CN116089802A - 一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法及装置，包括初始化粒子、利用适应度函数计算每个粒子的适应度，将所述适应度中的最大值记，并将所述最优值对应的路径记为全局最优解；内插管消声器应用至光声池的进出气口，来抑制光声池进、出气口引入的噪声，从而提高光声信号检测极限灵敏度；此外，获得更好的全局搜索和局部搜索能力，且收敛到质量更好的最优解，能够排除无关变量的干扰，找到最优解。
Description
技术领域
本发明涉及光学工程和电气工程领域，尤其涉及一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法及装置。
背景技术
电能是当今社会最重要的能源形式之一，电力系统中的核心设备之一是电力变压器，变压器的安全稳定和有效运行是电网正常工作的重要保障。目前电力系统中最常用的是油浸式变压器，其中的绝缘介质是以液态的变压器油和纤维制品的绝缘纸为主的绝缘结构。在变压器长期运行的过程中，会出现油纸过热、火花和电弧放电或者受潮等故障。这些故障会导致绝缘材料中的高碳有机分子裂解，通过化学反应生成故障特征气体。常见的特征气体有CH4、C2H2、C2H4、C2H6、H2、CO2、CO等。通过对这些变压器油中溶解气体的定量检测，就可以判断出变压器的故障类型和严重程度。目前，对多组分变压器油中溶解气体的在线监测通常采用气相色谱法，但是其长期检测的重复性较差，并且载气和色谱柱的定期更换极大地增加了维护工作量。而光声光谱法从根本上解决了气相色谱法的诸多问题，可以克服目前广泛采用的在线色谱技术测量稳定性差、测量精度不高且运行维护困难等问题。光声光谱检测技术的噪声和误差来源主要有：光源的强度波动、传声器的老化形变、检测系统的电热噪声、外界环境噪声、背景气体微弱红外吸收引起的噪声、气体分子布朗运动噪声等。因此，针对这些噪声和误差，应探究适用于光声光谱检测技术的去噪方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法及装置，能够提高光声信号检测的极限灵敏度。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，包括：
S1、初始化粒子：设定粒子数为，随机产生个噪声衰减初始解和个初始粒子群速度；
S2、利用适应度函数计算每个粒子的适应度，将所述适应度中的最大值记为全局极值，并将所述全局极值对应的路径记为全局最优解。
进一步，还包括：
S3、根据所述适应度函数进行迭代；
直至迭代次数小于最大迭代次数时，根据当前位置和速度产生各个粒子的新位置，计算每个粒子新位置的适应度；
对每个粒子，将新位置的适应度设置为个体适应度极值，并更新所述噪声衰减初始解，找出最新的全局极值。
进一步，还包括：
S4、在噪声信号迭代过程中，加入相关噪声与非相关随机噪声，粒子群速度更新为：
其中，为光声光谱检测系统中迭代至次时与前一次迭代结果的联系程度；为相关或非相关噪声因数；为在第次迭代后的噪声衰减量；为服从均值为0、方差为1的高斯分布，以保证在粒子在即将陷入局部最优解时保证对速度的持续更新。
进一步，当时，则为：
此时，粒子失去找寻极值最优解的能力，容易陷入局部最优值；
当时，则为：
此时，种群失去找寻极值最优解的能力，规模为的群体等价于个粒子在单独运行，寻的最优值的概率较小。
进一步，由于所述粒子失去找寻极值最优解的能力和种群失去找寻极值最优解的能力，在迭代过程结束前需要再进行一次迭代，以检验计算结果是否为最优解；
若出现点使得或，定义此时为滞后点，则需接受滞后点的准则：
其中，，为自留系数，表示第此迭代对第次迭代的影响程度；为粒子空间中的适应度函数；
进一步，一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置，通过所述的方法实现，还包括：
气瓶，所述气瓶通过进气口与光声池相连通；所述光声池通过出气口与吸气泵相连通；
所述光声池通过微音器与锁相放大器相连；
所述锁相放大器与计算机相连。
进一步，所述光声池通过激光器与激光器驱动相连；激光器驱动通过函数发生器与所述计算机相连。
进一步，所述进气口和所述出气口均安装有消声器。
本发明的有益效果为：内插管消声器应用至光声池的进出气口，来抑制光声池进、出气口引入的噪声，从而提高光声信号检测极限灵敏度；
此外，获得更好的全局搜索和局部搜索能力，且收敛到质量更好的最优解，能够排除无关变量的干扰，找到最优解。
附图说明
图1 为本发明一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在光声光谱的气体检测中，提高灵敏度的一个常见策略是使用高功率激光器从而提高激光光源功率，另一种方式是提高相关或非相关噪声的抑制效果。光声光谱气体检测过程中的噪声源有很多，主要包括外界环境、气体运动、放大系统(EDFA)、电、池壁与窗片吸收所引起的噪声等。被定义为信噪比，从等式中可以看出若要提高系统的极限检测灵敏度就需要提高系统的信噪比，而要提高信噪比就需要降低噪声的幅值或者增大信号的幅值。
一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，包括：
S1、初始化粒子：设定粒子数为，随机产生个噪声衰减初始解和个初始粒子群速度；
S2、利用适应度函数计算每个粒子的适应度，将所述适应度中的最大值记为全局极值，并将所述全局极值对应的路径记为全局最优解。
还包括：
S3、根据所述适应度函数进行迭代；直至迭代次数小于最大迭代次数时，根据当前位置和速度产生各个粒子的新位置，计算每个粒子新位置的适应度；
对每个粒子，将新位置的适应度设置为个体适应度极值，并更新所述噪声衰减初始解，找出最新的全局极值。
还包括：
S4、在噪声信号迭代过程中，加入相关噪声与非相关随机噪声，粒子群速度更新为：
其中，为光声光谱检测系统中迭代至次时与前一次迭代结果的联系程度；为相关或非相关噪声因数；为在第次迭代后的噪声衰减量；为服从均值为0、方差为1的高斯分布，以保证在粒子在即将陷入局部最优解时保证对速度的持续更新。
当时，则为：
此时，粒子失去找寻极值最优解的能力，容易陷入局部最优值；
当时，则为：
此时，种群失去找寻极值最优解的能力，规模为的群体等价于个粒子在单独运行，寻的最优值的概率较小。
由于所述粒子失去找寻极值最优解的能力和种群失去找寻极值最优解的能力，在迭代过程结束前需要再进行一次迭代，以检验计算结果是否为最优解；
若出现点使得或，定义此时为滞后点，则需接受滞后点的准则：
其中，，为自留系数，表示第此迭代对第次迭代的影响程度；为粒子空间中的适应度函数。
在理想条件下，对全局变量进行搜索时，速度会从初始值逐渐增大以达到对全局进行搜索的目的，当粒子搜索到全局最优解附近时，速度会逐渐缩小以达到更精细搜索的目的，当粒子搜索到全局最优解时再继续进行搜索，速度会逐渐趋向于0，与仿真得到的结果相吻合。
如果设粒子数为，算法迭代次数为，则算法的时间复杂度为，通过改变和的值发现，随着粒子数和迭代次数的增加时间复杂度增长迅速。同时得到的适应度变化曲线变化不大。所以，选择适当的粒子数和迭代次数能够在最大程度利用资源的情况下得到较为理想的解。
该方法初始化时为一群随机粒子，然后通过迭代找到最优解，在每一次迭代中，粒子通过跟踪2个极值来更新自己。
由于在线监测系统需要使用共振式光声池且需要设有用于采样的、开放的进出气口，外界的噪声就会从开放的气口进入到光声池当中，降低了系统的信噪比，降低了光声检测系统的极限检测灵敏度，而且影响系统极限监测灵敏度的主要是与光声信号同频的一定范围内的噪声。
一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置，通过所述的方法实现，还包括：
气瓶1-1，所述气瓶1-1通过进气口3-3与光声池2-2相连通；所述光声池2-2通过出气口4-4与吸气泵5-5相连通；
所述光声池2-2通过微音器6-6与锁相放大器9-9相连；
所述锁相放大器9-9与计算机11-11相连。
所述光声池2-2通过激光器7-7与激光器驱动8-8相连；激光器驱动8-8通过函数发生器10-10与所述计算机11-11相连。
所述进气口3-3和所述出气口4-4均安装有消声器。
实施例一
光声光谱技术是在气体光声效应中，气体分子吸收入射光能被激发到高能态，由于高能态不稳定，被激发的气体分子会通过自发辐射跃迁或者无辐射跃迁方式回到低能态。在后一个过程中，气体分子的能量可转化为分子的平动和转动动能，宏观上表现为气体温度的上升，当体积一定时，温度上升会导致气体压力增大。如果对入射光能进行调制，使其强度成周期性的变化，气体温度会以调制频率的周期而变化，从而使得气体压力同样呈现周期性变化，当调制频率在声频范围内时，便会产生周期性变化的声信号，而声信号的强度与气体的浓度有关，因此建立气体浓度与声信号幅值的定量关系，就可以准确得到气体浓度。
将搭建的附加消音器的光声光谱气体检测装置以及光检测系统的噪声信号处理方法应用在实验中，以C2H4/N2混合气体作为测试对象，对检测装置进行光声响应测试。分别在安静环境、噪声频率为100 Hz和400Hz的噪声环境下开展试验，测试噪声控制前后光声噪声响应，结果如下
安静环境下，混合气体最低检测限为6.59ppm，噪声衰减度为2.94dB。
100Hz噪声环境下，混合气体最低检测限为3.33ppm，噪声衰减度为6.57dB。
400Hz噪声环境下，混合气体最低检测限为3.37ppm，噪声衰减度为5.82dB。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。
Claims (8)
1.一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，其特征在于，包括：
S1、初始化粒子：设定粒子数为，随机产生个噪声衰减初始解和个初始粒子群速度；
S2、利用适应度函数计算每个粒子的适应度，将所述适应度中的最大值记为全局极值，并将所述全局极值对应的路径记为全局最优解。
2.根据权利要求1所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，其特征在于，还包括：
S3、根据所述适应度函数进行迭代；直至迭代次数小于最大迭代次数时，根据当前位置和速度产生各个粒子的新位置，计算每个粒子新位置的适应度；
对每个粒子，将新位置的适应度设置为个体适应度极值，并更新所述噪声衰减初始解，找出最新的全局极值。
3.根据权利要求2所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，其特征在于，还包括：
S4、在噪声信号迭代过程中，加入相关噪声与非相关随机噪声，粒子群速度更新为：
其中，为光声光谱检测系统中迭代至次时与前一次迭代结果的联系程度；为相关或非相关噪声因数；为在第次迭代后的噪声衰减量为服从均值为0、方差为1的高斯分布，以保证在粒子在即将陷入局部最优解时保证对速度的持续更新。
4.根据权利要求3所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，其特征在于：
当时，则为：
此时，粒子失去找寻极值最优解的能力，容易陷入局部最优值；
当时，则为：
此时，种群失去找寻极值最优解的能力，规模为的群体等价于个粒子在单独运行，寻的最优值的概率较小。
5.根据权利要求4所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理方法，其特征在于：
由于所述粒子失去找寻极值最优解的能力和种群失去找寻极值最优解的能力，在迭代过程结束前需要再进行一次迭代，以检验计算结果是否为最优解；
若出现点使得或，定义此时为滞后点，则需接受滞后点的准则：
其中，，为自留系数，表示第此迭代对第次迭代的影响程度；为粒子空间中的适应度函数。
6.一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置，其特征在于：通过如权利要求1至5中任一项所述的方法实现，还包括：
气瓶（1-1），所述气瓶（1-1）通过进气口（3-3）与光声池（2-2）相连通；所述光声池（2-2）通过出气口（4-4）与吸气泵（5-5）相连通；
所述光声池（2-2）通过微音器（6-6）与锁相放大器（9-9）相连；
所述锁相放大器（9-9）与计算机（11-11）相连。
7.根据权利要求6所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置，其特征在于：所述光声池（2-2）通过激光器（7-7）与激光器驱动（8-8）相连；激光器驱动（8-8）通过函数发生器（10-10）与所述计算机（11-11）相连。
8.根据权利要求7所述的一种应用于光声光谱检测系统的噪声信号处理装置，其特征在于：所述进气口（3-3）和所述出气口（4-4）均安装有消声器。
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