CN104977269B - 一种自适应红外气体检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应红外气体检测装置和方法，涉及红外检测技术领域。本发明包括，光源模块、开放式气室、自适应处理单元和主控单元；所述的第一光源模块和所述的第二光源模块均用于产生近红外和中红外波段的光波信号，然后输出；所述的第一开放式气室和所述的第二开放式气室用于存放待测气体，并将红外光波信号转化为电信号，然后输出；所述的第一自适应处理单元和第二自适应处理单元，用于对经过气室吸收后的信号进行自适应干扰抑制处理，然后输出；所述的主控单元，用于接收并对自适应干扰抑制处理之后的信号进行处理，并根据处理结果和“浓度‑参比值”关系曲线确定待测气体的浓度。能够精确测量复杂环境和干扰下的气体浓度。

Description

一种自适应红外气体检测装置和方法

技术领域

本发明涉及红外检测技术与应用领域，具体涉及一种自适应红外气体检测装置和方法。

背景技术

在气体检测技术领域，目前常使用手方法有：载体催化、半导体、光干涉等。与这些检测方法相比，利用红外光谱吸收方法检测气体的优点在于：可测气体种类多、测量范围宽、灵敏度高、响应速度快、选择性好、寿命长、适用场合广。因此，红外光谱吸收技术成为检测气体的重要途径。

现有红外气体检测系统一般采用双通道差分结构，该结构又细分为双光路差分结构和双波长差分结构。在双光路差分结构中，光源发出的单波长红外光被分为两束，一束经过具有一定浓度的被测气体，到达探测器，称为测量通道；另一束经过参考气室后到达探测器，称为参考通道；对两个通道的信号做参比后表征气体浓度信息。在双波长差分结构下，宽带光源发出的宽带光信号经过含有一定浓度待测气体的气室后，到达双波长探测器，其中一个探测器的波长与待测气体的吸收峰重合，部分光被待测气体吸收，称为测量通道；另一个探测器的波长与待测气体的吸收峰不重合，不被待测气体吸收，称为参考通道；对两个通道的信号做参比后表征气体浓度信息。采用双通道差分结构的目的是为了消除光源驱动电流波动、探测器性能波动、光路中的粉尘颗粒变化等因素对检测结果的影响，从而可显著提高检测系统的稳定性。在红外气体检测仪所应用的实地环境中，受环境参数冲击变化、电路随机噪声、机械噪声声压变化等统计特性无法预知的因素的影响，气体运移/吸附/解吸规律、待测气体分子的红外吸收特性均将发生变化。

在现有技术中：传统的差分式检测结构仅能消除上述部分因素的影响，即能抑制同时对两个通道产生相同影响的干扰因素，而无法抑制仅影响单个通道的噪声因素；采用经典电域滤波法仅能抑制或滤除统计特性已知的噪声，而无法滤除统计特性不可预知的干扰；针对检测仪环境参数的变化，人们一般采用温度、压力补偿的方法来消除二者对检测性能的影响；但这种方法仅能用于温度、压力缓慢变化的情况，而无法用于冲击变化的情况。因此，无论是差分结构还是温、压补偿方法均无法较为全面的抑制或滤除环境参数冲击变化、电路随机噪声、机械噪声声压变化等统计特性无法预知的因素。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种自适应红外气体检测装置和方法。由于采用了光/电两域自适应信号处理方式，本发明解决了传统差分式红外气体检测仪器及其所采用的经典电域滤波法无法滤除上述光/电两域统计特性无法预知的噪声的技术难题，从而为复杂环境和干扰下的气体精确测量提供了解决方案。

为了解决以上技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种自适应红外气体检测装置，包括：

第一光源模块、第二光源模块、第一开放式气室、第二开放式气室、第一自适应处理单元、第二自适应处理单元和主控单元；

所述的第一光源模块和所述的第二光源模块均用于产生近红外和中红外波段的光波信号，然后输出；

所述的第一开放式气室和所述的第二开放式气室用于存放待测气体，吸收与待测气体吸收峰一致的光波信号，并将光波信号转化为电信号，然后输出；

所述的第一自适应处理单元和第二自适应处理单元，用于对经过气室吸收后的信号进行自适应干扰抑制处理，然后输出；

所述的主控单元，用于接收并对自适应干扰抑制处理之后的信号进行处理，并根据处理结果和“浓度-参比值”关系曲线确定待测气体的浓度。

优选的，所述的气体检测装置还包括：第一驱动单元、第二驱动单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元和第四放大滤波单元；

所述的第一驱动单元和第二驱动单元用于接收来自于所述主控单元的驱动信号，产生用于控制光源模块的电信号；所述的第一驱动单元包括：直流信号产生模块、调制信号产生模块、加法器模块和压控恒流模块；所述的直流信号产生模块产生直流信号，所述的调制信号产生模块产生调制信号，所述的加法器模块接收所述的直流信号产生模块和调制信号产生模块产生的电信号，将两信号相加，并输出；所述的压控恒流模块与加法器模块电连接；所述的第二驱动单元包括直流信号产生模块和压控恒流模块，所述的直流信号产生模块接收来自主控单元的电信号，产生直流信号，并输出；所述的压控恒流模块与所述的直流信号产生模块电连接，用于控制电流的强度，并输出；

所述的第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元和第四放大滤波单元结构相同，均包括前置放大模块、滤波模块、主放大模块；所述的前置放大模块与所述的滤波模块电连接，所述的滤波模块和所述的主放大模块电连接，用于对所述开放性气室输出的电信号进行滤波和放大。

优选的，所述的第一开放式气室和第二开放式气室均具有一个探测器，所述的探测器上均具有两个敏感窗口，其中一个敏感窗口的响应波长对应待测气体的吸收峰，另一个敏感窗口的响应波长偏离待测气体的吸收峰。

优选的，所述的主控单元包括DSP处理器模块、供电模块、LCD显示模块、参数设置模块、数据存储模块和辅助模块；

所述的DSP处理器模块产生三路驱动信号，输出给所述的第一驱动单元上的直流信号产生模块和调制信号产生模块、所述的第二驱动单元上的直流信号产生模块；

所述DSP处理器模块通过LCD接口与所述的LCD电连接，所述DSP处理器模块通过按键接口与所述的参数设置模块电连接，所述DSP处理器模块与分别与所述的第一自适应信号处理单元和所述的第二自适应信号处理单元电连接，所述的DSP处理器模块分别与所述的数据存储模块、辅助模块电连接。

优选的，所述的第一自适应信号处理单元和第二自适应信号处理单元结构相同，均包括采样保持模块、AD转换模块和自适应信号处理模块，采样保持模块接收来自于放大滤波单元和所述自适应信号处理模块反馈的信号，进行采样，并输出；

所述的AD转换模块接收来自所述采样保持模块的信号，将电信号转换成数字信号，并输出；

所述的自适应信号处理模块接收来自于所述的AD转换模块的数字信号和所述主控单元的参数信号，进行自适应干扰抑制处理，将反馈信息输出到所述的采样保持模块，并将结果输出到主控单元。

优选的，所述的AD转换模块可同时采集两路模拟信号。

一种自适应红外气体检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：驱动单元产生两路不同的光源驱动信号，一路为叠加有直流信号的交流信号，另一路为直流信号；

S2：S1中所述的两路电信号分别驱动光源模块产生两路红外光信号，两路红外光信号具有相同的波长范围，区别在于，第一路光信号为被调制的光信号，第二路光信号为未被调制的光信号；

S3：S2中所述的两路光信号经过待测气体后，第一路电信号产生两路含噪信号，第二路电信号产生两路噪声信号；

S4：对S3中的四路信号进行滤波、放大处理；

S5：将一路含噪信号和与其对应的一路噪声信号为一组输入信号，进行自适应干扰抑制处理，得到参考信号和测量信号；

S6：对S5得到的参考信号和测量信号作差，将差值与参考信号做比值处理，得到参比值；根据计算得到的参比值和“浓度-参比值”关系曲线，计算出待测气体的浓度。

优选的，自适应干扰抑制处理的步骤如下：

1)设定自适应滤波器的滤波系数初值，包括前向/后向滤波系数、前向/后向误差因子、加权系数、增益系数，并初始化噪声信号序列和含噪信号序列的值；

2)按照设定采样频率，发出采样保持信号，而后采集对应的两路信号，包括一路含噪信号和与其对应的一路噪声信号，并将其构成当前轮次的含噪信号序列和噪声信号序列；

3)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的前向误差系数、前向滤波系数；

4)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的后向误差系数、增益系数、后向滤波系数；

5)根据上一轮次或初始化的加权系数向量和当前轮次的噪声信号序列，计算当前轮次的期望输出；

6)根据上一轮次计算得到的加权系数矢量或初始化的加权系数向量和当前轮次的含噪信号序列，计算当前轮次的误差输出信号；

7)根据上一轮次的加权系数矢量、当前轮次的增益系数、当前轮次的误差输出信号，计算当前轮次的加权系数；

8)查询DSP处理器模块是否发送“停止自适应气体检测”的命令，若未接收到“停止自适应检测”命令，则向主机发送当前轮次计算得到的误差输出信号，而后重复步骤4)～10)；若已接收到“停止自适应气体检测”命令，则回到步骤1)。

优选的，DSP处理器模块的工作流程如下：

1)初始化IO口、寄存器以及变量，并显示初始化信息；

2)读取参数设置模块的输入信息，查询“启动气体检测”命令；

3)若查询到“启动气体检测”命令，输出驱动信号；

4)查询“气体检测模式”，并将“气体检测模式+启动气体检测命令”同时经由串口1和串口2发送给第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块；

5)DSP处理器模块经由串口1和串口2的输入口读取第一自适应信号处理模块和第一自适应信号处理模块计算得到的电压信号；

6)DSP处理器模块进行运算，并将结果输出显示；

7)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“停止气体检测”命令；若未查询到该命令，则执行步骤5)～步骤7)；若查询到该命令，则向显示模块输出初始化信息，并执行步骤2)～步骤7)。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

提供了一种自适应红外气体检测装置和方法，一方面，在差分结构基础上，引入参考光源和外部环境因素感知池，从而构成包含四个通道的自适应光路，用来采集环境中对气体分子吸收特性有影响的干扰因素；另一方面，在后端，将具有相同波长的两个通道输出的电信号分别作为参考信号和含噪信号，采用自适应干扰抑制方法对二者进行处理；最终仍将得到两路信号，对二者做参比后，用来表征气体浓度。解决了传统差分式红外气体检测仪器及其所采用的经典电域滤波器无法滤除光/电两域统计特性无法预知噪声的技术难题，为复杂环境和干扰下的气体精确测量提供了新的解决方案。

附图说明

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

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一驱动单元电路图；

图3为第二驱动单元电路图；

图4为放大滤波单元电路图；

图5为第一自适应信号处理单元电路图；

图6为第二自适应信号处理单元电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参见图1，该装置由主控单元、第一驱动单元、第二驱动单元、第一光源模块、第二光源模块、第一开放式气室和第二开放式气室、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元、第一自适应信号处理单元和第一自适应信号处理单元组成；各单元之间的连接关系为：主控单元与第一驱动单元的两个输入端相连；第一驱动单元的输出端与第一光源模块的输入端相连；第一光源模块与第一探测器均固定在第一开放式气室上，且第一光源模块发出的红外光信号经第一开放式气室作用后入射到第一探测器的两个敏感窗口上；第一探测器的两个通道的输出端分别与第一放大滤波单元和第二放大滤波单元的输入端相连；第一放大滤波单元的输出端与第一自适应信号处理单元的输入端相连；

主控单元与第二驱动单元的两个输入端相连；第二驱动单元的输出端与第二光源模块的输入端相连；第二光源模块与第二探测器均固定在第二开放式气室上，且第二光源模块发出的红外光信号经第二开放式气室作用后入射到第二探测器的两个敏感窗口上；第二探测器的两个通道的输出端分别与第二放大滤波单元和第二放大滤波单元的输入端相连；

第一放大滤波单元的输出端与第一自适应信号处理单元的输入端相连；第一自适应信号处理单元和第二自适应信号处理单元的输出端out12和out22分别与主控单元的串口1输入端和串口2输入端相连；主控单元串口1的输出端和串口2的输出端分别与第一自适应信号处理单元和第二自适应信号处理单元的输入端in14和in24相连。

实施例

主控单元由DSP处理器模块、LCD显示模块、参数设置模块、数据存储模块、供电模块、辅助模块组成；各模块之间的连接关系为：LCD显示模块经由LCD接口与DSP处理器模块相连；参数设置模块经由按键接口与DSP处理器模块相连；数据存储模块、辅助模块与DSP处理器模块直接相连；供电模块产生各模块所需的工作电压；DSP处理器模块的串口1的输入端和输出端分别作为主控单元的输入信号1和输出信号1；DSP处理器模块的串口2的输入端和输出端分别作为主控单元的输入信号2和输出信号2；DSP处理器模块产生的驱动信号1、驱动信号2和驱动信号3作为主控单元提供的第一驱动单元和第二驱动单元的驱动信号。

第一驱动单元由第一直流信号产生模块、加法器模块、调制信号产生模块、第一压控恒流模块组成；各模块之间的连接关系为：直流信号产生模块的输出端和调制信号产生模块的输出端与加法器模块的两个输入端相连；加法器模块的输出端与压控恒流模块的输入端相连；直流信号产生模块以及调制信号产生模块的输入端作为第一驱动单元的两个输入端；第一压控恒流模块的输出端作为第一驱动单元的输出端。

第二驱动单元由第二直流信号产生模块及第二压控恒流模块组成；各模块之间的连接关系为：第二直流信号产生模块的输入端作为第二驱动单元的输入端；第二直流信号产生模块的输出端与第二压控恒流模块的输入端相连；第二压控恒流模块的输出端作为第二驱动单元的输出端。

第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元的结构均相同，由前置放大模块、滤波模块、主放大模块组成；第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元连接关系一致，各模块之间的连接关系为：前置放大模块的输入端分别作为第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元的输入端；前置放大模块的输出端分别与滤波单元的输入端相连；滤波模块的输出端分别与主放大模块的输入端相连；主放大模块的输出端分别作为第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元的输出端。

第一自适应信号处理单元和第二自适应信号处理单元的结构与连接关系相同，二者分别由第一采样保持模块和第二采样保持模块、第一AD转换模块和第二AD转换模块、第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块组成；各模块之间的连接关系为：第一采样保持模块和第二采样保持模块各有两个信号输入端和一个采样控制端，前者的输入端和控制端分别为in11、in12和in13，相应端口的输入信号分别记为in11s、in12s、in13s，后者的输入端和控制端分别为in21、in22和in23，相应端口的输入信号分别记为in21s、in22s、in23s；in11和in12作为第一自适应信号处理单元的输入端；in21和in22作为第二自适应信号处理单元的输入端；第一采样保持模块和第二采样保持模块的两个输出端分别与第一AD转换模块和第二AD转换模块的两个输入端相连；第一AD转换模块和第二AD转换模块的输出端分别和第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块的信号输入端相连；第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块各有两个输出端，第一自适应信号处理模块的两个输出端分别为out11和out12，相应端口的输出信号分别记为out11s、out12s，第二自适应信号处理模块的两个输出端分别为out21和out22，相应端口的输出信号分别记为out21s、out22s；out11与in13相连；out21与in23相连；out12和out22分别作为第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块的输出端，二者均与主控单元的DSP处理器模块电连接。

DSP处理器模块的主控芯片型号为TMS320F28335；辅助模块包括JTAG接口电路、复位电路及晶振电路，其中复位电路的核心器件型号为MAX811；数据存储模块的核心器件型号为IS61LV51216，其容量为8Mbit；显示模块型号为12864；参数设置模块采用4个独立式按键；供电模块的外接输入电压为24V，利用四个DC/DC芯片(包括一个WRA2412YMD、一个WRA2405YMD、两个WRA1205YMD)产生为整个装置供电的+/-12V电压和+/-5V电压、以及专门为第一探测器和第二探测器供电的隔离的+/-5V电压；+5V电压经过三端直流稳压器AMS1985和AMS1117-3.3产生数字电压D1.9V和D3.3V，二者经电感(L101、L102)和0欧电阻(R103)处理后，产生模拟电压A1.9V和A3.3V，为主控单元、第一驱动单元和第二驱动单元供电。

参见图2，调制信号产生模块的主控芯片为直接数字合成器，其型号为AD9851；第一直流信号产生模块的主控芯片为数模转换芯片LTC1655，稳压芯片AD780为其提供参考电压；加法器模块的主控芯片型号为运算放大器OP07；第一压控恒流模块由一个运算放大器(U204，型号为OP07)、3个三极管(Q201、Q202、Q203，型号为9013)、一个反馈电阻(R213)构成，它们构成负反馈电路；第一光源模块为热光源模块，其型号为IRL715；流经光源的电流由U204的输入电压和R213决定。

参见图3，第二直流信号产生模块的主控芯片为数模转换芯片LTC1655，稳压芯片AD780为其提供参考电压；第二压控恒流模块由一个运算放大器(U601，型号为OP07)、3个三极管(Q601、Q602、Q603，信号为9013)、一个反馈电阻(R602)构成，它们构成负反馈电路；第二光源模块为热光源模块，其型号为IRL715；流经光源的电流由U601的输入电压和R602决定。

参见图4，第一探测器和第二探测器分别独立供电，其供电电压为+/-5V，各具有的两个敏感窗口将分别产生两个电信号；第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元、第四放大滤波单元结构相同，分别具有三个模块，包括前置放大模块、滤波模块、主放大模块；前置放大模块由电压跟随器和仪表放大器构成，电压跟随器的主控芯片型号为运算放大器OP07，仪表放大器的主控芯片型号为INA116；放大滤波模块的主控芯片型号为MAX291，其截止频率由工作于多谐振荡器状态的NE555产生的方波信号的频率确定；主放大模块包括一个反相放大器和一个电压跟随器，二者的主控芯片型号均为OP07。

参见图5，第一自适应信号处理模块采用的主控芯片为ARM7系列处理器，其型号为LPC2131，其辅助电路包括复位电路、晶振电路、下载电路和电源电路；下载电路为RS232串行通信电路，其主控芯片型号为SP3232；电源电路的主控芯片型号为SPX1117M-3.3，它将输入的+5V电压转换为D3.3V电压，后者经进一步隔离后，产生A3.3V电压；第一采样保持模块由2片采样保持芯片构成，其型号为LF398；第一AD转换模块的主控芯片型号为AD7866，它可同时采集两路模拟信号。

参见图6，第二自适应信号处理模块采用的主控芯片为ARM7系列处理器，其型号为LPC2131，其辅助电路包括复位电路、晶振电路、下载电路和电源电路；下载电路为RS232串行通信电路，其主控芯片型号为SP3232；电源电路的主控芯片型号为SPX1117M-3.3，它将输入的+5V电压转换为D3.3V电压，后者经进一步隔离后，产生A3.3V电压；采样保持模块2由2片采样保持芯片构成，其型号为LF398；AD转换模块2的主控芯片型号为AD7866，它可同时采集两路模拟信号。

本发明利用第二光源、第二开放式气以及第二探测器构成环境因素感知池，采用第一探测器和第二探测器来共同测量气体浓度，采用的气体检测方法及其流程是：DSP处理器模块向第一驱动单元发送驱动信号1和2，后者产生叠加有直流信号的交流信号驱动第一光源模块；DSP处理器模块向第二驱动单元发送驱动信号3，后者产生直流信号驱动第二光源；第一光源模块发出的红外光信号经由气体吸收以及气室汇聚作用后达到第一探测器的两个通道；第一探测器的两个通道输出的电信号在放大滤波单元处理后产生in11s和in21s；第二光源发出的红外光信号经由气体吸收以及气室汇聚作用后达到第二探测器的两个通道；第二探测器的两个通道输出的电信号在放大滤波单元处理后产生in12s和in22s；第二自适应信号处理模块通过第一采样保持模块和第一AD转换模块采集信号in11s和in12s，将in12s作为噪声信号、in11s作为含噪信号，采用自适应干扰抑制算法对二者进行处理，最终得到输出信号out12s；与此同时，自适应信号处理器2通过第二采样保持模块和第二AD转换模块采集in21s和in22s的值，将in22s作为噪声信号、in12s作为含噪信号，采用自适应干扰抑制算法对二者进行处理，最终得到输出信号out22s。第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块将采集到的结果out12s和out22s经由串口1和串口2传送到DSP处理器模块；DSP处理器模块将接收到的out12s和out22s先做差，再将差值与out22s做比值处理，从而得到参比结果，并进一步结合拟合得到的“浓度-参比值”关系曲线，计算出待测气体的浓度。

DSP处理器模块的工作流程是：1)系统上电后，初始化IO口、寄存器以及变量，向LCD显示模块输出初始化信息；2)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“启动气体检测”命令；3)若查询到“启动气体检测”命令，DSP处理器模块项向第一驱动单元和第二驱动单元发出驱动信号1、驱动信号2、驱动信号3，并执行步骤4)；若未查询到“启动气体检测”命令，则回到步骤2)；4)DSP处理器模块查询“气体检测模式”，并将“气体检测模式+启动气体检测命令”同时经由串口1和串口2的输出口发送给第二自适应信号处理模块和自适应信号处理模块2；5)DSP处理器模块经由串口1和串口2的输入口读取第二自适应信号处理模块和自适应信号处理模块2计算得到的电压信号out12s和out22s；6)DSP处理器模块将接收到的out12s和out22s先做差，再将差值与out22s做比值处理，从而得到参比结果，并进一步结合拟合得到的“浓度-参比值”关系曲线计算出待测气体的浓度，并将其输出到LCD显示模块上。7)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“停止气体检测”命令；若未查询到该命令，则执行步骤5)～步骤7)；若查询到该命令，则向LCD显示模块输出初始化信息，并执行步骤2)～步骤7)。

第一自适应信号处理模块对信号in11s和in12s的采集、处理方法和流程如下：

1)第一自适应信号处理器模块等待接收DSP处理器模块的“启动自适应气体检测”命令；

2)设定自适应滤波器的滤波系数初值，包括前向/后向滤波系数、前向/后向误差因子、加权系数、增益系数；

3)设定滤波器长度，并初始化噪声信号序列和含噪信号序列的值(补零)；

4)第一自适应信号处理器模块按照设定采样频率，向第一采样保持模块发出采样保持信号out11s，而后通过第一AD转换模块采集in11s和in12s，并将其构成当前轮次的含噪信号序列和噪声信号序列；

5)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的前向误差系数、前向滤波系数；

6)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的后向误差系数、增益系数、后向滤波系数；

7)根据上一轮次或初始化的加权系数向量和当前轮次的噪声信号序列，计算当前轮次的期望输出信号；

8)根据上一轮次计算得到的加权系数矢量或初始化的加权系数向量和当前轮次的含噪信号序列，计算当前轮次的误差输出信号；

9)根据上一轮次的加权系数矢量、当前轮次的增益系数、当前轮次的误差输出信号，计算当前轮次的加权系数；

10)第一自适应信号处理器模块查询DSP处理器模块是否发送“停止自适应气体检测”的命令，若未接收到“停止自适应检测”命令，则向DSP处理器模块发送当前轮次计算得到的误差输出信号，而后重复步骤4)～10)；若已接收到“停止自适应气体检测”命令，则回到步骤1)。

第二自适应信号处理模块对信号in21s和in22s的采集、处理方法和流程如下：

1)第二自适应信号处理器模块等待接收DSP处理器模块的“启动自适应气体检测”命令；

2)设定自适应滤波器的滤波系数初值，包括前向/后向滤波系数、前向/后向误差因子、加权系数、增益系数；

3)设定滤波器长度，并初始化噪声信号序列和含噪信号序列的值(补零)；

4)第二自适应信号处理器模块按照设定采样频率，向第二采样保持模块发出采样保持信号out21s，而后通过第二AD转换模块采集in21s和in22s，并将其构成当前轮次的含噪信号序列和噪声信号序列；

5)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的前向误差系数、前向滤波系数；

6)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的后向误差系数、增益系数、后向滤波系数；

7)根据上一轮次或初始化的加权系数向量和当前轮次的噪声信号序列，计算当前轮次的期望输出；

8)根据上一轮次计算得到的加权系数矢量或初始化的加权系数向量和当前轮次的含噪信号序列，计算当前轮次的误差输出信号；

9)根据上一轮次的加权系数矢量、当前轮次的增益系数、当前轮次的误差输出信号，计算当前轮次的加权系数；

10)第二自适应信号处理器模块查询DSP处理器模块是否发送“停止自适应检测”的命令，若未接收到“停止自适应检测”命令，则向DSP处理器模块发送当前轮次计算得到的误差输出信号，而后重复步骤4)～步骤10)；若已接收到“停止自适应检测”命令，则回到步骤1)。

综上，本发明实施例具备如下有益效果：一方面，在差分结构基础上，引入参考光源和外部环境因素感知池，从而构成包含四个通道的自适应光路，用来采集环境中对气体分子吸收特性有影响的干扰因素；另一方面，在后端，将具有相同波长的两个通道输出的电信号分别作为参考信号和含噪信号，采用自适应干扰抑制方法对二者进行处理；最终仍将得到两路信号，对二者做参比后，用来表征气体浓度。解决了传统差分式红外气体检测仪器及其所采用的经典电域滤波器无法滤除光/电两域统计特性无法预知噪声的技术难题，为复杂环境和干扰下的气体精确测量提供了新型解决方案。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种自适应红外气体检测装置，包括：

第一光源模块、第二光源模块、第一开放式气室、第二开放式气室、第一自适应处理单元、第二自适应处理单元、主控单元、第一驱动单元、第二驱动单元、第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元和第四放大滤波单元；

所述的第一光源模块和所述的第二光源模块均用于产生近红外和中红外波段的光波信号，然后输出；

所述的第一开放式气室和所述的第二开放式气室用于存放待测气体，吸收与待测气体吸收峰一致的光波信号，并将光波信号转化为电信号，然后输出；

所述的第一自适应处理单元和第二自适应处理单元，用于对经过气室吸收后的信号进行自适应干扰抑制处理，然后输出；

所述的主控单元，用于接收并对自适应干扰抑制处理之后的信号进行处理，并根据处理结果和“浓度-参比值”关系曲线确定待测气体的浓度；

所述的第一驱动单元和第二驱动单元用于接收来自于所述主控单元的驱动信号，产生用于控制光源模块的电信号；所述的第一驱动单元包括：直流信号产生模块、调制信号产生模块、加法器模块和压控恒流模块；所述的直流信号产生模块产生直流信号，所述的调制信号产生模块产生调制信号，所述的加法器模块接收所述的直流信号产生模块和调制信号产生模块产生的电信号，将两信号相加，并输出；所述的压控恒流模块与加法器模块电连接；所述的第二驱动单元包括直流信号产生模块和压控恒流模块，所述的直流信号产生模块接收来自主控单元的电信号，产生直流信号，并输出；所述的压控恒流模块与所述的直流信号产生模块电连接，用于控制电流的强度，并输出；

所述的第一放大滤波单元、第二放大滤波单元、第三放大滤波单元和第四放大滤波单元结构相同，均包括前置放大模块、滤波模块、主放大模块；所述的前置放大模块与所述的滤波模块电连接，所述的滤波模块和所述的主放大模块电连接，用于对所述开放性气室输出的电信号进行滤波和放大；

其特征在于，所述的第一开放式气室和第二开放式气室均具有一个探测器，所述的探测器上均具有两个敏感窗口，其中一个敏感窗口的响应波长对应待测气体的吸收峰，另一个敏感窗口的响应波长偏离待测气体的吸收峰。

2.如权利要求1所述的自适应红外气体检测装置，其特征在于，所述的主控单元包括DSP处理器模块、供电模块、LCD显示模块、参数设置模块、数据存储模块和辅助模块；

所述的DSP处理器模块产生三路驱动信号，输出给所述的第一驱动单元上的直流信号产生模块和调制信号产生模块、所述的第二驱动单元上的直流信号产生模块；

所述DSP处理器模块通过LCD接口与所述的LCD电连接，所述DSP处理器模块通过按键接口与所述的参数设置模块电连接，所述DSP处理器模块与分别与所述的第一自适应信号处理单元和所述的第二自适应信号处理单元电连接，所述的DSP处理器模块分别与所述的数据存储模块、辅助模块电连接。

3.如权利要求1所述的自适应红外气体检测装置，其特征在于，所述的第一自适应信号处理单元和第二自适应信号处理单元结构相同，均包括采样保持模块、AD转换模块和自适应信号处理模块，采样保持模块接收来自于放大滤波单元和所述自适应信号处理模块反馈的信号，进行采样，并输出；

所述的AD转换模块接收来自所述采样保持模块的信号，将电信号转换成数字信号，并输出；

所述的自适应信号处理模块接收来自于所述的AD转换模块的数字信号和所述主控单元的参数信号，进行自适应干扰抑制处理，将反馈信息输出到所述的采样保持模块，并将结果输出到主控单元。

4.如权利要求3所述的自适应红外气体检测装置，其特征在于，所述的AD转换模块可同时采集两路模拟信号。

5.一种自适应红外气体检测方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：驱动单元产生两路不同的光源驱动信号，一路为叠加有直流信号的交流信号，另一路为直流信号；

S2：S1中所述的两路电信号分别驱动光源模块产生两路红外光信号，两路红外光信号具有相同的波长范围，区别在于，第一路光信号为被调制的光信号，第二路光信号为未被调制的光信号；

S3：S2中所述的两路光信号经过待测气体后，第一路电信号产生两路含噪信号，第二路电信号产生两路噪声信号；

S4：对S3中的四路信号进行滤波、放大处理；

S5：将一路含噪信号和与其对应的一路噪声信号为一组输入信号，进行自适应干扰抑制处理，得到参考信号和测量信号；

S6：对S5得到的参考信号和测量信号作差，将差值与参考信号做比值处理，得到参比值；根据计算得到的参比值和“浓度-参比值”关系曲线，计算出待测气体的浓度。

6.如权利要求5所述的自适应红外气体检测方法，其特征在于，自适应干扰抑制处理的步骤如下：

1)设定自适应滤波器的滤波系数初值，包括前向/后向滤波系数、前向/后向误差因子、加权系数、增益系数，并初始化噪声信号序列和含噪信号序列的值；

2)按照设定采样频率，发出采样保持信号，而后采集对应的两路信号，包括一路含噪信号和与其对应的一路噪声信号，并将其构成当前轮次的含噪信号序列和噪声信号序列；

3)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的前向误差系数、前向滤波系数；

4)根据滤波器各系数初值或上一轮次计算得到的滤波器各系数值，计算当前轮次的后向误差系数、增益系数、后向滤波系数；

5)根据上一轮次或初始化的加权系数向量和当前轮次的噪声信号序列，计算当前轮次的期望输出；

6)根据上一轮次计算得到的加权系数矢量或初始化的加权系数向量和当前轮次的含噪信号序列，计算当前轮次的误差输出信号；

7)根据上一轮次的加权系数矢量、当前轮次的增益系数、当前轮次的误差输出信号，计算当前轮次的加权系数；

8)查询DSP处理器模块是否发送“停止自适应气体检测”的命令，若未接收到“停止自适应检测”命令，则向主机发送当前轮次计算得到的误差输出信号，而后重复步骤4)～10)；若已接收到“停止自适应气体检测”命令，则回到步骤1)。

7.如权利要求5或6任一所述的自适应红外气体检测方法，其特征在于，DSP处理器模块的工作流程如下：

1)初始化IO口、寄存器以及变量，并显示初始化信息；

2)读取参数设置模块的输入信息，查询“启动气体检测”命令；

3)若查询到“启动气体检测”命令，输出驱动信号；

4)查询“气体检测模式”，并将“气体检测模式+启动气体检测命令”同时经由串口1和串口2发送给第一自适应信号处理模块和第二自适应信号处理模块；

5)DSP处理器模块经由串口1和串口2的输入口读取第一自适应信号处理模块和第一自适应信号处理模块计算得到的电压信号；

6)DSP处理器模块进行运算，并将结果输出显示；

7)DSP处理器模块读取参数设置模块的输入信息，查询“停止气体检测”命令；若未查询到该命令，则执行步骤5)～步骤7)；若查询到该命令，则向显示模块输出初始化信息，并执行步骤2)～步骤7)。