CN107561009A - 谐振腔出射光强确定方法、系统及测量设备、浓度探测器 - Google Patents

谐振腔出射光强确定方法、系统及测量设备、浓度探测器 Download PDF

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王晓东
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Abstract

本申请公开了一种谐振腔出射光强确定方法，包括：采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；利用经验模态分解算法分解时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号，然后对其进行信号重构，得到多组重构信号；计算多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差，确定均方根误差最小的重构信号为最终光强信号。高频噪声分量为原始光强信号受到谐振腔内部环境影响产生，通过本方法，最终光强信号中高频噪声分量极少，接近理想光强信号。实际操作中，在谐振腔衰荡测量设备中增加低通滤波器，该低通滤波器阻碍高频噪声通过，从而得到较为准确的测量结果。本申请还公开了谐振腔出射光强确定系统及一种衰荡测量设备、气体浓度探测器。

Description

谐振腔出射光强确定方法、系统及测量设备、浓度探测器
技术领域
本发明涉及腔体谐振衰荡测量，特别涉及一种谐振腔出射光强确定方法、系统及衰荡测量设备、气体浓度探测器。
背景技术
腔体衰荡光谱(CRDS，Cavity Ring-down Spectrum)是一种用于痕量气体浓度探测的技术，是一种近几十年发展起来的新型探测技术，其原理是测量气体的特征吸收峰，利用气体对特定波长的吸收特性，结合光强衰荡来精确痕量气体含量，目前广泛应用于甲烷、二氧化碳、一氧化碳等气体的浓度测量。
目前的痕量气体浓度探测是利用激光器通过高反射率谐振腔，获得较高的腔内能量累积，同时使用检测器接收谐振腔出射光，当光强达到设定上限阈值时，关闭激光器，开始衰荡过程，检测器接收到的能量达到设定的下限阈值，衰荡过程结束，记录由上限阈值到下限阈值之间的衰荡时间，利用朗伯比尔定律(Beer-Lambert Law)计算气体浓度。在实际测量时，探测器接收的出射光强信号极其微弱，容易噪声的干扰，这种干扰会使测量结果产生误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种谐振腔出射光强确定方法、系统及衰荡测量设备、气体浓度探测器，以得到较为准确的测量结果。其具体方案如下：
一种谐振腔出射光强确定方法，包括：
采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；
利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；
计算所述多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差；
将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
优选的，所述采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号的过程包括：
实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
优选的，所述利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号中的过程之前，包括：
去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。
优选的，所述利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号中的过程包括：
对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
相应的，本发明公布了一种谐振腔出射光强确定系统，包括：
获取模块，用于采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
分解模块，用于利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；
重构模块，用于利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；
误差计算模块，用于计算所述多组重构信号中每组重构信号和理想光强信号的均方根误差；
确认模块，将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
优选的，所述获取模块包括：
监测单元，用于实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
采集单元，用于当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
优选的，所述系统还包括：
低通滤波模块，用于去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。
优选的，所述重构模块具体用于：
对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
相应的，本发明还公布了一种谐振腔衰荡测量设备，包括：
起偏器；
激光器，用于将激光光束通过所述起偏器入射到谐振腔内；
检测器，用于采集所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号；
低通滤波器，用于去除所述时序光强信号中高于第二预设频率的噪音信号，得到消噪后光强信号；其中，所述第二预设频率为利用上文中谐振腔出射光强确定方法确定的最终光强信号的最高频率。
相应的，本发明还公布了一种气体浓度探测器，包括如上述的谐振腔衰荡测量设备和谐振腔。
本发明公布了一种谐振腔出射光强确定方法，包括：采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；计算所述多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差；将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。现有技术中的高频噪声分量为原始光强信号受到谐振腔内部环境影响产生，通过本发明方法，得到的最终光强信号中高频噪声分量极少，接近理想光强信号，也即剔除了原始光强信号中的高频噪声。实际操作中，在谐振腔衰荡测量设备中增加低通滤波器，该低通滤波器的通过频率上限为上述方法中最终光强信号的最高频率，阻碍高于通过频率上限的高频噪声通过，从而达到了对原光强信号消噪的目的，得到较为准确的测量结果。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种谐振腔出射光强确定方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例的一种谐振腔出射光强确定方法的子步骤流程图；
图3为本发明实施例的一种谐振腔出射光强确定系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种谐振腔衰荡测量设备的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明实施例公开了一种谐振腔出射光强确定方法，参见图1所示，包括：
S1：采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
可以理解的是，该步骤具体包括：
预先开启激光器，激光光束经起偏器转换后入射到谐振腔内，在腔内谐振进行能量累积；
实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
S2：利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF(intrinsicmode function，本征模函数)分量和趋势信号；
本实施例使用的经验模态分解，是一种非线性、非平稳时间序列的分析方法，它可以对原始序列进行线性化、平稳化处理，并在分解过程中保持原始序列自身的特征；根据信号本身的时间尺度特征，将信号分解为满足以下两个必要条件的一组IMF分量：
1)在该分量的数据序列中，极值点的个数与过零点数最多相差一个；
2)对于任意一点，有局部极大值点构成的上包络线，要与有极小值点构成的下包络线关于时间轴对称。
经验模态分解的具体过程可以参见图2，步骤如下：
S21：将近红外光透射光强的时间序列用x(t)表示，t为时间，t＝1，2，...，N，将x(t)作为输入信号r；
S22：找出时间序列x(t)的全部极值点；
S23：利用三次样条函数对所有极值点进行插值处理，插值后的数据点拟合形成原信号的上、下包络线；
S24：取两条包络线的平均值m1(t)；
S25：用原始信号x(t)减去m1(t)得到一个新数据序列h1(t)：
h1(t)＝x(t)-m1(t)
S26：判断h1(t)是否IMF的两个必要条件；
判断结果为是，执行步骤S27；
判断结果为否，将h1(t)作为原始信号，并返回执行步骤S21；
S27：获取第1个IMF分量：c1(t)＝h1(t)
S28：用x(t)减去c1(t)得到一个新数据序列r1(t)，将r1(t)作为原始信号重复步骤S21，可得到c2(t)，c2(t)，…，cn(t)：
其中，IMF分量的频率按照角标序号由高到低。
S29：判断rn(t)是否为单调函数；
判断结果为否，返回执行步骤S21；
判断结果为是，将rn(t)为x(t)分解后的趋势项，也即趋势信号；分解结束，x(t)可表示为：
S3：利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；
具体信号重构的方式为，对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
例如，得到第k组重构信号的具体计算如下：
进一步的，由于理想光强信号为低频信号，时序光强信号中所含的噪声为高频，所以可以在进行信号重构之前，预先去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。这里超出第一预设频率为不需使用算法区分的、已经确定的高频噪音，因此将高于第一预设频率的IMF分量除去，相当于除去一部分已经确定的高频噪音，对剩余的IMF分类和趋势信号进行重构。
例如，当去掉前l组IMF分量时，得到的其余分量表示为:
得到第k组重构信号的具体计算与前文相同，注意l＜k＜n。
S4：计算所述多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差；均方根误差越小，表明滤波的效果越好。
其中，第k组重构信号的均方根误差为：
S5：将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
本实施例公布了一种谐振腔出射光强确定方法，包括：采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；计算所述多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差；将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。现有技术中的高频噪声分量为原始光强信号受到谐振腔内部环境影响产生，通过本实施例方法，得到的最终光强信号中高频噪声分量极少，接近理想光强信号，也即剔除了原始光强信号中的高频噪声。实际操作中，在谐振腔衰荡测量设备中增加低通滤波器，该低通滤波器的通过频率上限为上述方法中最终光强信号的最高频率，阻碍高于通过频率上限的高频噪声通过，从而达到了对原光强信号消噪的目的，得到较为准确的测量结果。
相应的，本实施例公布了一种谐振腔出射光强确定系统，参见图3所示，包括：
获取模块01，用于采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
优选的，所述获取模块可以包括：
监测单元，用于实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
采集单元，用于当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
分解模块02，用于利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；
重构模块03，用于利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；具体的，该重构模块03用于对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
误差计算模块04，用于计算所述多组重构信号中每组重构信号和理想光强信号的均方根误差；
确认模块05，将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
优选的，所述系统还可以包括：
低通滤波模块，用于去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。
相应的，本实施例还公布了一种谐振腔衰荡测量设备，参见图4所示，包括：
起偏器11；
激光器12，用于将激光光束通过所述起偏器入射到谐振腔内；
具体的，该激光器为连续波长激光器，激光光束经起偏器转换为S线偏振光，S线偏振光先后经过准直镜和模式匹配镜入射到谐振腔内，在腔内进行能量累积。
检测器13，用于采集所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号；
低通滤波器14，用于去除时序光强信号中高于第二预设频率的噪音信号，得到消噪后光强信号；其中，所述第二预设频率为利用上文中谐振腔出射光强确定方法确定的最终光强信号的最高频率。
相应的，本实施例还公布了一种气体浓度探测器，包括如上文中的谐振腔衰荡测量设备和谐振腔。
最后，还需要说明的是，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。
以上对本发明所提供的一种谐振腔出射光强确定方法、系统及衰荡测量设备、气体浓度探测器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种谐振腔出射光强确定方法，其特征在于，包括：
采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；
利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；
计算所述多组重构信号中每组重构信号与理想光强信号的均方根误差；
将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号的过程包括：
实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号中的过程之前，包括：
去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号中的过程包括：
对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
5.一种谐振腔出射光强确定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于采集谐振腔出射光强，得到一组时序光强信号；
分解模块，用于利用经验模态分解算法分解所述时序光强信号，得到多组IMF分量和趋势信号；
重构模块，用于利用所述多组IMF分量和所述趋势信号进行信号重构，得到多组重构信号；
误差计算模块，用于计算所述多组重构信号中每组重构信号和理想光强信号的均方根误差；
确认模块，将所述多组重构信号中均方根误差最小的重构信号确定为所述谐振腔的最终光强信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述获取模块包括：
监测单元，用于实时监测所述谐振腔在能量累积过程中的出射光强，得到实时出射光强；
采集单元，用于当实时出射光强达到预设上限阈值，则停止所述谐振腔的能量累积过程，并采集当前所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：
低通滤波模块，用于去除所述多组IMF分量中的高于第一预设频率的IMF分量，得到剩余的IMF分量。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述重构模块具体用于：
对任一组IMF分量、排列在该组之后的所有IMF分量、所述趋势信号进行叠加，得到对应该组序号的一组重构信号。
9.一种谐振腔衰荡测量设备，其特征在于，包括：
起偏器；
激光器，用于将激光光束通过所述起偏器入射到谐振腔内；
检测器，用于采集所述谐振腔在预设强度范围内的出射光强，得到一组时序光强信号；
低通滤波器，用于去除所述时序光强信号中高于第二预设频率的噪音信号，得到消噪后光强信号；其中，所述第二预设频率为利用权利要求1至4任一项谐振腔出射光强确定方法确定的最终光强信号的最高频率。
10.一种气体浓度探测器，其特征在于，包括如权利要求9所述的谐振腔衰荡测量设备和谐振腔。
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