CN111193494A - 一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过采用波长调制并结合正交解调方法，将混有干扰噪声的吸收信号中的二倍高频窄带成分信号提取出来，即可将宽带直接吸收信号转移至窄带高频点，实现第一层抗噪；信号调理部分对采集前的二次谐波信号在硬件上做了带宽限制和线性放大，进一步提高信号信噪比及降低带宽外噪声，在硬件上实现了第二层抗噪；最后信号优化处理单元对调理过后的二次谐波信号做优化处理，得到优化二次谐波信号，有效克服了电路内部的不稳定因素会给二次谐波信号带来噪声，进一步提高了信号信噪比。本发明通过多级联合抗噪方法，保证了玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及基于波长调制技术的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法。
背景技术
在制药行业中，为了保证玻璃药瓶内药物的无菌性，在药瓶生产过程中需要对瓶内氧气浓度进行检测，国际上已有公司对密封玻璃药瓶内的氧气浓度进行检测，如美国的LIGHTHOUSE公司，意大利的贝威蒂公司等。然而，生产线线上密封玻璃药瓶(如：西林药瓶)的在线氧气浓度探测任务需要在开放光路环境中完成。其中，由于玻璃瓶内的激光光路极短，且氧气的激光光强吸收率也十分微弱，造成检测信号本身是一个弱信号，再次在开放光路中，光学器件之间的标准具效应造成的光干涉噪声、电路间连接不稳定所带来的电磁噪声、仪器构件的震动引起的随机噪声都会在弱检测信号上叠加多重干扰噪声。如何实现强干扰背景下的弱检测信号噪声抑制鲁棒性是完成高精度高可靠玻璃瓶内气体浓度检测的关键前提。
目前，气体浓度检测信号的噪声抑制方法研究中，LIU等提出利用小波变换的方法对检测信号进行抗噪处理及基线校正，这种算法能够提高检测信号的信噪比，但是不同的小波函数及分解层数都会带来差异较大的滤波效果，Meng等提出利用经验模态分解方法对检测信号进行自适应分解，可以降低信号中的噪声成分，但是经验模态分解方法固有存在的模态混叠及数学模型不完备的缺点，在应用于波形去噪方面仍具有很大的提升空间。许多研究者都从数字滤波的角度进行信号降噪处理，硬件上增强信号质量的方法研究的比较少，寻找一种软硬件结合的方法并从系统的各个部分增强信号质量，且从机制上抑制弱检测信号的干扰噪声，以提高玻璃瓶内气体浓度正检率，是目前亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题是，提供一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过多层联合抗噪的原理，解决了整个检测系统中噪声随机出现而削弱检测信号质量的问题。
为解决上述技问题，本发明所提供的技术方案为：
一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，所述玻璃瓶内气体浓度检测信号为应用TDLAS/WMS(基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱)技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测得到的谐波信号；所述噪声抑制装置包括依次连接的信号调理部分15和信号处理部分16；
所述信号调理部分15包括信号放大电路151、带通滤波电路及电平搬移电路153，分别对谐波信号进行线性放大、带通滤波和电平搬移处理；
所述信号处理部分16包括信号采集模块161和信号优化模块162；所述信号采集模块161采集经信号调理部分调理后输出的谐波信号，并对其进行模数转换；信号优化模块162对数字形式的谐波信号进行降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比。
进一步地，所述信号放大电路151包括两级放大电路，即前级放大电路和次级放大电路，可以避免单级放大电路所带来的信号非线性失真问题。
进一步地，所述带通滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；所述前级放大电路、低通滤波电路、次级放大电路和高通滤波电路依次连接。
进一步地，所述前级放大电路选择有源运算放大电路进行5.1倍的线性放大，提高信噪比；所述低通滤波电路设置截止频率为327Hz，以抑制高频噪声；所述次级放大电路选择有源运算放大电路将经过低通滤波后的信号进行2倍放大。
进一步地，信号优化模块162对数字形式的谐波信号进行降噪运算，即利用EWT方法对其进行数学变换滤波，包括频率成分分割、各个频率成分滤波、对滤波后的信号做优化恢复，由此得到优化后的谐波信号。
进一步地，所述频率成分分割方法为：根据快速傅立叶变换算法将谐波信号自适应地分割为M个频带。
进一步地，所述各个频率成分滤波方法为：
首先，根据经验尺度函数设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器，根据经验小波函数设置M个频带的带通滤波器，具体地：
设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器的频域表达式为：
设置第n个频带的带通滤波器的频域表达式为：
其中，
β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3)；
然后，采用低通滤波器和带通滤波器对相应的频率成分进行滤波，通过低通滤波器和各层带通滤波器后的信号分别为：
其中，i'2f(ω)为数字形式的谐波信号i'2f(t)经过傅里叶变换后得到的频域信号。
进一步地，所述对滤波后的信号做优化恢复的方法为：根据互相关运算得到优化后的谐波信号，具体地：
首先，将
与谐波信号i'2f(t)进行互相关运算，得到互相关系数Cn：
然后，为每个通过带通滤波器后的信号
赋予权重，得到置权重后的信号
最后，对谐波信号i'2f(t)进行优化恢复，得到优化后的谐波信号
其中，φ1(t)和ψn(t)分别为
和
经过傅里叶反变换得到的时域信号。
进一步地，应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测的装置包括：激光控制器10、激光发射器11、光电检测器13、与所述光电检测器13连接的信号解调部分14；
所述激光控制器10包括温度控制器101和电流控制器102；所述温度控制器101用于控制激光发射器11在正常的温度范围内工作，所述电流控制器102用于为激光发射器11提供一定范围内的调谐电流；
所述激光发射器11包括激光二极管111和散热片112；所述激光二极管111向玻璃瓶12发射能够覆盖玻璃瓶中待测气体中心波长的调谐激光，所述散热片112将激光二极管111产生的热量发散到周围空间，避免激光二极管111长时间工作由于热量堆积造成的损害；
所述光电检测13包括光敏传感器131和增益控制器132；所述光敏传感器131接收穿透玻璃瓶后的调谐激光，将接收到的光信号转换为电信号，所述光电检测器13中的增益控制器132用于调节光信号转换为电信号的增益倍数；
所述信号解调部分(总体技术抗噪单元)14包括DDS141和谐波解调器142；所述DDS141合成低频锯齿波信号与高频正弦波信号，并将合成后的信号输入至电流控制器102，电流控制器102在低频锯齿波信号上叠加高频正弦波信号，生成调制信号，用于对激光发射信号进行波长调制，所述谐波解调器142用于将光电检测器13转换后的电信号i(t)进行正交解调，即将i(t)与高频正弦波信号的倍频信号相乘，得到谐波信号(不失一般性地，将i(t)与高频正弦波信号的二倍频信号相乘，解调得到二次谐波信号)。
一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，采用上述的噪声抑制装置对玻璃瓶内气体浓度检测信号进行噪声抑制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的一种用于玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过采用波长调制并结合正交解调方法，将混有干扰噪声的i(t)信号中的高频窄带成分信号(谐波信号)提取出来，即将宽带信号变换为窄带信号，不仅从机制上有效抑制环境噪声，且解调后的谐波信号具有更窄的带宽，在机制上抑制了环境干扰或是仪器震动等原因所引起的不确定性噪声，实现第一层抗噪；信号调理部分对采集前的谐波信号在硬件上做了带宽限制和线性放大，进一步提高信号信噪比及降低带宽外噪声，在硬件上实现了第二层抗噪；最后信号优化处理单元对调理过后的谐波信号做优化处理，利用EWT(经验小波变换)方法做数学变换滤波，得到优化后的谐波信号，同时利用小波变换方法的数学模型及经验小波和经验模态分解方法的自适应选择分解层数的优点，根据经验尺度函数设置低通滤波器及根据经验小波函数设置带通滤波器，有效克服了电路内部的不稳定因素会给i2f(t)带来噪声，进一步提高了信号信噪比。通过多级联合抗噪方法，保证了玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声鲁棒性，有利于后续利用谐波信号数据进行气体浓度定量。
附图说明
图1是用于玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置图。
图2是信号调理电路的构架图。
图3是前级放大电路图。
图4是次级放大及低通滤波电路图。
图5是高通滤波电路图。
图6是电源跟随电路图。
图7是电压搬移电路图。
图8是用于玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法图。
图9是信号解调过程的频谱图。
图10是不同阶段的二次谐波信号波形图。
图11是信号调理过的二次谐波信号优化变换过程图。
附图标记：10、激光控制器；11、激光发射器；12、玻璃瓶；13、光电检测器；14、信号解调部分；15、信号调理部分；16、信号处理部分；17、可编程逻辑控制器(PLC)；18、IPC接口；101、温度控制器；102、电流控制器；111、激光二极管；112、散热片；131、光敏传感器；132、增益控制器；141、直接数字式频率合成器(DDS)；142、谐波解调器；151、信号放大电路；152、带通滤波电路；153、隔离搬移电路；161、信号采集模块；162、信号优化模块；163、信号输出模块；20、前级放大电路；21、次级放大及低通滤波电路；22、高通滤波电路；23、电源跟随电路；24、电压搬移电路。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例中，应用基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS/WMS)技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测。参照图1，本实施例1中玻璃瓶内气体浓度检测装置包括激光控制器10、与所述激光控制器10连接的激光发射器11、玻璃瓶12、光电检测器13、与所述光电检测器13连接的信号解调部分14。所述激光控制器10包括温度控制器101和电流控制器102、所述激光发射器11包括激光二极管111和散热片112、所述光电检测13包括光敏传感器131和增益控制器132、所述信号解调部分14包括DDS141和谐波解调器142。
其中：
所述激光控制器10中的温度控制器101用于控制激光发射器11在正常的温度范围内工作，所述激光控制器10中的电流控制器102为激光发射器11提供能够一定范围内的调谐电流；
所述激光发射器11中的激光二极管111发射能够覆盖待测气体中心波长的调谐激光，所述激光发射器11中的散热片112将激光二极管111产生的热量发散到周围空间，避免激光二极管111长时间工作由于热量堆积造成的损害；
所述玻璃瓶12中含有待测的不同浓度的气体；
所述光电检测器13中的光敏传感器131将接收到的光信号转换为电信号，所述光电检测器13中的增益控制器132用于调节光信号转换为电信号的增益倍数；
所述信号解调部分14中的DDS141合成低频锯齿波信号与高频正弦波信号，并将合成后的信号输入至电流控制器102，所述信号调理部分14中的谐波解调器142将光电检测器13转换后的电信号解调为谐波信号，不失一般性地，本实施例中谐波信号选为二次谐波信号；
本实施例中，玻璃瓶内气体浓度检测的噪声抑制装置包括与所述信号解调部分14连接的信号调理部分15、与所述信号调理部分15连接的信号处理部分16；所述信号调理部分15包括信号放大电路151和带通滤波电路及电平搬移电路153、所述信号处理部分16包括信号采集模块161和信号优化模块162及信号输出模型163。
参照图2，所述信号调理部分15的处理过程为：对信号解调部分14输出的二次谐波信号i2f(t)进行前级放大、对经前级放大后的二次谐波信号i2f1(t)进行次级放大以及低通滤波、对经放大和低通滤波后的二次谐波信号i2f2(t)进行高通隔直、对前级高通滤波电路和后级搬移电路进行隔离、将经放大和滤波后的二次谐波信号i2f4(t)稳定地搬移到0V至3.3V区间。
所述信号调理部分15中的信号放大电路151将信号解调部分14输出的谐波信号进行放大，所述信号放大电路151包括前级放大电路20和次级放大电路，其中，前级放大电路20的具体电路图参照图3，所述前级放大电路为有源运算放大电路，不失一般性地，有源运算放大电路选择为低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端经电阻R67接至地，所述反向电压输入端经电阻R65接至二次谐波信号输入端，所述正负电源供给端分别经旁路电容C32和旁路电容C33接至地以去除电源高频噪声，所述信号输出端经R64反馈至反向电压输入端。所述电路构成反向比例放大电路，电压增益A1＝R64/R65，不失一般性地，图3中R64＝5.1千欧姆，R65＝1千欧姆，电压增益A1＝5.1倍。
所述信号调理部分15中的带通滤波电路152将放大后的谐波信号进行带通滤波，参照图2，所述带通滤波电路152包括低通滤波电路和高通滤波电路22。
次级放大及低通滤波电路21的具体电路图参照图4，所述次级放大及低通滤波电路包括次级信号放大功能和有源低通滤波功能，不失一般性地，选择低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端连接了二阶RC电路，所述该二阶RC电路的输入信号为经过了前级放大电路的输出信号i2f1(t)，所述二阶RC电路低通截止频率为f1＝0.37/(R66·C34·2·π)，不失一般性地，图3中R66＝1.8千欧姆，C34＝0.1微法拉，截止频率f1＝327Hz，以有效抑制高频噪声。所述反相电压输入端经电阻R69接至地，所述信号输出端经R70反馈至反向电压输入端，提供次级电压增益A2＝(1+R70/R69)，不失一般性地，次级电压增益A2＝2倍。所述正负电源供给端分别接至正10V和负10V的电压源。
所述高通滤波电路22的具体电路图参照图5，所述高通滤波电路为有源高通滤波电路，不失一般性地，选择低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端中一路经电阻R71接至地，另一路经两个串联的电容C38和C39接至次级放大及低通滤波电路21的信号输出端i2f2(t)，所述反向电压输入端经电阻R73接至输出端，所述信号输出端经R73反馈至反向电压输入端，所述高通滤波电路的截止频率为f2＝0.37/(R71·C38·2·π)，不失一般性地，图4中R71＝620千欧姆，C38＝1微法拉，截止频率f2＝0.01Hz，以隔离直流信号。所述正负电源供给端分别经旁路电容C37和旁路电容C36接至地以去除电源高频噪声。
因此，所述低通滤波电路和高通滤波电路22构成的带通滤波电路152，带宽为f1至f2，不失一般性地，图4和图5实施例参数配置下，截止频率范围为0.01Hz至327Hz，限制带宽外的噪声。
所述信号调理部分15中的隔离搬移电路153将限带后以0为直流分量的正负均衡二次谐波信号搬移至以1.024为直流分量的0-3.3V之间，以便于被以单电源供电的信号采集电路顺利采集。参照图2，所述隔离搬移电路153包括电源跟随电路23和电平搬移电路24，其中，电源跟随电路23的具体电路图参照图6，所述电源跟随电路23，不失一般性地，选择低噪运算放大器OPA2277芯片，包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述同相电压输入端接至高通滤波电路22的信号输出端，所述反向电压输入端与信号输出端直接连接，所述正负电源供给端分别接至正10V和负10V的电压源，电源跟随电路23输出信号i2f4(t)等于输入信号i2f3(t)，相对于前面的高通滤波电路22输入阻抗无穷大，相对于后面的电压搬移电路24输出阻抗无穷小，因此，具有良好的前后级电路信号隔离和驱动作用。所述电压搬移电路24的具体电路图参照图7，所述搬移电路24的电平基准芯片，不失一般性地选择为LM4140BCM-1.024，包括接地端1、信号输入端、使能端、接地端2、悬空端、参考电压输入端、接地端3和接地端4，所述接地端1至4全部接地，所述信号输入端和使能端经电感L6接至3.3V电压源，并设置旁路电容C40接至地以去除电源高频噪声。所述悬空端悬空即可，所述参考电压输出端设置2个旁路电容C41和C42以去除电源高频噪声，经过两个电阻R76和R75分压后连接至R81，而后输入至OPA2277的同相电压输入端，R81阻值与OPA2277反相输入端R74相等以平衡运算电路直流偏置，所述芯片OPA2277包括同相电压输入端、反向电压输入端、正负电源供给端和信号输出端，所述反向电压输入端中的一路通过电阻R74与电源跟随电路23中的输出端S5相连，另一路通过电阻R79与电容C44的并联电路与信号输出端相连，所述正电源供给端连接至3.3V电源并设置旁路电容C45以去除电源高频噪声，所述信号输出端与另一个OPA2277运放的同相电压输入端相连，所述OPA2277的反向电压输入端与信号输出端连接，构成输出驱动电路以待输出最终信号调理后信号i2’f(t)，所述正电源供通过L7连接至3.3V电源以去除电源高频噪声。至此，所述信号输出端输出的信号i’2f(t)为信号调理后的二次谐波信号。
所述信号处理部分16中的信号采集模块161采集经调理后的谐波信号并进行模拟量-数字量(模数)转换，具体地，信号采集电路具体为ADC(四模数转换)电路，具体实施时可以为分立ADC芯片，也可为MCU、ARM或者DSP等主芯片片上集成ADC，建议采样率不低于100ksps，分辨率不低于14bit，再将模数转换后的谐波信号输入至信号优化模块162，进一步进行谐波信号的降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比，信号输出模块163根据优化后谐波信号的特征，输出相应的控制信号给PLC17及输出显示信号给IPC18；不失一般性的，所述谐波信号的特征可选为谐波信号的峰峰值，将峰峰值与阈值进行比较，当峰峰值不大于阈值时，输出相应的信号给PLC17和IPC18，使PLC控制该玻璃瓶进入合格通道，IPC显示该玻璃瓶合格；当峰峰值高于阈值时，输出相应的信号给PLC17和IPC18，使PLC控制该玻璃瓶进入不合格通道，IPC显示该玻璃瓶不合格。
进一步地，所述谐波信号为窄带高频信号，相比于没有经过高频正弦波信号调制而直接得到的宽带吸收信号，具有更窄的带宽且该谐波信号被搬移到了高频，能够更有效地抑制低频噪声和大带宽范围内的随机噪声，
进一步地，所述信号放大电路151包括两级放大电路，可以避免单级放大电路所带来的信号非线性失真问题，
进一步地，所述信号优化模块162中对数字形式的谐波信号做信号变换，包括原始信号频率成分分割、各个频率成分滤波、信号优化恢复。
本发明实施例提供的一种用于玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置中，信号解调部分14中的DDS141合成低频锯齿波信号与高频余弦波信号输入至激光控制器10中的电流控制器102，电流控制器102输出合成电流信号i0(t)以驱动激光发射器11中的激光二极管111发出光强为I0(t)的发射激光，且发射激光波长v(t)能够覆盖待测气体的中心波长，激光控制器10中的温度控制器101同时控制激光发射器11在正常的温度范围内工作，激光发射器11中的散热片112将激光二极管111产生的热量发散到周围空间，待发射激光I0(t)经自由空间传输并穿透玻璃药瓶后，光电检测器13中的光敏传感器131接收透射光强I(t)并通过增益控制器132选择放大倍数后转换成输出电流信号i(t)，信号解调部分14接收输出电流信号i(t)并由谐波解调器142出二次谐波信号i2f(t)并输入至信号调理部分15，信号调理部分15中的信号放大电路151将二次谐波信号i2f(t)进行二级线性放大,提高信噪比，再通过带通滤波电路152限制带宽外的噪声，最后由隔离搬移电路153将限带后正负均衡的二次谐波信号搬移至正电平区间，送至信号处理部分16，信号处理部分16中的信号采集模块161采集经调理后的二次谐波信号i’2f(t)并进行模数转换,信号优化模块162进一步对数字形式的谐波信号做信号变换，再次优化信号，提高信噪比，最终信号输出模块163根据优化后谐波信号的特征，输出相应的控制信号给PLC17及输出显示信号给IPC。
本发明实施例通过采用波长调制技术，并在激光穿透噪声环境后再进行谐波解调，可将宽带直接吸收信号转移至窄带高频点，不仅从机制上有效抑制环境噪声，且解调后的谐波信号具有更窄的带宽，能够抵抗更多的随机噪声；信号调理部分对采集前的二次谐波信号在硬件上做了带宽限制和线性放大，进一步提高信号信噪比及降低带宽外噪声；最后对输出控制信号前的二次谐波做优化处理，利用信号变换的方式，得到优化二次谐波信号，再一次提高信噪比。通过多级联合抗噪装置，保证了玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声鲁棒性。
实施例2
参照图2，本实施例提供一种玻璃内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，采用上述的装置对玻璃瓶内气体浓度检测信号进行噪声抑制，包括：总体技术抗噪步骤B801、信号调理滤波步骤B802和信号优化处理步骤B803，包括以下步骤：
在步骤U801中，对激光发射信号进行波长调制。
具体地，合成电流信号i0(t)驱动激光发射器11发射强度为I0(t)的发射激光。
具体地，其中强度为I0(t)的发射激光表达式为：
I0(t)＝I'0(t)[1+αsin(ωt)] (1)
其中，I'0(t)表示由低频锯齿波信号(低频锯齿波电流信号)引起的输出光强的变化(I'0(t)是一个周期内的变化值)，α表示高频正弦波信号(高频正弦波电流信号)引起的光强调制系数(一般取0.1)，ω表示高频正弦波信号的角频率。
在步骤U802中，对光电检测器13转换后的输出电流信号进行正交解调。
具体地，根据比尔-朗伯定律并近似得到，将光电检测器接收到的透射光强I(t)转换成的输出电流信号i(t)为：
i(t)＝i'0(t)[1+αsin(ωt)-S(T)NLPg(v)] (2)
其中，i’0(t)表示低频锯齿波信号的变化，S(T)为温度T时的吸收线强，N为吸收气体的体积浓度，L为吸收光程，P为气体的静态总压强，g(v)为吸收线线型函数。
信号解调部分14对输出电流信号(吸收信号)i(t)进行正交解调得到二次谐波信号i2f(t)：
具体地，正交解调过程为输出电流信号i(t)与高频正弦波信号的二倍频相乘：
i2f(t)＝i(t)·sin(2ωt) (3)
具体的抑制噪声过程可参考图3，环境中的干扰噪声随机地分布在i(t)频域范围内的各个区段，且低频段的噪声较为集中，若直接利用i(t)信号进行后续气体浓度反演，会由于噪声成分的干扰，造成气体浓度错误判决；利用正交解调技术，将混叠干扰噪声的i(t)信号与高频余弦信号的二倍频信号相乘，可以将i(t)信号中的2ω高频窄带成分信号提取出来，并搬移至直流项，且噪声成分在参与相乘的过程中，原低频集中的噪声会被转移至高频区，最后通过低通滤波器可保留搬移至直流项的i(t)信号中的2ω高频窄带成分，即二次谐波信号i2f(t)，此时的i2f(t)中的噪声成分会远小于i(t)信号中的噪声成分，总体技术抗噪步骤B201在技术方案是实现了第一层抗噪。见图9，正交解调后的二次谐波信号i2f(t)在通过电路连接线进行传输时，由于电路内部的不稳定因素会给i2f(t)带来噪声，故仍需对i2f(t)进行信号调理，以提高信号信噪比。
在步骤U803中，对二次谐波信号i2f(t)进行前级放大。
具体地，参照图3，将解调后得到的二次谐波信号i2f(t)通过有源运算放大电路进行运算：
输出经5.1倍放大并反向后的二次谐波信号i2f1(t)。
在步骤U804中，对二次谐波信号i2f1(t)进行次级放大同时低通滤波。
具体地，参照图4，将经5.1倍放大并反向后的二次谐波信号i2f1(t)通过次级放大及低通滤波电路进行运算：
输出经2倍放大后的二次谐波信号i2f2(t)。
该二阶有源低通滤波电路的截止频率f1根据R66、R68、C34和C35之间的关系，计算得到：
二次谐波信号的主要频率分量在150Hz以内，该截止频率f1抑制了高频噪声。
在步骤U805中，对二次谐波信号i2f2(t)进行高通隔直。
具体地，参照图5，将经二级放大并进行有源低通滤波后的二次谐波信号i2f2(t)通过有源高通滤波电路，该有源高通滤波电路的截止频率f2根据R71、C38和C39之间的关系，计算得到0.01Hz，隔离了直流信号：
因此，所述低通滤波电路和高通滤波电路22构成的带通滤波电路152，带宽为f1至f2，不失一般性地，图4和图5实施例参数配置下，截止频率范围为0.01Hz至327Hz，限制二次谐波信号i2f3(t)带宽外的噪声。
在步骤U806中，进行前后级电路的隔离。
具体地，参照图6，该电源跟随电路对上一级的高通滤波电路22输入阻抗无穷大，相对于后面的电压搬移电路24输出阻抗无穷小，因此，具有良好的前后级电路信号隔离和驱动作用，且该电路的输出信号i2f4(t)等于输入信号i2f3(t)。
在步骤U807中，将二次谐波信号i2f4(t)稳定地搬移到0V至3.3V区间。
具体地，参照图7，该电路提供1.024V的偏置电压，将以0为直流分量的正负均衡的二次谐波信号i2f4(t)搬移至以1.024为直流分量的0-3.3V之间后的二次谐波信号为i’2f(t)，以便于被以单电源供电的信号采集电路顺利采集。
见图10，经过信号调理后的二次谐波信号i’2f(t)已明显地抑制了原始二次谐波信号i2f(t)中的随机干扰噪声，波形变得更为平滑，但仍存在波形畸变的现象，如左右谷值不对称，故需进一步进行信号优化处理。
在步骤U808中，采集二次谐波信号i’2f(t)。
具体地，信号采集电路具体为ADC(四模数转换)电路，具体实施时可以为分立ADC芯片，也可为MCU、ARM或者DSP等主芯片片上集成ADC，建议采样率不低于100ksps，分辨率不低于14bit。
在步骤U809中，对经过信号调理过的二次谐波信号i’2f(t)进行频率成分分割。
具体地，根据经验小波变换(EWT)，首先快速傅立叶变换算法计算i2’f(t)的傅立叶频谱F(ω)(即公式(12)中的i'2f(ω))，再将傅立叶频谱F(ω)的频域[0,π]自适应地分割为M个宽度不等的频带2τn，且每个频带的中心频率为ωn(n＝1,2,…,M)。
在步骤U810中，对经过信号调理过的二次谐波信号i’2f(t)进行各个频率成分滤波。
具体地，各个带通滤波器的限带频率范围为[ωn-1,ωn]，且在频率范围为[0,ω1]的低通滤波器(即经验尺度函数)
及其他频率范围内的带通滤波器(即经验小波函数)
的频域表达式分别为：
其中，
β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3) (11)
进一步地，通过低通滤波器的信号
和各个频率成分滤波器后的信号
分别为：
其中，φ1是
在时域上的表示，
是公式(8)中的
i'2f(t)经过傅里叶变换后为i'2f(ω)，i'2f(ω)表示每个频率ω处的幅值；
参考图11，图11中的第1层为
第2层至第10层为
随着分解层数的增加，信号变化越来越剧烈，即高频分量越来越多。
在步骤U811中，对滤波后的信号做优化恢复。
具体地，通过滤波器后的信号
与二次谐波信号i2’f(t)进行互相关运算，
式中，T为积分时间，Cn为互相关系数。
进一步地，为每个通过滤波器后的信号
赋予权重，得到置权重后的信号
进一步地，对二次谐波信号i’2f(t)进行优化恢复，得到优化后的二次谐波信号
其中φ1(t)和ψn(t)分别为
和
在时域上的表示，通过对
和
进行傅里叶反变换得到。
见图10，经过优化后的二次谐波信号
明显消除了i′2f(t)中的残余噪声，波形不仅变得更加平滑，且左右谷值也处于同一水平线上，与理想中心对称的二次谐波十分接近，所以经过优化后的二次谐波信号再一次提高了信噪比。
本发明实施例中的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过采用波长调制并结合正交解调方法，将混有干扰噪声的i(t)信号中的2ω高频窄带成分信号提取出来，即可将宽带直接吸收信号转移至窄带高频点，且削弱了低频部分的噪声成分，在机制上抑制了环境干扰或是仪器震动等原因所引起的不确定性噪声，实现第一层抗噪；信号调理部分对解调得到的二次谐波信号进行了带宽限制和线性放大，进一步提高了信号信噪比及降低带宽外噪声，在硬件上实现了第二层抗噪；最后信号优化处理单元对调理过后的二次谐波信号利用EWT方法做数学变换滤波，得到优化后的二次谐波信号，一方面，不仅克服了小波变换中小波函数及分解层数难以选择的问题，也解决了经验模态分解方法中存在的模态混叠及数学模型不完备的缺点，另一方面，同时利用小波变换方法的数学模型及经验小波和经验模态分解方法的自适应选择分解层数的优点，有效克服了电路内部的不稳定因素会给二次谐波信号i2f(t)带来噪声，进一步提高了信号信噪比。通过多级联合抗噪方法，保证了玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声鲁棒性，有利于后续利用二次谐波信号数据进行气体浓度定量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，所述玻璃瓶内气体浓度检测信号为应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测得到的谐波信号；所述噪声抑制装置包括依次连接的信号调理部分(15)和信号处理部分(16)；
所述信号调理部分(15)包括信号放大电路(151)、带通滤波电路及电平搬移电路(153)，分别对谐波信号进行线性放大、带通滤波和电平搬移处理；
所述信号处理部分(16)包括信号采集模块(161)和信号优化模块(162)；所述信号采集模块(161)采集经信号调理部分调理后输出的谐波信号，并对其进行模数转换；信号优化模块(162)对数字形式的谐波信号进行降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，所述信号放大电路(151)包括两级放大电路，即前级放大电路和次级放大电路。
3.根据权利要求2所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述带通滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；所述前级放大电路、低通滤波电路、次级放大电路和高通滤波电路依次连接。
4.根据权利要求3所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述前级放大电路选择有源运算放大电路对检测得到的谐波信号进行5.1倍的功率放大；所述低通滤波电路设置截止频率为327Hz；所述次级放大电路选择有源运算放大电路将经过低通滤波后的信号进行2倍放大。
5.根据权利要求1所述的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，信号优化模块(162)对数字形式的谐波信号进行降噪运算，即利用EWT方法对其进行数学变换滤波，包括频率成分分割、各个频率成分滤波、对滤波后的信号做优化恢复，由此得到优化后的谐波信号。
6.根据权利要求5所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述频率成分分割方法为：根据快速傅立叶变换算法将谐波信号自适应地分割为M个频带，其中第n个频带的频率范围为[ωn-1,ωn]，n＝1,2,…,M。
7.根据权利要求6所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述各个频率成分滤波方法为：
首先，根据经验尺度函数设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器，根据经验小波函数设置M个频带的带通滤波器，具体地：
设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器的频域表达式为：
设置第n个频带的带通滤波器的频域表达式为：
其中，
β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3)；
然后，采用低通滤波器和带通滤波器对相应的频率成分进行滤波，通过低通滤波器和各层带通滤波器后的信号分别为：
其中，i'2f(ω)为数字形式的谐波信号i'2f(t)经过傅里叶变换后得到的频域信号。
8.根据权利要求7所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述对滤波后的信号做优化恢复的方法为：
首先，将
与谐波信号i'2f(t)进行互相关运算，得到互相关系数Cn：
然后，为每个通过带通滤波器后的信号
赋予权重，得到置权重后的信号
最后，对谐波信号i'2f(t)进行优化恢复，得到优化后的谐波信号
其中，φ1(t)和ψn(t)分别为
和
经过傅里叶反变换得到的时域信号。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测的装置包括：激光控制器(10)、激光发射器(11)、光电检测器(13)、与所述光电检测器(13)连接的信号解调部分(14)；
所述激光控制器(10)包括温度控制器(101)和电流控制器(102)；所述温度控制器(101)用于控制激光发射器(11)在正常的温度范围内工作，所述电流控制器(102)用于为激光发射器(11)提供一定范围内的调谐电流；
所述激光发射器(11)包括激光二极管(111)和散热片(112)；所述激光二极管(111)向玻璃瓶(12)发射能够覆盖玻璃瓶中待测气体中心波长的调谐激光，所述散热片(112)将激光二极管(111)产生的热量发散到周围空间，避免激光二极管(111)长时间工作由于热量堆积造成的损害；
所述光电检测(13)包括光敏传感器(131)和增益控制器(132)；所述光敏传感器(131)接收穿透玻璃瓶后的调谐激光，将接收到的光信号转换为电信号，所述光电检测器(13)中的增益控制器(132)用于调节光信号转换为电信号的增益倍数；
所述信号解调部分(14)包括DDS(141)和谐波解调器(142)；所述DDS(141)合成低频锯齿波信号与高频正弦波信号，并将合成后的信号输入至电流控制器(102)，电流控制器(102)在低频锯齿波信号上叠加高频正弦波信号，生成调制信号，用于对激光发射信号进行波长调制，所述谐波解调器(142)用于将光电检测器(13)转换后的电信号i(t)进行正交解调，即将i(t)与高频正弦波信号的倍频信号相乘，得到谐波信号。
10.一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，采用权利要求1～8中任一项所述的噪声抑制装置对玻璃瓶内气体浓度检测信号进行噪声抑制。
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