CN108663328B - 适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 - Google Patents
适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108663328B CN108663328B CN201710190917.6A CN201710190917A CN108663328B CN 108663328 B CN108663328 B CN 108663328B CN 201710190917 A CN201710190917 A CN 201710190917A CN 108663328 B CN108663328 B CN 108663328B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- unit
- signal
- optical
- noise
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 105
- 238000001914 filtration Methods 0.000 title claims abstract description 50
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 47
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 72
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 40
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 21
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 6
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 208000034699 Vitreous floaters Diseases 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000002795 fluorescence method Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000000790 scattering method Methods 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N2021/1738—Optionally different kinds of measurements; Method being valid for different kinds of measurement
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N2021/1738—Optionally different kinds of measurements; Method being valid for different kinds of measurement
- G01N2021/1744—Optionally different kinds of measurements; Method being valid for different kinds of measurement either absorption or scatter
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明有关一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，其包括：信号调制单元，对光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强。发明能够有效滤除平稳和非平稳的环境光噪音。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学水质测量仪器,特别涉及一种光噪音滤除装置。
背景技术
光学测量仪器，尤其是基于散射法,荧光法,透射法等的光学测量仪器在室外运行的过程中，如地表水体SS(悬浮颗粒物浓度)和COD(化学总需氧量)指标测量仪器中普遍面临环境光干扰，比如太阳光线中的紫外线和红外线也会经待测水样的反射和散射进入光电检测器。太阳是主要环境光干扰源，一般情况下，太阳光要比人造光的光强大，属于非调制光源，光谱带宽也很宽。而用于照明的人造光源通常是一种调制光，调制频率一般在50Hz，其频率与工频相等或者工频的谐波倍频上。总的来说，环境光的强度可看作是一个具有非零均值的随机过程(针对太阳光)和一个确定过程(针对人造光)的叠加，且其均值也会随着环境的变化如日照，天气状况和时间的推移发生缓慢变化，但是在一次测量的小时间尺度上,环境光的平均强度可以认为是恒定的。环境光对光电转换器的影响表现在两个方面：一是环境光的平均值做为背景光进入光电检测管，增加了光电检测管的工作电流，形成了一个额外的偏置电流，以及由此带来的散粒噪音。散粒噪音的大小与工作电流密切相关。二是环境光本身的随机性会在检测管的电流中叠加一个随机噪音。此外还需考虑到由于水体表面波纹、气泡和漂浮物等的影响，还有可能形成强噪音干扰。这种强干扰具有两个特点：一、反射光线的强度要比微弱的散射光线强很多，在电信号上表现为持续的非高斯强脉冲噪音。二、由于水中的气泡，漂浮物，泡沫以及水面波等变化相对缓慢，因此该强脉冲噪音的频谱集中在低频部分。这也就导致直接发射光信号，并检测接收光强度的方法，极易被光噪音污染，具有极低的信噪比，这就使得检测到的信号无法真实准确的反映出水样对光学信号的作用。因此光噪音的存在严重限制了光学散射法,透射法,荧光法等测量仪器的应用范围。
在尚未有较好的光噪音滤除装置的现状下，市场可见绝大多数光学水质测量仪器，如公开号为CN1912579A,名称为COD光电检测装置的中国专利申请及公开号为JP2010091309，名称为非接触水质测定装置的日本专利申请，公开的采用引流法将水样抽取至密闭箱体的检测池中进行光学后向散射法测量，通过增加复杂的引流过程和密闭箱体来克服环境光,漂浮物和气泡等的不利影响。采用类似引流方案的专利还有美国公开号为5,400,137的专利。但是引流式光学后向散射法测量仪器在成本、易部署性、可维护性和水样真实性上均表现较差。而公开号为EP 1241464A1的欧洲专利申请所公开的开放式光学后向散射法测量仪器虽然可以避免复杂的引流设备，从而解决上述问题，但是必须另外解决空间光噪音干扰的影响。
发明内容
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，使其能够有效解决光学法水质测量仪器在使用中遇到的环境光噪音干扰问题，同时能控制制造成本，提高其易部署性、可维护性和测量的实时性。
为了实现上述目的，依据本发明提出的一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，该光学水质测量系统包括光发射单元及光接收单元，该光噪音滤除装置包括：信号调制单元，对所述的光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从所述信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述的当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强。
本发明还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的光噪音滤除装置，其中所述的动态观测器包括：观测变量提取单元，残差向量计算单元，反馈矩阵计算单元及状态向量更新单元；所述观测变量提取单元，对输入的周期信号提取峰值或均值作为动态观测器的观测变量；所述的残差向量计算单元，利用动态观测器状态方程生成的观测向量估计与实际的观测向量取差值，生成残差向量送入状态向量更新单元；所述反馈矩阵计算单元，利用训练数据生成当前部署场景最优的反馈矩阵；所述状态向量更新单元，利用输入残差向量和所述反馈矩阵计算单元输出的反馈矩阵，以及当前状态向量，迭代计算出一组状态向量并更新当前状态向量。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明的光噪音滤除装置,至少具有下列优点:
一、本发明的光噪音滤除方法及装置,通过信号调制单元调制和相干检测器处理,在处理时有效滤除如太阳光，人造光源等相对平稳因素造成的随机过程参数恒定的环境光噪音，从而具备比基于非相干检测技术的系统更高效的滤除平稳、高斯的环境光噪音的能力。
二、本发明的光噪音滤除方法及装置,利用动态观测器,有效抑制由于水体表面泡沫、波纹、漂浮物等非平稳因素造成的随机过程参数非恒定的环境光噪音，提高测量准确性。
三、本发明的光噪音滤除方法及装置,能够有效滤除平稳和非平稳的环境光噪音，从而提高光学水质测量系统的信噪比，使其达到容易部署、维护方便和测量准确的目标。
附图说明
图1是本发明光噪音滤除装置的方框结构示意图。
图2是本发明光噪音滤除装置的发射信号示意图。
图3是本发明光噪音滤除装置的接收信号的示意图。
图4是本发明光噪音滤除装置的接收信号局部放大后的示意图。
图5是本发明光噪音滤除装置的相干检测器的示意图。
图6是本发明光噪音滤除装置滤除平稳光噪音后信号示意图。
图7是本发明光噪音滤除装置的动态观测器的方框示意图。
图8是本发明光噪音滤除装置滤除非平稳光噪音后信号示意图。
图9是本发明光噪音滤除装置工作过程的流程示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光噪音滤除方法及装置其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。
请参阅图1所示，是本发明光噪音滤除装置一实施例的方框示意图。本实施例的光噪音滤除装置200用于传统的光学水质检测装置100，光学水质检测装置100包括光发射单元1与光接收单元2。传统的光学水质检测装置100，在理想情况下，或是人为构建的理想情况如密闭引流池场景，光接收单元2即可通过检测由发射单元1所发射光信号经过目标水体12散射、反射或透射后的光信号强度，通过相关算法映射为相关水质参数。实际应用中，待测水样12散射的光信号(简称为检测光信号)中包括有效光、平稳光噪音和非平稳光噪音，其形态如图3所示。所述的有效光是指非接触水质测量装置所发射的光信号被待测水样12反射或散射的光信号，其强度或其他指标可以映射为相关水质参数。所述的平稳光噪音，是指参数恒定的环境光噪音，例如照明光、太阳光、工频干扰、热噪音或这些光线的反射光。所述的非平稳光噪音是指参数非恒定的环境光噪音，是由待测水样12中杂质反射的反射光，例如待测水样12中泡沫、漂浮物、波纹等随机杂质反射的反射光，所述非平稳光噪音是动态随机的。如背景技术所述在光学水质检测系统实际工作中，检测光信号不可避免的会受到各种环境光的干扰，所述光噪音滤除装置200附加于传统光学水质检测装置100之上工作，用以滤除光噪音，使得光学水质检测装置可以在常规环境下工作，无需设置密闭引流池，拓展其应用场景。
本发明一实施例的所述光噪音滤除装置200包括：与光发射单元1连接的信号调制单元3，与信号调制单元3连接的参考信号调理单元4，与光接收单元2和参考信号调理单元4连接的相干检测单元5，与相干检测单元5连接的自相关单元6，以及与自相关单元6连接动态观测器20以及用于输出的估计信号输出单元11。
所述信号调制单元3对光发射单元1发出的光信号进行光强度调制。光发射单元1发出光束的光强度随着信号调制单元3的驱动电流的变化而呈现周期性变化。所述信号调制单元3输出的电信号可以是典型的正弦波信号，也可以是但不限于线性调频波或者锯齿波为代表的其他类型电信号。例如所述光发射单元1在所述信号调制单元3的正弦波电信号调制下可以发出如图2所示的正弦波信号，则所述信号接收单元2接收的信号可以如图3所示的受到环境光噪音干扰后的正弦波信号，图4为其局部放大图。
所述信号调制单元3还包括一个电流检测器，电流检测器可以检测出所述驱动电流的变化并生成一个驱动信号的副本送至参考信号调理单元4。
所述参考信号调理单元4接收光调制单元3传递的与发射光调制波形同源的参考信号，执行信号整形、调相等操作，获得一个与理想接收光信号同相的参考信号。
所述的相干检测器5接收光接收单元2传递的检测光信号，放大后与参考信号调理单元4输出的同相参考信号。通过相干检测器5可以有效滤除检测光信号中的平稳光噪音。
所述自相关单元6利用峰值点检测或过零点检测方法对相干检测单元5输出的信号进行周期分割，对齐采样点后，进行自相关操作，用以进一步抑制电路产生的热噪音，提升信号信噪比，并将处理后的信号传递给动态观测器20。
所述的动态观测器20，接收该自相关单元6输入的直流信号，滤除检测光信号中的非平稳光噪音，输出当前状态向量。所述的动态观测器20包括观测变量提取单元7，残差向量计算单元8，反馈矩阵计算单元9及状态向量更新单元10。所述观测变量提取单元7，对输入的周期信号提取峰值或均值作为动态观测器的观测变量。所述的残差向量计算单元8，利用动态观测器状态方程生成的观测向量估计与实际的观测向量取差值，生成残差向量送入状态向量更新单元10。所述反馈矩阵计算单元9，利用训练数据生成当前部署场景最优的反馈矩阵。所述状态向量更新单元10，利用输入残差向量和所述反馈矩阵计算单元9输出的反馈矩阵，以及当前状态向量，迭代计算出一组状态向量并更新当前状态向量。
所述估计信号输出单元11，从状态向量中提取光强变量，作为滤除平稳光噪音和非平稳光噪音信号的有效光强输出。滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强输出如图8所示。
请参见图9所示，本发明所述的光噪音滤除装置工作过程包括如下步骤：
步骤s1，生成调制波形：信号调制单元3生成调制光发射单元1发射光强度的调制信号。该调制信号可以是如图2所示的典型正弦波信号，也可以是线性调频波或者锯齿波信号。
步骤s2，获取光电转换信号：光接收单元2接收待测水样12反射、散射或透射后光信号转换为的电信号。该信号在实际工作中受到环境光噪音污染，如图3所示信号形态，图4的局部信号放大示意图。
步骤s3，滤除平稳光噪音：相干检测单元5接收光接收单元2传递的电信号，利用参考信号调理单元4馈入的参考信号做相干检测，并在自相关单元6内做自相关操作，用以滤除信号中的平稳光噪音。
步骤s4，滤除非平稳光噪音：动态观测器滤除接收信号中的非平稳光噪音。
步骤s5，输出水体检测信号：针对动态观测器输出，形成与光学水质测量装置兼容的数字或模拟信号形式输出。
上述的步骤s3，滤除平稳光噪音，请参见图5所示，是本发明滤除平稳光噪音过程的示意图。所述的相干检测器5处理过程中，由于待测水样12的散射和吸收并不改变光信号的频率，因此光接收单元2传递的检测光信号与信号调制单元3送出的参考信号具有相同的频率，但相位有所不同。参考信号经过并经参考信号调理单元4可以调整到与接收信号相位同步。
下面对相干检测器5工作过程具体说明。设参考信号和待测电信号的角频率为ω，参考信号为r(t)＝A0sin(ωt+φ0),则经光接收单元2光电转换后得到的待测信号为s(t)＝Asin(ωt+φ)+n(t)，其中A0、A分别表示光发射单元1输出的参考信号幅度和光接收单元2光电转换并放大后的信号幅度；φ0、φ分别表示两信号相位；n(t)为平稳光噪音，包括诸如照明光、太阳光、工频干扰和/或热噪音等造成的随机过程参数恒定的环境光噪音。
所述参考信号和待测电信号在相干检测器5中经过相乘后输出信号So(t)＝r(t)·s(t)：
S0(t)＝A0Asin(wt+φ0)sin(wt+φ)+A0n(t)sin(wt+φ0)
输出信号在经过带通滤波与数字化后送入自相关单元6，通过过零点检测或峰值点检测等方法提取信号周期并进行滑动自相关操作。由于平稳噪音n(t)与信号不相关，所以输出信号中的第二项噪音分量经自相关以后为零，有效去除平稳光噪音，取均值后的输出信号只与信号的幅度A和相位差有关。由此可见，相干检测器5只对与参考信号同频率的信号进行放大,而与参考信号不同频率的信号经过自相关单元6的自相关处理后输出为零,可实现从噪音中提取出有用信号。进一步通过调整参考信号调理单元4的移相器，使得相位差调整到零，这样就能非常干净的检测出有效光强值。
针对随机过程参数恒定的环境光噪音(即平稳光噪音)，通过信号调制单元3的调制、和相干检测器5的解调，以及自相关单元6的噪音抑制可以有效的排除杂散光的影响，大大提高了微弱信号检测的信噪比。
上述的步骤s4，滤除非平稳光噪音，请参见图7所示，是本发明所述动态观测器的方框示意图。所述的动态观测器用于滤除接收信号中包含的非平稳光噪音，其包括观测向量提取单元7，残差向量计算单元8，反馈矩阵计算单元9，状态向量更新单元10。
如前所述，待测水样12散射光信号中包括有效光强、平稳光噪音和非平稳光噪音。其中，噪音非平稳光噪音与所述调制信号具有相同的频率，仅通过相干检测器5无法有效滤除，或者滤除效果较差。所述的非平稳光噪音的形成过程是由于水中泡沫、漂浮物、波纹等的运动过程中，入射光线被这些杂质的反射面发射的反射光进入光接收单元3形成的非平稳的环境光噪音。所述的动态观测器，通过状态空间建模和估计滤波来滤除非平稳光噪音，即从状态估计和滤波两方面出发，从含有大量强噪音的光强信号观测值中，滤除非平稳光噪音的干扰，去除观测噪音，估计出真实信号。
所述的待测水样12受到激励光作用产生的有效光的强弱变化可以视作一个随机运动过程，在光源强度不发生变化的条件下，其强弱变化受水体的散射特性和吸收特性的影响而呈现一定的运动变化过程，因此可以将有效光的强弱看做一个运动目标的动态系统，该动态系统的光强度动态变化，用下式(1)离散状态空间的状态方程来描述：
其中，
s是有效光强，也即为本系统的估计输出变量；
v是有效光强变化的快慢，即光强变化的速度；
a代表光强变化的加速度；
d代表水体的散射特性、吸收特性和环境光对光强的作用，相当于一个施加在光强系统上的外力，促使光强发生变化。
k代表对各信号(s，v，a，d)的第k次采样，采样间隔为T。
上述状态方程可以简化写作成矩阵形式
xk+1＝Axk+Bdk………………状态方程(1)
其中,xk＝[sk vk ak]T为状态向量,
和B＝[0 0 1]T。
实际检测时，待测水样12受激产生并由系统监测到的有效光强需要经过光接收单元2光电转换，相干检测器5的滤波与自相关单元6处理后得到最后输出观测信号y，由于环境光噪音、电子系统的热噪音、光电管散粒噪音、暗电流噪音的影响，即使经过相关检测器5与自相关单元6的处理，被抑制的噪音仍然会保留部分残余噪音强度，尤其的其中所包含的非平稳光噪音成分将有较大参与。这一过程等价于观测信号y在有效光强s上叠加了一个观测噪音μk。因此，观测信号y用下式观测方程(2)表述描述：
yk＝sk+μk………………观测方程(2)
其中，yk是指经过光电转换、放大、相干检测、自相关处理后得到的观测信号；
μk是指观测噪音，包括电子系统的热噪音、光电管散粒噪音、暗电流噪音所形成的平稳噪音被步骤s3滤除后的残余强度，和波纹、泡沫、漂浮物等造成的非平稳光噪音。呈现非平稳特性无法用相干检测或滤波等传统方法来抑制。
将观测方程(2)与状态方程(1)联立，得到散射光信号的状态空间模型。
所述动态观测器回路是一个具有自己的内在状态的动态子系统，可以用以下两个方程(3)(4)描述：
Zk+1＝K1Zk+K2(y-CXk)…………反馈回路状态方程(3)
Hk＝K3Zk+K4(y-CXk)…………反馈回路输出方程(4)
其中，Zk是一个m维的反馈回路的状态变量，有四个自由参数矩阵(K1,K2,K3,K4)可供调整，因此提供了更多的自由度来更好的实现在观测噪音μ为具有参数动态变化的非平稳随机噪音条件下，对系统中状态变量x的估计，以将此类非平稳随机噪音从信号中有效地滤除掉。
所述的反馈矩阵计算单元9在系统部署后，首先收集训练样本集，对样本集数据进行统计分析，根据噪音的分布特性，通过目标函数优化算法来选取增益矩阵(K1，K2，K3，K4)的最佳值，使得该观测器对高频信号呈现较大的衰减，同时保留有效信号，相关矩阵(K1，K2，K3，K4)参数写入动态观测器。
优选的，所述动态观测器，通过所述观测变量提取单元7，处理自相关单元6处理之后的信号，获得观测向量Y。在每个测量点n实际存在一组对应的数据观测值样本yn,k。针对每一个数据观测样本y即执行一次动态观测器。即仪器工作是依迭代模式执行下述步骤s41至s46处理每次观测数据。
步骤s41：在所述残差向量计算单元8，根据上次迭代过程得到的状态向量xk带入状态方程(1)，更新一次状态向量得到xk+1。
步骤s42：在所述残差向量计算单元8，根据状态向量xk+1和观测方程(2)计算出观测向量的一个估计值
步骤s43：在所述残差向量计算单元8，根据观测方程(2)，由状态向量xk+1得到新的观测向量的估计值
并将
与实际获得的观测向量yk+1相比较，计算出二者的差异值向量rk+1，称作残差向量。
步骤s44：在所述状态向量更新单元10，利用所述反馈矩阵计算单元9，将残差向量rk+1代入反馈回路子系统的状态方程(3)，并结合上次迭代过程的反馈回路子系统状态向量Zk计算出新的反馈回路子系统状态向量Zk+1
步骤s45：在所述状态向量更新单元10，根据反馈回路子系统的输出方程(4)，计算出反馈回路子系统的输出量Hk+1，并用Hk+1作为状态调整量,对步骤s41中得到的状态向量xk+2进行更新。
步骤s46：对状态向量xk+1中信号强度变量sk+1采用抽样或滑动平均等方法提取信号，作为动态观测器输出，即为滤除平稳光噪音和非平稳光噪音的有效接收光强。
所述的动态观测器针对每次采样获得的一组数据观测值样本，重复步骤s41至s46，就能够有效消除非平稳光噪音，其输出信号形态如图8所示,对光学法水质测量装置的信号质量有明显改进。
在理想情况下，光学水质测量装置所发射的光信号强度可以为恒定值，在经过空气光路和水体散射后，可以认为是受到一个恒定衰减系数作用后被接收并处理，在已知发射的光信号强度的前提下，可以通过简单解算即获得水体的散射系数。但是在实际测量中，光学水质测量装置将受到小时间尺度上由于阳光、照明光等平稳因素造成的随机过程参数恒定的环境光噪音和/或由于泡沫、漂浮物、波纹等非平稳因素造成随机过程参数非恒定的环境光噪音的影响。本发明通过发射光信号的调制、相干检测器和动态观测器来滤除平稳和非平稳的环境光噪音，改善了信号质量,达到了提升测量准确度的目的。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (1)
1.一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，该光学水质测量系统包括光发射单元及光接收单元，特征在于该光噪音滤除装置包括：
信号调制单元，对所述的光发射单元发出的光信号进行光强度调制；
参考信号调理单元，将从所述信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；
相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；
自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；
动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及
有效光强输出单元，从所述的当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强，
所述的动态观测器包括：观测变量提取单元，残差向量计算单元，反馈矩阵计算单元及状态向量更新单元；所述观测变量提取单元，对输入的周期信号提取峰值或均值作为动态观测器的观测变量；所述的残差向量计算单元，利用动态观测器状态方程生成的观测向量估计与实际的观测向量取差值，生成残差向量送入状态向量更新单元；所述反馈矩阵计算单元，利用训练数据生成当前部署场景最优的反馈矩阵；所述状态向量更新单元，利用输入残差向量和所述反馈矩阵计算单元输出的反馈矩阵，以及当前状态向量，迭代计算出一组状态向量并更新当前状态向量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710190917.6A CN108663328B (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710190917.6A CN108663328B (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108663328A CN108663328A (zh) | 2018-10-16 |
| CN108663328B true CN108663328B (zh) | 2020-06-30 |
Family
ID=63785953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710190917.6A Active CN108663328B (zh) | 2017-03-28 | 2017-03-28 | 适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108663328B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112345463B (zh) * | 2020-11-06 | 2022-08-12 | 武汉颐光科技有限公司 | 一种基于椭偏仪的待测样件参数测量方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5400137A (en) * | 1993-08-11 | 1995-03-21 | Texaco Inc. | Photometric means for monitoring solids and fluorescent material in waste water using a stabilized pool water sampler |
| CN1844890A (zh) * | 2006-05-18 | 2006-10-11 | 哈尔滨工程大学 | 激光水质测量方法及其测量仪 |
| CN1912579A (zh) * | 2006-08-30 | 2007-02-14 | 陈明 | Cod光电检测装置 |
| EP1241464B1 (en) * | 2001-03-17 | 2007-08-29 | Wrc Plc | Non-contact optical monitor |
| CN101082559A (zh) * | 2007-06-27 | 2007-12-05 | 上海理工大学 | 透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置 |
| JP2010091309A (ja) * | 2008-10-06 | 2010-04-22 | Jfe Engineering Corp | 非接触水質測定方法および装置 |
| US9097646B1 (en) * | 2010-06-23 | 2015-08-04 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Modulated sine waves for differential absorption measurements using a CW laser system |
-
2017
- 2017-03-28 CN CN201710190917.6A patent/CN108663328B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5400137A (en) * | 1993-08-11 | 1995-03-21 | Texaco Inc. | Photometric means for monitoring solids and fluorescent material in waste water using a stabilized pool water sampler |
| EP1241464B1 (en) * | 2001-03-17 | 2007-08-29 | Wrc Plc | Non-contact optical monitor |
| CN1844890A (zh) * | 2006-05-18 | 2006-10-11 | 哈尔滨工程大学 | 激光水质测量方法及其测量仪 |
| CN1912579A (zh) * | 2006-08-30 | 2007-02-14 | 陈明 | Cod光电检测装置 |
| CN101082559A (zh) * | 2007-06-27 | 2007-12-05 | 上海理工大学 | 透过率相关频谱法颗粒测量方法及其装置 |
| JP2010091309A (ja) * | 2008-10-06 | 2010-04-22 | Jfe Engineering Corp | 非接触水質測定方法および装置 |
| US9097646B1 (en) * | 2010-06-23 | 2015-08-04 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Modulated sine waves for differential absorption measurements using a CW laser system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108663328A (zh) | 2018-10-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9097646B1 (en) | Modulated sine waves for differential absorption measurements using a CW laser system | |
| CN104535530B (zh) | 一种高精度气体浓度检测方法及检测装置 | |
| US20070069943A1 (en) | Signal processing system and method | |
| CN101581787B (zh) | 基于最小均方算法的激光测云雷达信号自适应识别方法 | |
| CN106443708A (zh) | 一种大气颗粒物监测激光雷达数据处理方法 | |
| CN112285742B (zh) | 一种在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法 | |
| CN108051108A (zh) | 一种基于低脉冲能量高重频激光器的海水测温系统及方法 | |
| CN108663328B (zh) | 适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置 | |
| Pedireddi et al. | Characterization of atmospheric turbulence effects and their mitigation using wavelet-based signal processing | |
| CN108226896A (zh) | 一种基于相位生成载波的反正切算法探测水下目标的方法 | |
| Illig et al. | Enhanced hybrid lidar-radar ranging technique | |
| Li et al. | Atmospheric lidar noise reduction based on ensemble empirical mode decomposition | |
| Fischer et al. | Signal processing efficiency of Doppler global velocimetry with laser frequency modulation | |
| EP4402441A1 (en) | Signal processing methods for an optical detection system | |
| JP2012088174A (ja) | 周波数雑音測定装置及び測定方法 | |
| CN110971299B (zh) | 一种语音探测方法及系统 | |
| CN111735798A (zh) | 尾气黑烟测量系统 | |
| Chang et al. | Applying the Hilbert-Huang decomposition to horizontal light propagation C n 2 data | |
| Yu et al. | A new method for radar emitter individual identification based on VMD and multi-image feature combination | |
| Yang et al. | Performance analysis of moving average filtering used in TDLAS carbon dioxide sensing system | |
| Yan et al. | Research on a System Noise Simulation and Filtering Method in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Technology | |
| CN117073990B (zh) | 一种窄线宽激光器的线宽测试系统及测试方法 | |
| Liu et al. | A new measurement scheme for delay parameters in TDM fiber optic interferometric sensor network | |
| KR102355382B1 (ko) | 라이다 시스템의 신호 분석 장치 및 방법 | |
| Cao et al. | Study on the Noise Analysis of Weak Photoelectric Signal Detection in the Marine Environment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |