CN117629898B - 光声光谱气体分析仪的信号处理方法、系统及可读介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光声光谱气体分析仪的信号处理方法、系统及可读介质。光声光谱气体分析仪包括光源、光源调制器、光声池、设于光声池内的声音探测器、设于光声池两端的左反射镜和右反射镜，光声池内还设有左半透半反镜、右半透半反镜和侧反射镜；信号处理方法包括以下步骤：通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号。本发明利用热释电信号对光声信号进行归一化修正，能够消除光强抖动的影响，保持良好的稳定性；另外，在光声池中增加半透半反镜，有效延长了光声池光程。

Description

光声光谱气体分析仪的信号处理方法、系统及可读介质

技术领域

本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种光声光谱气体分析仪的信号处理方法、系统及可读介质。

背景技术

光声光谱技术是利用激光器获取单一波长或多个波长的光入射至待测气体后由麦克风或压电传感器等声波检测器接收分析的光谱分析技术。当光照射到待测气体后特定波长的光会被吸收，导致测量环境的温度升高，温度升高后会引起体积膨胀或收缩，进而形成了声波，利用麦克风或压电传感器检测声波信号的变换，声波信号的振幅和频率与气体的光学吸收特性相关；通过分析声波信号的振幅和频率，可以获得待测气体的物质种类和浓度。

由于光声光谱技术不是直接测量光强度的变化，而是测量光声效应产生的声波信号，因此与光的散射和透射无关。因此，它是一种无背景信号干扰的间接测量方法，同时光声光谱技术具有灵敏度高、选择性高、不消耗载气、体积小、易实现多气体检测等优点。

现有多组分气体测量方案往往使用黑体辐射光源，通过不同的滤光片进行测量获取气体浓度，通过获取信号大小来反演气体浓度，然而测量信号大小容易受光强抖动的影响，使得稳定性无法保证。另外，当光声池中的温度和压力发生变化，光声信号也会产生变化，因此有必要对光声信号进行修正。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种光声光谱气体分析仪的信号处理方法、系统及可读介质。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种光声光谱气体分析仪的信号处理方法，所述光声光谱气体分析仪包括光源、光源调制器、光声池、设于光声池内的声音探测器、设于光声池两端的左反射镜和右反射镜，光声池内还设有左半透半反镜、右半透半反镜和侧反射镜，光源发出的光经过左半透半反镜的反射进入光声池的中心腔体至右半透半反镜，经过右半透半反镜的反射进入热释电探测器；透过右半透半反镜的光依次经过右反射镜反射以及右半透半反镜透过重新进入光声池的中心腔体至左半透半反镜，左半透半反镜透过的光经过左反射镜反射后重新透过左半透半反镜至光声池的中心腔体；其中，光源发出的光透过左半透半反镜后依次经过侧反射镜反射、左半透半反镜反射、左反射镜反射、左半透半反镜透过后进入光声池的中心腔体；

所述信号处理方法包括以下步骤：

通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；

利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；

将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号。

作为优选方案，所述修正后的热释电信号V ₀ 为：

；

其中，V为采集的热释电信号，f为调制频率，为频率修正系数。

作为优选方案，所述归一化后的光声信号为：

；

其中，为采集的光声信号。

作为优选方案，所述信号处理方法还包括：

利用光声池的温度和压力对归一化后的光声信号进行修正，得到修正后的光声信号。

作为优选方案，所述修正后的光声信号为：

；

其中，P和T分别为光声池的当前温度和当前压力，P ₀和T ₀分别为光声池的基准压力和基准温度，为压力修正系数，/>为温度修正系数。

作为优选方案，所述光声光谱气体分析仪还包括N种滤光片和切换机构，切换机构用于切换不同的滤光片对光源发出的光进行滤光，实现多组分气体的分析；其中，N为大于1的整数。

作为优选方案，所述光源采用ECDL激光器。

作为优选方案，所述光声池为共振式光声池。

本发明还提供一种光声光谱气体分析仪的信号处理系统，应用于如上方案所述的信号处理方法，所述信号处理系统包括：

采集模块，用于通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；

修正模块，用于利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；

归一化模块，用于将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号。

本发明还提供一种可读介质，所述可读介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一项方案所述的信号处理方法。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

（1）本发明利用热释电信号对光声信号进行归一化修正，能够消除光强抖动的影响，保持良好的稳定性；

（2）本发明在传统光声池中增加半透半反镜，有效延长了光声池光程；

（3）本发明在外部环境的温度和压力发生改变时，可实现自动校准。

附图说明

图1是本发明实施例1的光声光谱气体分析仪的光路示意图；

图2是本发明实施例1的信号处理方法的流程图；

图3是本发明实施例1的采集的光声信号和修正后的光声信号对比图；

图4是本发明实施例1的信号处理系统的构架图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图1所示，本实施例的光声光谱气体分析仪，包括红外光源1、光源调制器2、光声池3、声音探测器4、热释电探测器5、左反射镜6、右反射镜7、左半透半反镜8、右半透半反镜9、侧反射镜10、滤光片11、切换机构12、高速电机13和切光片14。其中，切换机构12包括切换座和驱动电机，四片滤光片11（滤光片的数量可根据实际需求进行调整）周向分布于切换座，通过驱动电机驱动切换座转动，实现滤光片11的切换。另外，高速电机13驱动切光片14进行调制具体可参考现有技术，在此不赘述。

本实施例的红外光源1采用ECDL激光器，无需经过高速电机13调制，通过分时连续对光源调制器2设定不同电流，可以获取激光器的不同气体组分处的不同波长位置的光来实现多组分气体测量。另外，本实施例还可以通过红外光源1结合不同滤光片的方案，根据监测气体不同，可通过切换机构12来选择不同滤光片，进而鉴定气体成分；采用高速电机13驱动切光片14对红外光源1进行调制，使得光源被调制到光声共振频率上，通过编码器或光电开关的测速监测实时修正调制频率。具体通过切换不同滤光片实现不同波长的位置的光信号测量，实现信号的快速测量。

本实施例的光声池3采用共振式光声池，由于共振式光声池使得声音信号实现K倍放大，使用与光声池共振频率的锁相参数即可获取光声信号。

本实施例的声音探测器4安装在光声池内腔的中部，用于探测光声池内的声波信号。

本实施例的左反射镜6、右反射镜7分别安装在光声池3的左、右两端，对应于左反射镜6分别安装左半透半反镜8、侧反射镜10，对应于右反射镜7安装右半透半反镜9。

本实施例的光声池3的左侧具有进气管路，进气管路设有压力控制器15和进气阀16；光声池3的右侧具有出气管路，出气管路设有出气阀17和流量检测器18。另外，光声池3设有加热片19和温度传感器，用于对光声池3进行加热和测温。光声池由加热片及其温度测量部件实现恒温控制，压力部分由压力控制器维持测量过程中的压力。

本实施例的光声光谱气体分析仪的光路具体为：

红外光源1发出的光首先经过滤光片11，然后进入高速电机13调制的切光片14作用，接着经过左半透半反镜8的反射进入光声池3的中心腔体至右半透半反镜9，经过右半透半反镜9的反射进入热释电探测器5，热释电探测器5检测到热释电信号；另外，透过右半透半反镜9的光依次经过右反射镜7反射以及右半透半反镜9透过重新进入光声池的中心腔体至左半透半反镜8，左半透半反镜8透过的光经过左反射镜6反射后重新透过左半透半反镜8至光声池3的中心腔体；其中，红外光源1发出的光透过左半透半反镜8后依次经过侧反射镜10反射、左半透半反镜8反射、左反射镜6反射、左半透半反镜8透过后进入光声池3的中心腔体。

本实施例的光声池经过上述反射镜以及半透半反镜的组合作用实现M次的来回反射，延长了光程，可实现吸收增强。光声信号与红外光源的初始光强I ₀之间的关系为：

；

其中，K为共振放大倍数，M为总反射次数，A为单次吸收系数。

如图2所示，本实施例的光声光谱气体分析仪的信号处理方法包括以下步骤：

（1）光源波长选择

根据所需检测的气体组分选择相应的光源波长；

（2）光源调制

根据所选择的光源波长进行光源调制；

（3）信号采集

通入待测气样后保持压力和温度稳定后，通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号V和光声信号；

（4）热释电信号修正

利用光源调制器的调制频率f对热释电信号V进行修正，得到修正后的热释电信号；具体地，修正后的热释电信号V ₀ 为：

；

其中，V为采集的热释电信号，f为调制频率，为频率修正系数。

（5）光声信号的归一化

将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号；具体地，归一化后的光声信号为：

；

其中，为采集的光声信号。

经过上述归一化之后，能够消除光强抖动的影响。

（6）光声信号的修正

利用光声池的温度和压力对归一化后的光声信号进行修正，得到修正后的光声信号；具体地，修正后的光声信号为：

；

其中，P和T分别为光声池的当前温度和当前压力，P ₀和T ₀分别为光声池的基准压力和基准温度，为压力修正系数，/>为温度修正系数。

如图3所示，光声原始信号经过上述信号处理过程之后，得到的修正后的光声信号的稳定性更佳。

基于上述光声光谱气体分析仪的信号处理方法，如图4所示，本实施例还提供光声光谱气体分析仪的信号处理系统包括以下功能模块：采集模块、修正模块和归一化模块。

具体地，采集模块用于通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；还用于采集光声池的温度和压力；

修正模块用于利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；

归一化模块用于将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号；

上述修正模块还用于基于光声池的温度和压力对归一化后的光声信号进行修正，得到修正后的光声信号。

本实施例的上述功能模块的工作过程可参见上述信号处理方法中的具体描述，在此不赘述。

本实施例还提供可读介质，可读介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的信号处理方法，实现信号的智能化处理。

实施例2：

本实施例的光声光谱气体分析仪的信号处理方法与实施例1的不同之处在于：

省略上述光声信号的修正过程，适用于恒温恒压的应用环境，满足不同应用的需求；

相应地，光声光谱气体分析仪的信号处理系统省略修正模块对于光声信号的修正过程；

其他步骤以及模块可参考实施例1，在此不赘述。

本实施例的可读介质，可读介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述的信号处理方法，实现信号的智能化处理。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光声光谱气体分析仪的信号处理方法，其特征在于，所述光声光谱气体分析仪包括光源、光源调制器、光声池、设于光声池内的声音探测器、设于光声池两端的左反射镜和右反射镜，光声池内还设有左半透半反镜、右半透半反镜和侧反射镜，光源发出的光经过左半透半反镜的反射进入光声池的中心腔体至右半透半反镜，经过右半透半反镜的反射进入热释电探测器；透过右半透半反镜的光依次经过右反射镜反射以及右半透半反镜透过重新进入光声池的中心腔体至左半透半反镜，左半透半反镜透过的光经过左反射镜反射后重新透过左半透半反镜至光声池的中心腔体；其中，光源发出的光透过左半透半反镜后依次经过侧反射镜反射、左半透半反镜反射、左反射镜反射、左半透半反镜透过后进入光声池的中心腔体；

所述信号处理方法包括以下步骤：

通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；

利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；

将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号；

所述修正后的热释电信号V₀为：

其中，V为采集的热释电信号，f为调制频率，a₀、a₁、a₂、a₃为频率修正系数；

所述归一化后的光声信号ρ为：

其中，ρ₀为采集的光声信号；

所述信号处理方法还包括：

利用光声池的温度和压力对归一化后的光声信号进行修正，得到修正后的光声信号；

所述修正后的光声信号ρ^*为：

其中，P和T分别为光声池的当前温度和当前压力，P₀和T₀分别为光声池的基准压力和基准温度，k₀、k₁、k₂为压力修正系数，k₃、k₄为温度修正系数。

2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述光声光谱气体分析仪还包括N种滤光片和切换机构，切换机构用于切换不同的滤光片对光源发出的光进行滤光，实现多组分气体的分析；其中，N为大于1的整数。

3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述光源采用ECDL激光器。

4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述光声池为共振式光声池。

5.一种光声光谱气体分析仪的信号处理系统，应用于如权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理系统包括：

采集模块，用于通过热释电探测器和声音探测器分别采集热释电信号和光声信号；

修正模块，用于利用光源调制器的调制频率对热释电信号进行修正，得到修正后的热释电信号；

归一化模块，用于将光声信号与修正后的热释电信号相除，获得归一化后的光声信号；

所述修正模块还用于基于光声池的温度和压力对归一化后的光声信号进行修正，得到修正后的光声信号。

6.一种可读介质，所述可读介质中存储有指令，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任一项所述的信号处理方法。