CN110346346B - 一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法 - Google Patents

一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，属于光学检测领域。本发明包括如下步骤：步骤1，将混合气体通入气体腔；步骤2，使用激光照射气体腔；步骤3，调整滤光模块的滤光范围，使信号检测与处理模块接收所有满足条件的混合气体拉曼信号f；步骤4，判断信号检测与处理模块接收到的拉曼信号总量是否等于pm‑pn+p个，当判断为是时，进入步骤6，当判断为否时，进入步骤5；步骤5，改变激光波长，进入步骤3；步骤6，对拉曼信号使用压缩感知算法进行计算，得到单一气体的重构拉曼能量值；步骤7，根据公式计算得每种气体的浓度。本发明无需改变现有拉曼气体检测装置，所以，能够快速便捷地定量检测出拉曼信号较弱的气体。

Description

一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法
技术领域
本发明涉及一种气体检测方法，具体涉及一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，属于光学检测领域。
背景技术
石油，天然气等能源开采过程中会遇到大量的未知混合气体，及时有效的分析未知混合气体的成分及含量对提高油气勘探成功率意义重大。
传统的气体检测方法有红外分析、气相色谱分析、质谱分析以及拉曼光谱分析等几种。
然而，红外分析往往只能分析单一成分且量程范围小，常见气体中氮气、氧气和氢气没有红外效应，不能被红外分析检测到。气相色谱分析需要载气和色谱柱，响应时间长且需要专业人员操作。质谱分析所需的质谱仪价格昂贵，维护成本高，操作复杂，不适合在开采现场在线使用。现有技术中的拉曼光谱分析，由于单一气体的拉曼散射光谱信号的强度十分弱小，约为入射光强度的10-4到10-3左右，使得准确的采集拉曼散射线十分困难，任何噪声背景信号都可能把拉曼信号淹没，导致精度较差。
综上所述，现有技术中的气体检测方法要么检测范围小，要么设备复杂，要么精度较差。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法。
本发明提供了一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，该方法使用包括激光光源、气体腔、滤光模块以及信号检测与处理模块的拉曼气体检测装置分别检测由斯托克斯波长从小到大依次为λ1，λ2，…，λm的m种气体组成的混合气体中各气体的浓度，在检测过程中，所述激光光源总共使用了p种不同波长的光照射所述气体腔，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将经过过滤和干燥的所述混合气体通入所述气体腔，进入步骤2；步骤2，使用所述激光光源发出的特定波长的光照射所述气体腔，进入步骤3；步骤3，调整所述滤光模块的滤光范围，使所述信号检测与处理模块分别接收所有满足条件的混合气体拉曼信号f，进入步骤4，所述满足条件的混合气体拉曼信号f为斯托克斯波长为λa-λn+a-1之间的n种混合气体拉曼信号fa；步骤4，判断所述信号检测与处理模块接收到的拉曼信号总量是否等于pm-pn+p个，当判断为是时，进入步骤6，当判断为否时，进入步骤5；步骤5，将所述激光光源发出的光的波长改变为未曾使用过的波长，进入步骤3；步骤6，所述信号检测与处理模块对得到的pm-pn+p个n种混合气体拉曼信号使用压缩感知算法进行计算，计算得到单一气体的重构拉曼能量值，进入步骤7；步骤7，根据单一气体的所述重构拉曼能量值，根据公式
Figure BDA0002115260470000021
计算，即得每种气体的浓度C，式中，xcs为单一气体的重构拉曼能量值，E100为单一气体含量为100％时的拉曼能量值，E0为单一气体含量为0％时的拉曼能量值，其中，所述m为大于等于2的正整数，所述1＜n≤m且所述n为正整数，所述1≤a≤m-n+1且所述a为正整数，所述p≥1且所述p为正整数。
在本发明提供的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述压缩感知算法使用的公式为：
xcs＝arg min:||x||1s.t y＝Фx，
式中，y为混合气体拉曼信号，x为单一气体的拉曼能量值，xcs为经压缩感知算法重构后的单一气体的拉曼能量值，arg min:||||1为运算符，表示用L1范数，求得满足后面约束条件的元素模值和最小的x，Ф为(pm-pn+p)×pm矩阵，
所述(pm-pn+p)×pm矩阵为
Figure BDA0002115260470000031
式中，每一行均有n个1以及pm-n个0。
在本发明提供的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，拉曼气体检测装置包括激光光源、气体腔、滤光模块以及信号检测与处理模块，激光光源发出的光依次通过气体腔以及滤光模块最终被信号检测与处理模块接收。
在本发明提供的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，拉曼气体检测装置还包括设置在激光光源与气体腔之间的透镜，该透镜用于均匀分布光场。
在本发明提供的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，单一气体含量为100％时的拉曼能量值通过气体拉曼检测装置测定，测定方法包括如下步骤：使用氩气驱除气体腔内的余气后，向气体腔内通入99.9vol％的待测气体和0.1vol％氩气使气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为200-300mL/min，开启激光光源，激光光源发出的光依次通过气体腔以及滤光模块，被信号检测与处理模块接收，信号检测与处理模块计算得到单一气体含量为100％时的拉曼能量值。
在本发明提供的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法中，还可以具有这样的特征：其中，单一气体含量为0％时的拉曼能量值通过气体拉曼检测装置测定，测定方法包括如下步骤：使用氩气驱除气体腔内的余气后，向气体腔内通入纯度不低于99.999％的氩气使气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为200-300mL/min，开启激光光源，激光光源发出的光依次通过气体腔以及滤光模块，被信号检测与处理模块接收，信号检测与处理模块计算得到单一气体含量为0％时的拉曼能量值。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，因为无需改变现有的拉曼气体检测装置，通过改变滤光模块的滤光范围得到了多组气体拉曼信号，气体拉曼信号经过压缩感知算法的处理和简单的计算，即可得到混合气体中各气体的浓度，所以，本发明快速便捷，还能够在浓度交底时定量检测出拉曼信号较弱的气体。
附图说明
图1是本发明一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的实施例的流程图；以及
图2是本发明一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的实施例中使用的拉曼气体检测装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的实施例的流程图。
一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法使用拉曼气体检测装置分别检测由m种气体组成的混合气体中各气体的浓度。本实施例中对4种气体组成的混合气体进行检测。
图2是本发明一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的实施例中使用的拉曼气体检测装置示意图。
如图2所示，拉曼气体检测装置包括多波长激光光源1、透镜2、气体腔3、滤光模块4以及信号检测与处理模块5。多波长激光光源1发出的光依次通过透镜2、气体腔3以及滤光模块4最终被信号检测与处理模块5接收。
图1是本发明一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的实施例的流程图。
如图1所示，一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，包括如下步骤：
步骤1，将经过过滤和干燥的气体浓度为2％H2、15％CH4、5％O2、8％CO2以及作为背景气的70％氩气配制成待测混合气体通入气体腔3，进入步骤2，由于氩气不会产生拉曼信号，所以在本实施例中作为背景气，不会影响实验结果；
4种气体的拉曼频移、斯托克斯波长如表1所示。
表1 4种气体的拉曼频移、斯托克斯波长
Figure BDA0002115260470000061
步骤2，使用多波长激光光源1发出波长为632.8nm的光照射气体腔3，进入步骤3；
步骤3，调整滤光模块4的滤光范围至685-710nm，使信号检测与处理模块5接收O2与CO2两种混合气体拉曼信号f1，在本实施例中拉曼信号均为拉曼能量值，
调整滤光模块4的滤光范围至696-790nm，使信号检测与处理模块5接收O2与CH4两种混合气体拉曼信号f2，
调整滤光模块4的滤光范围至770-880nm，使信号检测与处理模块5接收H2与CH4两种混合气体拉曼信号f3，进入步骤4，
步骤4，由于信号检测与处理模块5接收到的混合气体拉曼信号总量不等于6个，进入步骤5；
步骤5，将多波长激光光源1发出的光的波长调整为632.8nm，进入步骤3；
步骤3，调整滤光模块4的滤光范围至800-850nm，使信号检测与处理模块5接收O2与CO2两种混合气体拉曼信号f1'，
调整滤光模块4的滤光范围至820-950nm，使信号检测与处理模块5接收O2与CH4两种混合气体拉曼信号f2'，
调整滤光模块4的滤光范围至920-1080nm，使信号检测与处理模块5接收H2与CH4两种混合气体拉曼信号f3'，进入步骤4；
步骤4，由于信号检测与处理模块5接收到的混合气体拉曼信号总量等于6个，进入步骤6；
步骤6，信号检测与处理模块5将收到的6个混合气体拉曼信号，使用压缩感知算法进行计算，计算完成后进入步骤7，
计算公式如下：
xcs＝arg min:||x||1s.t y＝Фx，
式中，y为混合气体拉曼信号，在本实施例中
Figure BDA0002115260470000081
x为单一气体的拉曼能量值，xcs为经压缩感知算法重构后的单一气体的拉曼能量值，arg min:||||1为运算符，表示用L1范数，则求得满足后面约束条件的元素模值和最小的x，
在本实施例中，Ф为6×8矩阵，具体地，
Figure BDA0002115260470000082
步骤7，将单一气体的重构拉曼能量值，带入公式
Figure BDA0002115260470000083
计算，即得每种气体的浓度C，
式中，xcs为单一气体的重构拉曼能量值，E100为单一气体含量为100％时的拉曼能量值，E0为单一气体含量为0％时的拉曼能量值，即背景值。
在本实施例中，E100使用图2所示的气体拉曼检测装置测定，测定方法为使用氩气驱除气体腔内的余气后，向气体腔内通入99.9vol％的待测气体和0.1vol％氩气使气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为250mL/min，开启多波长激光光源，多波长激光光源发出的光依次通过透镜、气体腔以及滤光模块，被信号检测与处理模块接收，信号检测与处理模块计算得到单一气体含量为100％时的拉曼能量值。
具体地，单一气体含量为100％时的拉曼能量值使用实时检测光子数表示，本实施例中涉及到的气体的单一气体含量为100％时的拉曼能量值如表2所示。
表2单一气体的实时检测光子数
Figure BDA0002115260470000091
在本实施例中，E0使用图2所示的气体拉曼检测装置测定，测定方法包括如下步骤：使用氩气驱除气体腔内的余气后，向气体腔内通入纯度不低于99.999％的氩气使气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为200-300mL/min，开启多波长激光光源，多波长激光光源发出的光依次通过透镜、气体腔以及滤光模块，被信号检测与处理模块接收，信号检测与处理模块计算得到单一气体含量为0％时的拉曼能量值。
本实施例中，基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法的检测结果与误差，如表3所示，
表3检测结果与误差
气体实际浓度 检测气体浓度 误差
H<sub>2</sub> 2 1.8968 5％
CH<sub>4</sub> 15 13.9265 7％
O<sub>2</sub> 5 4.8585 3％
CO<sub>2</sub> 8 7.7352 3％
由上表可知，本发明提供的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法对低浓度的气体有很好的检测精准度，误差均在7％以下。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，因为无需改变现有的拉曼气体检测装置，通过改变滤光模块的滤光范围得到了多组气体拉曼信号，气体拉曼信号经过压缩感知算法的处理和简单的计算，即可得到混合气体中各气体的浓度，所以，本实施例快速便捷，还能够在浓度交底时定量检测出拉曼信号较弱的气体。
进一步地，根据本实施例所涉及的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，由于使用了压缩感知算法，所以本实施例能够提高气体检测的精准度，检测效果好。
进一步地，根据本实施例所涉及的一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，由于单一气体含量为100％时的拉曼能量值与单一气体含量为0％时的拉曼能量值均事先标定且一次标定终身受益，所以，可靠性高，受环境影响小。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，该方法使用包括激光光源、气体腔、滤光模块以及信号检测与处理模块的拉曼气体检测装置分别检测由斯托克斯波长从小到大依次为λ1，λ2，…，λm的m种气体组成的混合气体中各气体的浓度，在检测过程中，所述激光光源总共使用了p种不同波长的光照射所述气体腔，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将经过过滤和干燥的所述混合气体通入所述气体腔，进入步骤2；
步骤2，使用所述激光光源发出的特定波长的光照射所述气体腔，进入步骤3；
步骤3，调整所述滤光模块的滤光范围，使所述信号检测与处理模块分别接收所有满足条件的混合气体拉曼信号f，进入步骤4，
所述满足条件的混合气体拉曼信号f为斯托克斯波长为λa-λn+a-1之间的n种混合气体拉曼信号fa；
步骤4，判断所述信号检测与处理模块接收到的拉曼信号总量是否等于pm-pn+p个，
当判断为是时，进入步骤6，当判断为否时，进入步骤5；
步骤5，将所述激光光源发出的光的波长改变为未曾使用过的波长，进入步骤3；
步骤6，所述信号检测与处理模块对得到的pm-pn+p个n种混合气体拉曼信号使用压缩感知算法进行计算，计算得到单一气体的重构拉曼能量值，进入步骤7；
步骤7，根据单一气体的所述重构拉曼能量值，根据公式
Figure FDA0003222591970000021
计算，即得每种气体的浓度C，
式中，xcs为单一气体的重构拉曼能量值，E100为单一气体含量为100％时的拉曼能量值，E0为单一气体含量为0％时的拉曼能量值，
其中，所述m为大于等于2的正整数，
1＜n≤m且所述n为正整数，
1≤a≤m-n+1且所述a为正整数，
所述p≥1且所述p为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，其特征在于：
其中，所述压缩感知算法使用的公式为：
xcs＝arg min:||x||1s.t y＝Фx，
式中，y为混合气体拉曼信号，x为单一气体的拉曼能量值，xcs为经压缩感知算法重构后的单一气体的拉曼能量值，arg min:||||1为运算符，表示用L1范数，求得满足后面约束条件的元素模值和最小的x，Ф为(pm-pn+p)×pm矩阵，
所述(pm-pn+p)×pm矩阵为
Figure FDA0003222591970000022
式中，每一行均有 n个1以及pm-n个0。
3.根据权利要求1所述的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，其特征在于：
其中，所述拉曼气体检测装置包括所述激光光源、所述气体腔、所述滤光模块以及所述信号检测与处理模块，所述激光光源发出的光依次通过所述气体腔以及所述滤光模块最终被所述信号检测与处理模块接收。
4.根据权利要求3所述的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，其特征在于：
其中，所述拉曼气体检测装置还包括设置在所述激光光源与所述气体腔之间的透镜，该透镜用于均匀分布光场。
5.根据权利要求1所述的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，其特征在于：
其中，所述单一气体含量为100％时的拉曼能量值通过所述气体拉曼检测装置测定，测定方法包括如下步骤：
使用氩气驱除所述气体腔内的余气后，向所述气体腔内通入99.9vol％的待测气体和0.1vol％氩气使所述气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为200-300mL/min，开启所述激光光源，所述激光光源发出的光依次通过所述气体腔以及所述滤光模块，被所述信号检测与处理模块接收，所述信号检测与处理模块计算得到所述单一气体含量为100％时的拉曼能量值。
6.根据权利要求1所述的基于压缩感知关联算法的拉曼气体检测方法，其特征在于：
其中，所述单一气体含量为0％时的拉曼能量值通过所述气体拉曼检测装置测定，测定方法包括如下步骤：
使用氩气驱除所述气体腔内的余气后，向所述气体腔内通入纯度不低于99.999％的氩气使所述气体腔内压强为一个标准大气压，气体流量为200-300mL/min，开启所述激光光源，所述激光光源发出的光依次通过所述气体腔以及所述滤光模块，被所述信号检测与处理模块接收，所述信号检测与处理模块计算得到所述单一气体含量为0％时的拉曼能量值。
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