后结果，其中平均次数是根据阿伦方差计算得到的最佳平均次数。图3(c)为再经过卡尔曼滤波后的结果。根据计算，图3(c)的信噪比相比于图3(a)提高了6倍。

为了验证系统的响应快慢，我们人为的引入浓度突变对系统进行了测试。如图4所示，最开始系统处于正常的室内环境中，CO₂浓度缓慢变化，28分钟时向腔内冲入1000ppmCO₂标气，60分钟打开空调，CO₂浓度迅速下降。图4(a)为经过100次平均的结果，图4(b)为再经过卡尔曼滤波之后的结果。可以看出卡尔曼滤波对系统的响应时间无明显影响，系统可以准确实时的反应浓度的真实变化。

Claims (5)

1.一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器(3)，声光调制器(3)的出射光路上顺次设有耦合透镜(4)以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔(5)，所述光学腔(5)位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器(8)和函数发生器(9)；光学腔(5)的出射光路上设有第一光电探测器(6)，第一光电探测器(6)的信号输出端分为两路，一路连接有计算机(15)，另一路通过一个阈值电路(7)与声光调制器(3)的信号输入端相连接；所述阈值电路(7)包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与第一光电探测器(6)的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚相连接；所述定时器的第三管脚与声光调制器(3)的信号输入端相连接；比较器的第七管脚以及定时器的第八管脚均与外部电源相连接；定时器的第三管脚还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二管脚与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四管脚与外部电源相连接，定时器的第七管脚通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一管脚接地；所述比较器的第四管脚接地，定时器的第六管脚通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501；所述计算机(15)在内设的基于labview平台的CRDS采集及拟合程序软件的支持下，采用卡尔曼滤波器分析方法对由上述装置采集并得到的气体浓度数据进行分析，进而得出优化后待测气体的浓度；所述卡尔曼滤波器分析方法包括以下步骤：

设k-1时刻真实的气体浓度为C_k-1，浓度的变化为w_k-1，则k时刻真实的浓度值可表示为：

C_k＝C_k-1+w_k-1

通过实验系统测量得到浓度值为z_k，测量误差为v_k，则有：

z_k＝C_k+v_k

其中，w_k和v_k为高斯白噪声，二者方差分别为σ_w ²和σ_v ²；

卡尔曼滤波过程是一个递归过程，包括5个公式：

预测过程：

在k-1时刻估计k时刻的值，浓度不会发生突变，则假设k时刻的浓度值等于k-1时刻得到的最佳估计值：

C_k|k-1＝C_k-1|k-1

计算先验误差，先验误差用来表征使用k-1时刻值估算k时刻值的估计误差，它等于k-1时刻的后验误差加浓度C的变化方差：

$P_{k|k-1}=P_{k-1|k-1}+{\mathrm{\σ}}_w^2$

更新过程：

更新k时刻的卡尔曼增益K_g，K_g用来权衡估计值与测量值的可信程度

$K_g=P_{k|k-1}{(P_{k|k-1}+{\mathrm{\σ}}_v^2)}^{-1}$

更新k时刻的最佳估计值，Z_k为k时刻实际测量值

C_k|k＝C_k|k-1+K_g(z_k-C_k|k-1)

计算k时刻的后验误差，后验误差用来表征最佳估计值的估计误差

P_k|k＝(1-K_g)P_k|k-1

最终得到的C_k|k就是经过卡尔曼滤波方法滤波后的待测气体浓度数据；其中浓度变化误差方差与测量误差方差σ_w ²、σ_v ²可以根据下式进行估计：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ν}}^2=R\left(k\right)=-\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}z\left(j\right)*z(j-1)$

${\mathrm{\σ}}_w^2=R\left(0\right)-{\mathrm{\σ}}_v^2.$

2.如权利要求1所述的结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，所述激光发射装置包括一个半导体激光器(1)以及用于驱动半导体激光器(1)的激光控制器(14)；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置还包括位于半导体激光器(1)的出射端的光纤分束器(2)，光纤分束器2将出射激光分为两路，一路通过光纤与声光调制器(3)相连接，另一路通过光纤将激光输入至一个内部充有与待测气体成分相同的标气池(10)；标气池(10)的出射光路上设有第二光电探测器(11)，第二光电探测器(11)的信号输出端顺次连接有一个内部设有函数发生器的锁相放大器(12)和PID控制器(13)；所述锁相放大器(12)的同步信号输出端与激光控制器(14)的信号输入端相连接；PID控制器(13)的信号输出端与激光控制器(14)的信号输入端相连接。

3.如权利要求1或2所述的结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，所述光学腔(5)内的高反镜采用一对反射率都为99.95％的平面镜与凹面镜，其中凹面镜固定在压电陶瓷上。

4.如权利要求1或2所述的结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，所述光纤分束器(2)采用1:99的光纤分束器。

5.如权利要求3所述的结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，光纤分束器(2)采用1:99的光纤分束器。