CN117871450A - 一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，包括以下步骤，S1，计算滤光片带宽的小数吸收值，S2，将改造为关于的函数，并引入函数来记录每组所对应的不同的个数；S3，定义贡献度，S4，传统的拟合公式对应了式5中的情况；S5，将公式推广到相和相，S6，将贡献度模型推广至维，以求解种气体，S7，获取训练集。本发明的一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法修正了NDIR域内的比尔‑朗伯定律，并将其推广至维相，用于实现种谱线交叠气体的零交叉干扰检测。
Description
技术领域
本发明属于非分散红外气体检测领域，具体涉及一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法。
背景技术
中红外波段的吸收谱线适用于多种气体，包括常见的温室气体如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、空气污染物如一氧化碳、氮氧化物、挥发性有机化合物、气象监测中的水汽等。并且，这些气体在中红外波段通常具有较强的吸收，吸收系数远大于可见光或近红外波段。
因此，中红外气体检测器通常具有高灵敏度，能够检测到非常低浓度的气体。这使得中红外气体检测器在环境监测、呼吸检测、空气质量监测、工业安全等领域具有广泛的应用价值。
非分散红外(NDIR)作为中红外气体检测器的一种，采用宽谱光源进行气体检测，光源的光谱范围覆盖了多个气体吸收峰，具备多气体检测能力。然而，不同气体的吸收谱线可能会存在交叠。交叠部分的光会同时受到两种或多种气体的吸收，其它气体的光吸收会对目标气体浓度的识别产生交叉干扰，这将导致测量结果不准确、数据不稳定等问题。
现有的消除交叉干扰的方式一种是需要定制某种特定的波长的滤光片，合适的滤光片可以增加系统的光谱选择性，将交叠部分的光谱滤除以克服交叉干扰。但这种方案往往需要极窄的中红外滤光片，这种滤光片制造工艺复杂且成本较高；并且，滤光片透射率会随着带宽变窄而显著减小，导致系统光信号的衰减；再结合上滤光片带宽变窄本身所导致的光信号衰减，NDIR气体检测系统的浓度分辨率将会骤降。该方案虽然能够解决交叉干扰的问题，但却增加了成本，降低了系统的浓度分辨率。除此之外，该方案还存在一个致命的缺陷。当面对甲烷、乙烷、丙烷或挥发性有机化合物(VOCs)等分子结构接近的气体，吸收光谱出现全谱线交叠时，目标气体如丙烷的吸收光谱被其它气体如甲烷、乙烷全谱线覆盖，此时无论滤光片带宽做到多窄都无法排除其它气体的交叉干扰。这一缺陷极大的限制了NDIR的发展和应用。
因此，如何实现对全谱线交叠的混合气体CH4、C2H6、C3H8的零交叉干扰NDIR检测是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，包括以下步骤：
S1，计算滤光片带宽内的小数吸收（/>）值，它本质上是对/>个波长下/>的平均，
，
其中， 是在波长/>处的小数吸收值，/>表示带宽/>内存在/>种不同波长（/>）的单色光，
S2，将改造为关于/>的函数/>，并引入函数/>来记录每组/>所对应的不同/>的个数：
，
其中，、/>和/>分别对应了三种气体的吸收系数，/>、/>、/> 分别表征了三种气体吸收系数的大小，其中/>是其索引，取值从/>到/>，/> 是一个与光带宽相关的函数，表示对应吸收系数组合/>下的光带宽的大小，/>是在光吸收系数组合下的小数吸收值，
S3，将式5中核心的部分定义为贡献度，其反映了大小为/>的吸收系数组合，对于最终小数吸收/>的贡献程度：
。
S4，传统的拟合公式对应了式5中的情况：
，
其中，是指透射光强度变化值，/>是一个常数，代表响应变量/>的最大变化值，/>是指光通过目标气体的光程，/>表示三种气体的浓度值，/>分别对应了/>相关的衰减系数，/>是一个常数，代表不随气体浓度变化的这部分光强；
S5，将公式推广到相和/>相，
，
。
S6，将贡献度模型推广至维，以求解/>种气体，
，
其中，式15为维/>相的拟合函数，其中/>维是指滤光片带通范围内存在/>种谱线交叠的气体,/>相则体现了拟合的精度，/>是第/>相的光带宽值，其中/>从/>到/>, />是第/>相当中第/>种气体的吸收系数大小，/>表示第/>种气体的浓度值，其中/>从/>到/>；
S7，获取训练集，训练集中包含个通道的电信号值以及对应的混合气体的浓度值，拟合函数式15对训练集数据进行拟合，构建关于/>个通道的/>个非线性方程，此时，只需输入/>个通道的电信号值求解该非线性方程组，即可得到/>种气体的浓度值。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：步骤S1中，先计算光电探测器接收的总光强，宽谱光源所发出的光在经过目标气体的吸收后通过滤光片，此时光电探测器接收的总光强/>可以表示为/>种不同波长/>的单色光的总和，而每种单色光的强度都遵循比尔-朗伯定律出现特定的衰减：
其中，/>和/>分别为带通滤光片的上下截止波长，/>是指初始光强，/>是指波长为/>时的吸收系数，/>是目标气体的浓度值，/> 是指波长间隔；
再采用小数吸收来表征目标气体分子对红外光的吸收程度，
其中，为小数吸收值，I是穿过目标气体后的透射光强度，/>是没有目标气体时的入射光强度。
作为本发明的优选技术方案：当滤光片带通范围内存在三种气体时，表现为
，
其中，分别是一个通道中三种不同气体在波长/>处的吸收系数，/>分别是三种气体的浓度值，/>和/>为三种气体的对应的吸收系数。
作为本发明的优选技术方案：步骤S2中，
，
，
采用式6、式7、式3得出式5，
其中，
。
作为本发明的优选技术方案：步骤S2中，的大小本质上是由/>的分布所决定的：
，
其中，分别表示对波长/>的积分变量。
作为本发明的优选技术方案：步骤S7中，在全交叠谱线上布置了三个通道，每个通道分别进行训练集数据的采集，然后根据拟合函数式15对训练集数据进行拟合，每个通道都可以得到一个方程
基于matlab中的fsolve函数，输入三个通道的电信号值，即可求解出混合气体的浓度值/>，
。
与现有技术相比，本发明的一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，根据NDIR气体检测使用宽谱光源的特点，创造性地提出了目标气体吸收系数的贡献度模型，修正了NDIR域内的比尔-朗伯定律，并将其推广至维/>相，用于实现/>种谱线交叠气体的零交叉干扰检测。通过这一高物理可解释性、高泛化能力的拟合函数，成功实现了对全谱线交叠的混合气体(CH4、C2H6、C3H8)的零交叉干扰NDIR检测。
相比较传统的方案，本发明的处理方法无需增加任何额外的成本，仅依靠模型本身的优越性实现了NDIR领域中交叉干扰的消除，突破了传统NDIR检测的边界，精确检测混合气体，为NDIR交叉干扰的消除提供了新的解决方案。
附图说明
图1为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的测试系统结构图；
图2为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的求解原理图；
图3为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的气体光谱分布图；
图4为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的训练集与测试集分布图；
图5为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的真实值与求解值分布图；
图6为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的测试集误差分布图；
图7为本发明非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法的三种气体平均相对误差图；
附图中，中红外光源1；光学斩波器2；进光孔3；进气口4；气体吸收池5；出气口6；出光孔7；带通滤光片8；聚光透镜9；光电探测器10。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
宽谱光源所发出的光在经过目标气体的吸收后通过滤光片，此时光电探测器接收的总光强可以表示为/>种不同波长/>的单色光的总和，而每种单色光的强度都遵循比尔-朗伯定律出现特定的衰减：
其中，/>和/>分别为带通滤光片的上下截止波长。目标气体对于红外光的吸收程度可以用小数吸收（fractional absorbance）来表征。/>是一个/>之间的数，/>越接近1，说明红外吸收越强烈。
根据式1、式2，可以得到：
当滤光片带通范围内存在三种气体时，表现为：
我们可以将改造为关于/>的函数/>，并引入函数来记录每组/>所对应的不同/>的个数：
其中
我们将式5中核心的部分定义为贡献度，它反映了在区间/>范围内，大小为/>的吸收系数，对于最终小数吸收/>的贡献程度：
此时，的大小本质上是由/>的分布所决定的：
传统的拟合公式对应了式5中的情况：
很自然的，我们可以将该公式推广到相和/>相：
以上是三种气体的结论。进一步的，我们可以将贡献度模型进一步推广至维，以便求解/>种气体：
式15即为维/>相的拟合函数，其中/>维是指滤光片带通范围内存在/>种谱线交叠的气体，/>的大小视具体情况而定；/>相则体现了拟合的精度，一般来说/>越大拟合精度越高。但相数的增加也会引起模型中参数的增加，导致计算复杂度的增加，响应时间变慢；另一方面，更多的参数通常需要更多的数据来进行准确的估计。如果数据量有限，拟合函数中的过多参数可能会导致参数估计的不稳定性。因此根据实际情况选取合适相数的拟合函数，对于求解来说至关重要。
通过这一高物理可解释性、高泛化能力的拟合函数（式15），我们成功实现了对全谱线交叠的混合气体(CH4、C2H6、C3H8)的零交叉干扰NDIR检测。
实施例1
如图1所示，待测气体从气体吸收池5进气口4通入，从出气口6流出，中红外光源1所发出的光线经过光学斩波轮2频率调制之后从进光孔3进入气体吸收池5，光线在穿越气体吸收池5的过程中被待测气体吸收，光强产生特定衰减。最终，光线从出光孔7出射，经过带通滤光片8以及聚光透镜9的作用后由红外光电探测器所接收。
图2展示了贡献度模型与传统方案的不同之处，在确定n种气体的浓度时，传统方法只需建立n个基于n个通道的一维方程，求解过程相对简单。然而，这种方法忽略了每个通道带宽内其他气体潜在的交叉干扰，不可避免地导致最终浓度反演结果的准确性下降。相比之下，使用贡献模型的浓度重建更加精细。 对于同一组电信号向量 ，该方法通过求解n个n维方程组来重构浓度向量 />，从而显着提高了求解的精度，进一步扩大了其适用范围。
图3中的三个滤光片构成了三个通道，每个通道分别进行训练集数据的采集。数据采集的过程就是不断改变气室内气体的浓度值，从而得到不同气体浓度组分下的电信号值。然后根据拟合函数式15对训练集数据进行拟合，每个通道都可以得到一个方程（式16），训练集和测试集的选取如图4所示。基于matlab中的fsolve函数，此时，只需要输入三个通道的电信号值即可重构计算出混合气体的浓度值/>:
如图5所示，我们随机选择了7组测试集数据进行求解，可以观察到真实值和求解值之间的误差非常微小。进一步分析（图6、7），CH4、C2H6、C3H8三种气体的平均相对误差仅为10.86%、7.93%、2.03%，能够以NDIR技术实现这一指标无疑是革命性的。这一成果突破了传统NDIR检测的边界，为NDIR交叉干扰的消除提供了新的解决方案。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，包括以下步骤：
S1，计算滤光片带宽内的小数吸收值/>，它本质上是对/>个波长下/>的平均，
，
其中， 是在波长/>处的小数吸收值，/>表示带宽/>内存在/>种不同波长（/>）的单色光，
S2，将改造为关于/>的函数/>，并引入函数/>来记录每组/>所对应的不同/>的个数：
，
其中，、/>和/>分别对应了三种气体的吸收系数，/>、/>、/> 分别表征了三种气体吸收系数的大小，其中/>是其索引，取值从/>到/>，/> 是一个与光带宽相关的函数，表示对应吸收系数组合/>下的光带宽的大小，/>是在光吸收系数组合下的小数吸收值，
S3，将式5中核心的部分定义为贡献度，其反映了大小为/>的吸收系数组合，对于最终小数吸收/>的贡献程度：
，
S4，传统的拟合公式对应了式5中的情况：
，
其中，是指透射光强度变化值，/>是一个常数，代表响应变量/>的最大变化值，/>是指光通过目标气体的光程，/>表示三种气体的浓度值，/>分别对应了/>相关的衰减系数，/>是一个常数，代表不随气体浓度变化的这部分光强；
S5，将公式推广到相和/>相，
，
，
S6，将贡献度模型推广至维，以求解/>种气体，
，
其中，式15为维/>相的拟合函数，其中/>维是指滤光片带通范围内存在/>种谱线交叠的气体,/>相则体现了拟合的精度，/>是第/>相的光带宽值，其中/>从/>到/>, />是第/>相当中第/>种气体的吸收系数大小，/>表示第/>种气体的浓度值，其中/>从/>到/>；
S7，获取训练集，训练集中包含个通道的电信号值以及对应的混合气体的浓度值，拟合函数式15对训练集数据进行拟合，构建关于/>个通道的/>个非线性方程，此时，只需输入/>个通道的电信号值求解该非线性方程组，即可得到/>种气体的浓度值。
2.如权利要求1所述的非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，其特征在于：步骤S1中，先计算光电探测器接收的总光强，宽谱光源所发出的光在经过目标气体的吸收后通过滤光片，此时光电探测器接收的总光强/>可以表示为/>种不同波长/>的单色光的总和，而每种单色光的强度都遵循比尔-朗伯定律出现特定的衰减：
，
其中，/>和/>分别为带通滤光片的上下截止波长，/>是指初始光强，是指波长为/>时的吸收系数，/>是目标气体的浓度值，/> 是指波长间隔；
再采用小数吸收来表征目标气体分子对红外光的吸收程度，
，
其中，为小数吸收值，I是穿过目标气体后的透射光强度，/>是没有目标气体时的入射光强度。
3.如权利要求1所述的非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，其特征在于：当滤光片带通范围内存在三种气体时，表现为
，
其中，分别是一个通道中三种不同气体在波长/>处的吸收系数，分别是三种气体的浓度值，/>和/>为三种气体的对应的吸收系数。
4.如权利要求1所述的非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，其特征在于：步骤S2中，
，
，
采用式6、式7、式3得出式5，
其中，
。
5.如权利要求1所述的非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，其特征在于：步骤S2中，的大小本质上是由/>的分布所决定的：
，
，
其中，分别表示对波长/>的积分变量。
6.如权利要求1所述的非分散红外气体检测中的交叉干扰处理方法，其特征在于：步骤S7中，在全交叠谱线上布置了三个通道，每个通道分别进行训练集数据的采集，然后根据拟合函数式15对训练集数据进行拟合，每个通道都可以得到一个方程
，
基于matlab中的fsolve函数，输入三个通道的电信号值，即可求解出混合气体的浓度值/>，
。
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