CN114970639B - 一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法，其步骤包括：1、通过滑动FFT，快速粗调滤波，将淹没在噪声中的信号辨别出来；2、利用主特征信息提取与重构，从而消除外界环境的闪烁噪声；3、按照不等精度获取背景信号，进行背景噪声去除，并进行自适应迭代拟合，得到消除闪烁噪声后的气体浓度。本发明能在不增加硬件结构的基础上，解决仪器受到外界环境干扰引起的闪烁噪声问题，既保证了测量精度，又发挥了开放空间测量的便捷性，从而提高了开发空间微量气体检测的准确性。

Description

一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法

技术领域

本发明涉及环境光学领域，具体的说是针对开放空间检测时，仪器的应用环境所带来的各种外界干扰影响，提出一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法。

背景技术

开放空间大气激光吸收光谱检测过程中，容易受到仪器的应用环境所带来的外界环境影响，其中外界环境干扰包括：天气影响、尘埃粒子散射、大气湍流、大气闪烁等。由于大气中的痕量气体含量都比较低，外界环境的闪烁噪声可能会造成有用信号被淹没在噪声中，难以实现气体浓度准确在线检测要求。因此有效的从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的光谱吸收信息特征，保证准确测量有重要研究意义。

现有的许多研究大多是针对激光光谱信号的时域角度来进行分析和应用数字滤波方法达到降低噪声的效果。且多是针对WMS解调后的二次谐波信号进行处理。一般情况下，二次谐波信号已经具有较高的信噪比，应用于开放光路进行解调时比较复杂耗时，而对于外界环境的闪烁噪声的消除方法确鲜有报道。

发明内容

鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法，以期能在不增加硬件结构的基础上，解决仪器受到外界环境干扰引起的闪烁噪声问题，从而能有效提高开放空间微量气体检测的准确性。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

本发明一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法的特点是应用于由激光器、分束器、激光控制器、信号发生器、收发望远镜、角反射器、信号处理与采集模块依次连接组成的检测系统中，并按如下步骤进行：

步骤1.所述分束器将所述激光器发出的光进行分束，得到参考光路与探测光路；

所述信号处理与采集模块获取所述参考光路在当前周期k下的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N}以及所述探测光路在当前周期k的信号序列{d^k(m)|m＝1,2,…,N}，其中，y^k(m)为所述参考光路在当前周期k下的第m位置上的电压信号；d^k(m)为所述探测光路在当前周期k下的第m位置上的探测电压信号；

步骤2.利用式(1)和式(2)分别得到所述探测光路在当前周期k下的FFT信号D^k(n)和周期k+1下的FFT信号D^k+1(n)：

式(1)和式(2)中，N表示一个窗口的采样数，i表示所述窗口的起始位置；d^k(i)表示所述探测光路在当前周期k下的第i位置上的探测电压信号；d^k(i+N)表示所述探测光路在当前周期k下的第i+N位置上的探测电压信号；

步骤3.利用式(3)对FFT信号D^k(n)进行粗调滤波，得到滤波后的频谱信号D′^k(n)：

式(3)中，w(m)表示第m位置上的滤波器；W(n)表示w(m)的FFT信号，0≤n≤N-1；

步骤4.利用式(4)对所述滤波后的频谱信号D′^k(n)进行IFFT处理，得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)：

式(4)中，表示当前周期k下第m位置上的目标信号，并由式(5)得到；/>表示当前周期k下第m位置上的干扰信号，并由式(6)得到；

步骤5.调整所述滤波器w(m)，使得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)只包括目标信号，从而利用式(7)得到当前周期k下的目标信号矩阵H：

步骤6.利用式(8)构建当前周期k下的目标信号矩阵H与正交矩阵之间的表达式：

H＝UΛV^T (8)

式(8)中，V表示维度为(N-j+1)×j的正交矩阵，U表示维度为j×j的正交矩阵，Λ为对角矩阵，并有：

式(9)中，∑₀表示对角矩阵Λ在主对角线上的特征矩阵；

步骤7.选取所述对角矩阵Λ在主对角线上的l个特征值σ₁,σ₂,…,σ_l中前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃，然后利用式(8)的逆过程对前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃所构成的对角矩阵进行矩阵重构，从而得到探测光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号d″^k(m)；

步骤8.按照步骤2-步骤7的过程，对参考光路信号y^k(m)进行处理，从而得到参考光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号y″^k(m)；

步骤9.分别对参考光路重构后的电压信号y″^k(m)和探测光路重构后的电压信号y″^k(m)进行归一化处理后，再利用自适应迭代方法分别对归一化后的两个信号进行拟合，从而得到两个拟合结果并代入Beer-Lambert定律公式进行反演后，最终得到消除闪烁噪声后的气体浓度。

与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：

1.本发明中在不增加硬件结构的基础上，通过快速粗调滤波，并结合主特征信息提取与重构，解决了仪器受到外界环境干扰引起的闪烁噪声问题，简单快速，应用性强。

2.本发明对淹没信号进行快速粗调滤波检测，利用当前周期k下的的FFT信号快速获取周期k+1下的FFT信号，实现了快速频谱信号获取，通过调整滤波器w(m)，将淹没在噪声中的信号辨别出来，从而提高了信号的信噪比。

3.本发明对当前周期k下目标信号组成的矩阵H，利用前3个主特征值构成的对角矩阵进行矩阵重构，从而得到探测光路重构后的信号，实现了主特征信息的提取，消除了闪烁噪声，保证了测量精度，提高了开发空间微量气体检测的准确性。

附图说明

图1为本发明实施案例中的开放空间的气体检测系统的示意图；

图2本发明的一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法的流程图；

图3为本发明实施案例中两种方法除去背景噪声后的比较图；

图4为本发明实施案例中的自适应迭代拟合图；

图中标号：1信号发生器；2激光控制器；3激光器；4分束器；5第一光束准直器；6收发望远镜；7角反射器；8第二光束准直器；9标准气室；10光电探测器；11信号处理与采集模块。

具体实施方式

本实施例中，参见图1，开放空间的气体检测系统包括：激光器3、分束器4、激光控制器2、信号发生器1、收发望远镜6、角反射器7、信号处理与采集模块11。

其中的激光控制器2根据来自信号发生器1的输入信号调制激光器3的输出波长。信号发生器1对选定的吸收线进行扫描；

利用分束器4对的激光器3发出的光进行分束，分别为参考光路与探测光路；

其中参考光路经过第二光束准直器8准直后，发送到标准气室9后聚焦到光电探测器10上；探测光路经过第一光束准直器5准直后通过收发望远镜6出射，经遥测大气被角反射器7按照同样路径返回后聚焦到收发望远镜6内的光电探测器上；

两路信号被发送到信号处理与采集模块11后进行分析和反演。

参见图2，本实施例中，一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法，是按如下步骤进行：

步骤1.所述信号处理与采集模块获取所述参考光路在当前周期k下的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N}以及所述探测光路在当前周期k的信号序列{d^k(m)|m＝1,2,…,N}，其中，y^k(m)为所述参考光路在当前周期k下的第m位置上的电压信号；d^k(m)为所述探测光路在当前周期k下的第m位置上的探测电压信号；

步骤2.利用式(1)和式(2)分别得到所述探测光路在当前周期k下的FFT信号D^k(n)和周期k+1下的FFT信号D^k+1(n)：

式(1)和式(2)中，N表示一个窗口的采样数，i表示所述窗口的起始位置；d^k(i)表示所述探测光路在当前周期k下的第i位置上的探测电压信号；d^k(i+N)表示所述探测光路在当前周期k下的第i+N位置上的探测电压信号；

步骤3.利用式(3)对FFT信号D^k(n)进行粗调滤波，得到滤波后的频谱信号D′^k(n)：

式(3)中，w(m)表示第m位置上的滤波器；W(n)表示w(m)的FFT信号，0≤n≤N-1；

步骤4.利用式(4)对所述滤波后的频谱信号D′^k(n)进行IFFT处理，得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)：

式(4)中，表示当前周期k下第m位置上的目标信号，并由式(5)得到；/>表示当前周期k下第m位置上的干扰信号，并由式(6)得到；

步骤5.调整所述滤波器w(m)，使得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)只包括目标信号，从而利用式(7)得到当前周期k下的目标信号矩阵H：

步骤6.利用式(8)构建当前周期k下的目标信号矩阵H与正交矩阵之间的表达式：

H＝UΛV^T (8)

式(8)中，V表示维度为(N-j+1)×j的正交矩阵，U表示维度为j×j的正交矩阵，Λ为对角矩阵，并有：

式(9)中，∑₀表示对角矩阵Λ在主对角线上的特征矩阵；

步骤7.选取所述对角矩阵Λ在主对角线上的l个特征值σ₁,σ₂,…,σ_l中前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃，然后利用式(8)的逆过程对前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃构成的对角矩阵进行矩阵重构，从而得到探测光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号d″^k(m)；

步骤8.按照步骤2-步骤7的过程，对参考光路信号y^k(m)进行处理，从而得到参考光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号y″^k(m)；

步骤9.分别对参考光路重构后的电压信号y″^k(m)和探测光路重构后的电压信号y″^k(m)进行归一化处理后，再利用自适应迭代方法分别对归一化后的两个信号进行拟合，从而得到两个拟合结果并代入Beer-Lambert定律公式进行反演后，最终得到消除闪烁噪声后的气体浓度。

为了验证本发明方法的效果，本例利用所建立的开放空间的气体检测系统进行实验，利用本发明方法与和传统方法分别处理，获得进行去背景噪声后的信号，结果图如图3所示，可以看到本发明方法相对于传统方法除去背景噪声后信号质量明显得到了提高，闪烁噪声明显得到抑制。对图3结果同步进行自适应迭代拟合，得到信号如图4所示。传统的方法处理后进行自适应迭代拟合，R-Square为0.87859,Reduced chi-sqr为1.5772×10^-5。本发明方法修正后进行自适应迭代拟合，R-Square为0.91448,Reduced chi-sqr为8.81639×10^-6。实验结果证明了本发明提供的方法能在开放空间外界环境引起闪烁噪声时有效提高气体浓度测量的准确性。

Claims (1)

1.一种开放空间外界环境的气体闪烁噪声消除方法，其特征是应用于由激光器、分束器、激光控制器、信号发生器、收发望远镜、角反射器、信号处理与采集模块依次连接组成的检测系统中，并按如下步骤进行：

步骤1.所述分束器将所述激光器发出的光进行分束，得到参考光路与探测光路；

所述信号处理与采集模块获取所述参考光路在当前周期k下的信号序列{y^k(m)|m＝1,2,…,N}以及所述探测光路在当前周期k的信号序列{d^k(m)|m＝1,2,…,N}，其中，y^k(m)为所述参考光路在当前周期k下的第m位置上的电压信号；d^k(m)为所述探测光路在当前周期k下的第m位置上的探测电压信号；

步骤2.利用式(1)和式(2)分别得到所述探测光路在当前周期k下的FFT信号D^k(n)和周期k+1下的FFT信号D^k+1(n)：

式(1)和式(2)中，N表示一个窗口的采样数，i表示所述窗口的起始位置；d^k(i)表示所述探测光路在当前周期k下的第i位置上的探测电压信号；d^k(i+N)表示所述探测光路在当前周期k下的第i+N位置上的探测电压信号；

步骤3.利用式(3)对FFT信号D^k(n)进行粗调滤波，得到滤波后的频谱信号D′^k(n)：

式(3)中，w(m)表示第m位置上的滤波器；W(n)表示w(m)的FFT信号，0≤n≤N-1；

步骤4.利用式(4)对所述滤波后的频谱信号D′^k(n)进行IFFT处理，得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)：

式(4)中，表示当前周期k下第m位置上的目标信号，并由式(5)得到；/>表示当前周期k下第m位置上的干扰信号，并由式(6)得到；

步骤5.调整所述滤波器w(m)，使得到当前周期k下第m位置上的电压信号d′^k(m)只包括目标信号，从而利用式(7)得到当前周期k下的目标信号矩阵H：

步骤6.利用式(8)构建当前周期k下的目标信号矩阵H与正交矩阵之间的表达式：

H＝UΛV^T (8)

式(8)中，V表示维度为(N-j+1)×j的正交矩阵，U表示维度为j×j的正交矩阵，Λ为对角矩阵，并有：

式(9)中，∑₀表示对角矩阵Λ在主对角线上的特征矩阵；

步骤7.选取所述对角矩阵Λ在主对角线上的l个特征值σ₁,σ₂,…,σ_l中前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃，然后利用式(8)的逆过程对前3个主特征值σ₁,σ₂,σ₃所构成的对角矩阵进行矩阵重构，从而得到探测光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号d″^k(m)；

步骤8.按照步骤2-步骤7的过程，对参考光路信号y^k(m)进行处理，从而得到参考光路在当前周期k下第m位置上重构后的电压信号y″^k(m)；

步骤9.分别对参考光路重构后的电压信号y″^k(m)和探测光路重构后的电压信号y″^k(m)进行归一化处理后，再利用自适应迭代方法分别对归一化后的两个信号进行拟合，从而得到两个拟合结果并代入Beer-Lambert定律公式进行反演后，最终得到消除闪烁噪声后的气体浓度。