CN114166798B - 一种基于曲率的tdlas露点测量信号增强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方，首先在露点测量信号中，根据长度为N的移动窗口在第n个时刻的点的左右各取个点，得到数据序列，计算N个数值的平均值，并作为第n个时刻的数值；若数据序列是非线性分布时，首先通过公式计算第N个数据的曲率，再根据曲率通过公式对平均值进行修正；本发明针对TDLAS露点测量信号增强的问题，并考虑到数据序列的非线性特征导致滑动平均值的结果出现较大误差的问题，对数据序列的非线性特征导致滑动平均值的结果出现的较大误差进行修正，以降低噪声的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强信号的方法，具体讲是一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方法。
背景技术
激光吸收光谱技术（TDLAS）具有高灵敏、连续在线、快速响应、环境适应性强等特点，是当前国际上公认的最有希望能够满足超低温风洞超低露点检测的技术手段。TDLAS技术以波长可连续调谐的窄线宽半导体激光器做光源，获得目标气体高分辨率吸收光谱来反演气体的状态参数。激光器波长可通过其有源区工作温度和驱动电流进行调谐，温度调谐响应速率相对较慢（Hz至亚Hz量级），通常采用电流调谐（最大响应速率在百kHz~MHz以上），或者采用固定激光器温度，电流调谐方式工作，波长调谐波形采用锯齿波。典型测量光路如图1所示，半导体激光器出射激光准直之后，穿过待测量气团后最终被光电探测器（PD）接收，目标气体的吸收造成激光光强衰减，衰减量遵守Lambert-Beer定律，
其中S(T)为目标气体吸收线强，对选定的吸收线仅为温度的函数；为面积归一化线型函数；P、x分别为环境静压和水汽的体积比浓度，/>即绝对分压；/>称为吸光度，描述路径上目标气体的整体吸收大小，采用锯齿波调谐激光器电流实现波长调谐的典型吸收信号及如图2所示。图2中，实线为接收的光谱强度/>，虚线为发射的光谱强度。
为了解决“倾斜”安装中存在的一些问题，采用了垂直安装方式，在垂直安装方式下，存在激光器穿过垂直于光路的玻璃窗口后的干涉问题，使测量的TDLAS信号中存在混频噪声影响测量精度。另外，随着测试对象浓度接近极限时，图2的观察信号中存在大量噪声。如何对这些噪声进行抑制，是提升测量精度的有效有段。
针对TDLAS测量信号增强问题，学者们提出了一系列方法：
[1] 奇异值分解用于可调谐二极管激光吸收光谱技术去除系统噪声；
[2] 基于经验模态分解的可调谐半导体激光吸收光谱中干涉条纹的抑制_郭心骞；
[3]基于Gabor变换的TDLAS检测信号的降噪研究_崔海滨；
在上述方法中，Gabor变换是一种人工设定标识基方法，经验模态分解、奇异值分解是一种数据驱动方法，其中，经验模态分解通过将当前信号分解为几个信号的融合，再通过线性组合重建进行去噪，分解的层次、数量等不可控；SVD分解是一种正交基方法，重建质量较低。
发明内容
针对上述问题，本发明的技术方案是：针对TDLAS露点测量信号增强的问题，并考虑到数据序列的非线性特征导致滑动平均值的结果出现较大误差的问题，提出了一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方法，以降低噪声的影响。
本发明提供的一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方，包括如下步骤：
首先在露点测量信号中，通过长度为N的移动窗口在第n个时刻的点的左右各取/>个点，得到数据序列/>，计算N个数值的平均值/>，并作为第n个时刻的数值；
若数据序列是非线性分布时，
首先通过公式计算第N个数据的曲率，
再根据曲率通过公式对平均值进行修正。
本发明具有如下有益效果：
本发明针对TDLAS露点测量信号增强的问题，并考虑到数据序列的非线性特征导致滑动平均值的结果出现较大误差的问题，对数据序列的非线性特征导致滑动平均值的结果出现的较大误差进行修正，以降低噪声的影响，从而增强测量信号。
附图说明
图1是TDLAS对射式测量原理示意图；
图2是典型吸收信号曲线；
图3是数据序列接近线性分布时示意图；
图4是数据序列为非线性分布时示意图；
图5是数据序列为非线性分布时表示弧长的示意图；
图6是本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图1-图6对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：
一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方法，以降低噪声的影响，其具体方法如下：
首先，在露点测量信号中，通过长度为N的移动窗口在第n个时刻的点的左右各取/>个点，得到数据序列/>，其中/>为中间数据；
计算N个数值的平均值，并作为第n个时刻的数值；
其中，n为整数；
其中，/>，x i 、y i 分别为通过窗口获取的N个数据中第i个数据的横坐标和纵坐标。
如图3所示，当数据序列接近线性分布时，实心圆n为测量值，通过公式和/>得到平均值为/>，对应的时刻为图中的空心圆n’，这与真实的时刻为空心正方形n相近。
实施例二：
在实施例一的基础上，当数据序列为非线性分布时，如图4所示，实心圆n为测量值，通过公式和/>得到平均值为/>，对应的时刻为图中的空心圆/>，与真实的时刻为空心正方形n相差较远，这是由于曲线弯曲引起的。
为了解决这个问题，本专利将考虑曲率的影响，首先计算N个数据的曲率，
其中，代表弧长，/>代表的就是切线方向角的变化，/>、/>和/>分别为第1个时刻、第n个时刻和第N个时刻的切线斜率。
由于数据密度较大，可以用两点之间的距离的公式来求一个近似值，如图3所示，各段线段的和为弧长，即：
其中，表示第i个时刻与第i-1个时刻的距离，/>和/>分别为第i个时刻的横坐标和纵坐标，/>和/>分别为第i-1个时刻的横坐标和纵坐标。
最后，对平均值进行修正。
其中，，/>和/>分别为常数。
本发明针对TDLAS露点测量信号增强的问题，通过计算TDLAS露点测量信号数列的平均值可以去噪，实现测量信号的增强；但是当数据序列是非线性时，即存在一定曲率时，直接通过求取平均值的话会存在一定的误差，如图4和图5，所以通过计算曲率和修正平均值，实现去噪，以增强测量信号。
Claims (1)
1.一种基于曲率的TDLAS露点测量信号增强方法，其特征在于，包括如下步骤：
在露点测量信号中，通过长度为N的移动窗口在第n个时刻的点的左右各取/>个点，得到数据序列/>，其中/>为中间数据；
计算N个数值的平均值，并作为第n个时刻的数值；
其中，n为整数；
其中，/>；
x i、y i分别为通过窗口获取的N个数据中第i个数据的横坐标和纵坐标;
考虑数据序列是非线性分布时，进行如下步骤：
S1、通过如下公式计算第N个数据的曲率，
；
其中，并代表的就是切线方向角的变化， />、/>和分别为第1个时刻、第n个时刻和第N个时刻的切线斜率，/>代表数据序列的弧长；
S2、通过如下公式对平均值进行修正，
；
其中，x n 和y n 分别表示修正后的第n个时刻的横坐标和纵坐标， ， />和分别为常数；
通过如下公式计算弧长，
；
其中，表示第i个时刻与第i-1个时刻的距离，/>和/>分别为第i个时刻的横坐标和纵坐标， />和/>分别为第i-1个时刻的横坐标和纵坐标。
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| CN111829980A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-10-27 | 安徽农业大学 | 一种基于谐波技术的线型非线性修正的检测系统及方法 |
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