CN112924415B - 一种激光甲烷遥测设备数据处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光甲烷遥测设备数据处理方法及系统，包括：向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。本发明优点是：能够有效地判断收到的信号是否为激光的回波信号，减小激光甲烷遥测仪地误报错报几率，提高准确率。无需多次测量求均值或多次测量投票的方式来增加准确率，提升了测量的准确率。

Description

一种激光甲烷遥测设备数据处理方法及系统
技术领域
本发明属于激光甲烷遥测技术领域，特别是一种激光甲烷遥测设备数据处理方法及系统。
背景技术
进入二十一世纪以来，随着社会的发展与进步，相应的基础保障设施的建设也进入了加速增长的阶段。随着煤改气等措施的落实，全国燃气管道的建设也在不断加速增长。以北京为例，截至2015年，天然气供应量138.54亿立方米，京内外管道燃气用户约660万户、运行天然气管线2.28万公里。然而随着燃气管道里程的增加，随之而来的使不断增加的管道检修任务。2018年全年，北京市共发生燃气管道抢修事件400余起，进行生产作业881起。因此目前急需一种能够快速，远距离地检测燃气管道是否泄露的方式。
现有的激光甲烷遥测设备存在以下缺点：
第一，测量距离短，随着距离的增加，仪器收到的反射回波逐渐变弱，被淹没在仪器的噪声中。由于缺乏相应的滤波去噪算法，现有的激光甲烷遥测设备的测量距离较短，无法检测远处的目标。过近的测量距离降低了仪器使用的效率，增加了使用的难度。
第二，仪器反应慢，数据处理计算量大导致仪器反应慢，在实际测量时具有延迟。不利于泄漏点的定位，同时也加大了漏报的几率，降低了甲烷测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光甲烷遥测设备数据处理方法及系统，解决激光甲烷遥测仪的准确率的问题。
有鉴于此，本发明提供一种激光甲烷遥测设备数据处理方法，其特征在于，包括：
向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。
进一步地，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波，包括：
对于长度为n的信号数组data，进行m次循环，m的值根据信号的长度n来设置，将每次循环对信号数组的x[m]至x[n-1-m]段采用冒泡排序的方式求得的最大值放置在数组的x[n-1-m]处，求得的最小值放置在数组的x[m]处，在循环中，若出现
Figure BDA0002917091850000021
则循环结束，判定没有接收到激光的回波，否则，确定接收到激光的回波。
进一步地，对所述接收到激光的回波进行过滤处理，包括：
首先，对于长度为n的信号数组data，使用冒泡排序法求出信号数组的最小值min；
然后，使数组中的每个值分别减去最小值后得到新的数组data_min，求出data_min的平均值avg；
最后，使data_min数组中的每个值减去平均值avg后得到去除直流后的信号data_AC。
进一步地，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱，包括：
首先，建立输入信号模型如下：
x[n]＝αs[n]+w[n],for n＝0........N-1
其中，s[n]为有效的信号，α为复数的幅值，w[n]为信号噪声部分，信号的长度为N；
然后，对所述输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
本发明的另一目的在于提供一种激光甲烷遥测设备数据处理系统，其特征在于，包括：
确定模块，用于向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
计算模块，用于对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
输出模块，用于通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。
进一步地，所述确定模块包括排序子模块，用于：对信号数组进行多次循环，将每次循环的一定数据段采用冒泡排序的方式进行处理。
进一步地，所述计算模块包括过滤子模块，用于采用冒泡排序的方式对信号数组进行平均值处理，以得到去除直流后的信号。
进一步地，所述计算模块包括自适应滤波器，用于对输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。一方面，能够去除噪声对信号的影响，使仪器可检测到更小的回波信号，从而增加激光器甲烷遥测仪的探测距离和灵敏度；另一方面，能够有效地判断收到的信号是否为激光的回波信号，减小激光甲烷遥测仪地误报错报几率，提高准确率。执行一次便能准确的测量甲烷的浓度值，无需采用多次测量求均值或多次测量投票的方式来增加准确率，减小了计算量提高了仪器的反应速度，提升测量的准确率。
附图说明
图1为本发明的一种激光甲烷遥测设备数据处理方法的流程图；
图2为本发明的一种激光甲烷遥测设备数据处理方法的具体实施例示意图；
图3为本发明的激光甲烷遥测设备数据处理方法的钟摆排序的具体实施例流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。
虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。
请参照图1，本发明的一种激光甲烷遥测设备数据处理方法，包括：
步骤S101，向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
步骤S102，对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
步骤S103，通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。
在一个实施例中，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波，包括：
对于长度为n的信号数组data，进行m次循环，m的值根据信号的长度n来设置，将每次循环对信号数组的x[m]至x[n-1-m]段采用冒泡排序的方式求得的最大值放置在数组的x[n-1-m]处，求得的最小值放置在数组的x[m]处，在循环中，若出现
Figure BDA0002917091850000051
则循环结束，判定没有接收到激光的回波，否则，确定接收到激光的回波。
在一个实施例中，对所述接收到激光的回波进行过滤处理，包括：
首先，对于长度为n的信号数组data，使用冒泡排序法求出信号数组的最小值min；
然后，使数组中的每个值分别减去最小值后得到新的数组data_min，求出data_min的平均值avg；
最后，使data_min数组中的每个值减去平均值avg后得到去除直流后的信号data_AC。
在一个实施例中，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱，包括：
首先，建立输入信号模型如下：
x[n]＝αs[n]+w[n],for n＝0........N-1
其中，s[n]为有效的信号，α为复数的幅值，w[n]为信号噪声部分，信号的长度为N；
然后，对所述输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
本发明的另一目的在于提供一种激光甲烷遥测设备数据处理系统，包括：
确定模块，用于向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
计算模块，用于对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
输出模块，用于通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。
在一个实施例中，所述确定模块包括排序子模块，用于：对信号数组进行多次循环，将每次循环的一定数据段采用冒泡排序的方式进行处理。
在一个实施例中，所述计算模块包括过滤子模块，用于采用冒泡排序的方式对信号数组进行平均值处理，以得到去除直流后的信号。
在一个实施例中，所述计算模块包括自适应滤波器，用于对输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
请参照图2，本发明的一种激光甲烷遥测设备数据处理方法，包括：
对激光传感器接收到的信号进行采样，生成数字信号，对数字信号进行钟摆排序，根据排序结果对该信号是否为发射激光的回波信号进行判断；
滤除信号中地直流分量，减少功率密度谱估计的计算量，便于下一步计算。
用基于最小方差无失真响应的功率密度谱估计方法自适应地计算出出激光回波在频域的功率密度谱，同时使信号的信噪比最高，噪声最小，达到去除噪声的目的；
根据Beer—LamBert定律。在功率密度谱中找出被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率分量的功率模值。根据该功率模值的大小求出甲烷的浓度。
作为具体的实施例，对于ADC采样后的数字信号x，进行钟摆排序。设信号长度为n。进行m次循环，m的值根据信号的长度n来设置。将每次循环对信号数组的x[m]至x[n-1-m]段采用冒泡排序的方式求得的最大值放置在数组的x[n-1-m]处，求得的最小值放置在数组的x[m]处。在循环中，若出现
Figure BDA0002917091850000061
则循环结束，判定信号衰减过大，仪器没有接收到激光的回波。具体参照图3。
作为具体的实施例，为了增强功率密度谱估计的准确性。需要滤除信号中的直流分量。首先，对于长度为n的信号数组data。使用冒泡排序法求出信号数组的最小值min，之后使数组中的每个值分别减去最小值后得到新的数组data_min。求出data_min的平均值avg，之后使data_min数组中的每个值减去平均值avg后得到去除直流后的信号data_AC。
作为具体的实施例，用基于最小方差无失真响应的功率密度谱估计方法自适应地计算出出激光回波在频域的功率密度谱，同时使信号的信噪比最高，噪声达到最小。
输入信号模型如下：
x[n]＝αs[n]+w[n],for n＝0........N-1
其中，s[n]为有效的信号，α为复数的幅值，w[n]为信号噪声部分，信号的长度为N。将信号以转换为向量形式：
x＝[x[0],...,x[N-1]]T,
作为具体的实施例，根据最小方差无失真响应方法的思想，最小化自适应滤波器输出的方差可由最小化输出功率实现，二者具有相同的功能，既减少噪声，提高信噪比。因此，本算法需要设计一个自适应滤波器w，使得信号x在经过滤波器w后输出的功率最小，即最小方差。此时信号所含的噪声最小，信噪比最大。
滤波器的输出如下所示：
y＝wHx
输出的功率如下所示：
P＝E[|y|2]
＝E[yy*]
＝E[(wHx)(wHx)]
＝E[(wHxxHw]
＝wHE[xxH]w
＝wHRw
其中R＝E[xxH]是信号x的自相关矩阵，为了满足最小方差无失真的要求，滤波器w需满足wHRw的值最小以外还需满足以下这条约束。
wHs＝1
作为具体的实施例，加入以上约束的目的有两个。首先是为了避免出现平凡解w＝0，其次保证了当滤波器的输入为s时输出为1，这种情况称之为滤波器w无失真地通过有效信号s，既无失真响应。
引入拉格朗日乘子得到包含以上两条约束的最简化。
Figure BDA0002917091850000081
其中λ是拉格朗日乘子，对w微分，当微分值为0时有最小值。
Figure BDA0002917091850000082
对w求解得到。
0＝Rw-λs
λs＝Rw
w＝λR-1s
将上式带入到约束wHs＝1中得到
wHs＝1
Figure BDA0002917091850000083
Figure BDA0002917091850000084
将
Figure BDA0002917091850000085
带入到w＝λR-1s中得到滤波器的权重向量w为
Figure BDA0002917091850000086
根据之前求得的输出功率计算公式P(OUT)＝wHRw将
Figure BDA0002917091850000087
带入得到：
Figure BDA0002917091850000088
Figure BDA0002917091850000091
因此，基于最小方差无失真响应的功率密度谱估计如下所示。
Figure BDA0002917091850000092
功率密度谱的可以通过扫描响应的向量组s＝[1 ej2πf......ej2π(M-1)f]T来获得。例如信号在频域的傅里叶周期为2π，功率密度谱中频率为
Figure BDA0002917091850000093
处的功率估计，由将
Figure BDA0002917091850000094
带入式
Figure BDA0002917091850000095
中计算得到。
式
Figure BDA0002917091850000096
中的自相关矩阵R可由原输入信号近似计算得到。公式如下。
Figure BDA0002917091850000097
其中
xk＝[x[k],..........,x[k+M-1]]T
式中x[k]为原输入信号的第k个值，参数M为截取信号的窗的长度，参数K为窗之间重叠的长度。若输入信号的长度为N，则M+K-1＝N，且由于自相关矩阵R为可逆矩阵，必须有K≥M。M和K值的选取关系到功率密度谱的分辨率大小与估计准确度，可根据实际情况作以调整。
作为具体的实施例，根据Beer—LamBert定律。在功率密度谱中找出被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值。根据该功率模值的大小求出甲烷的浓度。
由Beer—LamBert定律可知。在1.65微米波长的频率调制激光束经甲烷吸收后的回波信号中，二次谐波的信号强度与甲烷的浓度成正比。例如，一个以1kHz频率调制的激光束，经过甲烷吸收后将会出现频率为2kHz的二次谐波，谐波的越强则甲烷浓度越高。因此，可根据步骤三所得出的功率密度谱中二次谐波的功率模值大小来标定甲烷的浓度。
本发明实现了以下显著的有益效果：
实现简单，包括：向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。一方面，能够去除噪声对信号的影响，使仪器可检测到更小的回波信号，从而增加激光器甲烷遥测仪的探测距离和灵敏度；另一方面，能够有效地判断收到的信号是否为激光的回波信号，减小激光甲烷遥测仪地误报错报几率，提高准确率。执行一次便能准确的测量甲烷的浓度值，无需采用多次测量求均值或多次测量投票的方式来增加准确率，减小了计算量提高了仪器的反应速度，提升测量的准确率。
根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光甲烷遥测设备数据处理方法，其特征在于，包括：
向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度，
其中，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波，包括：
对于长度为n的信号数组data，进行m次循环，m的值根据信号的长度n来设置，将每次循环对信号数组的x[m]至x[n-1-m]段采用冒泡排序的方式求得的最大值放置在数组的x[n-1-m]处，求得的最小值放置在数组的x[m]处，在循环中，若出现
Figure FDA0003915159420000011
则循环结束，判定没有接收到激光的回波，否则，确定接收到激光的回波。
2.根据权利要求1所述的激光甲烷遥测设备数据处理方法，其特征在于，对所述接收到激光的回波进行过滤处理，包括：
首先，对于长度为n的信号数组data，使用冒泡排序法求出信号数组的最小值min；
然后，使数组中的每个值分别减去最小值后得到新的数组data_min，求出data_min的平均值avg；
最后，使data_min数组中的每个值减去平均值avg后得到去除直流后的信号data_AC。
3.根据权利要求2所述的激光甲烷遥测设备数据处理方法，其特征在于，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱，包括：
首先，建立输入信号模型如下：
x[n]＝αs[n]+w[n],for n＝0........N-1
其中，s[n]为有效的信号，α为复数的幅值，w[n]为信号噪声部分，信号的长度为N；
然后，对所述输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
4.一种用于执行如权利要求1所述的激光甲烷遥测设备数据处理方法的激光甲烷遥测设备数据处理系统，其特征在于，包括：
确定模块，用于向目标发射激光，获取从目标反射的偏转光的频谱信号，数字采样所述频谱信号，以进行钟摆排序，根据排序结果确定接收到激光的回波；
计算模块，用于对所述接收到激光的回波进行过滤处理，计算得到过滤处理后的激光回波基于最小方差无失真响应的功率密度谱；
输出模块，用于通过Beer—LamBert定律，在所述功率密度谱中获得被甲烷气体吸收后二次谐波相对应频率的功率模值，根据所述功率模值的大小解算出甲烷的浓度。
5.根据权利要求4所述的激光甲烷遥测设备数据处理系统，其特征在于，所述确定模块包括排序子模块，用于：对信号数组进行多次循环，将每次循环的一定数据段采用冒泡排序的方式进行处理。
6.根据权利要求4所述的激光甲烷遥测设备数据处理系统，其特征在于，所述计算模块包括过滤子模块，用于采用冒泡排序的方式对信号数组进行平均值处理，以得到去除直流后的信号。
7.根据权利要求6所述的激光甲烷遥测设备数据处理系统，其特征在于，所述计算模块包括自适应滤波器，用于对输入信号模型进行自适应滤波处理，使得信号在经过滤波处理后输出的功率最小。
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