探讨气体检测中如何应用数字信号处理技术 |
| 2012-07-30 11:21 作者：李昊泽 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月30日消息 （原文载于《硅谷》杂志）针对目前常用的半导体激光吸收光谱的气体测量技术，数字信号处理可以帮助其降低测量信号中的噪声，由此帮助测量获得更加准确的测量结果。即先对信号进行频谱分析然后在针对性的设计滤波装置，这样就获得更加准确的二次谐波曲线。
在工业生产中不可避免的会产生有害气体，因此有毒有害其他已经成为了工业生产中重要的附属产品，不完全统计我国的工业生产中有毒与有害气体占据工业污染的七成。在实际的生产中发现有毒有害气体形成泄漏的事故起因较为复杂，主要是因为自然灾害、安全技术措施、设备安全水平、安全管理意识等，这些因素相互作用导致了事故的发生。这样反映了我国的工业气体检测技术与水平还具有一定的局限性，因此为了避免或者减少有害气体的泄漏事故就需要建立气体完善的检测系统，完善工业流程中对有毒有害气体的检测理论基础与关键技术，以此实现有毒有害气体的实时性监控，并建立其预警系统为生产服务。
目前常用的有毒气体检测是利用理化性质和电化学传感器等完成检测，如：基于可调谐半导体激光收光谱气体传感器。该技术通过光纤耦合技术，直接穿过检测管道，就可以对管道中的气体参数进行检测，获得温度、压力等数值。TDLAS技术具备的是光学遥测技术，其灵敏度和动态化较好，且多组分可以同时进行，为了研究气体的组成、污染成因、机理条件等提供了较好的技术平台。目前，的TDLAS技术中所涉及的数字滤波技术包括：小波变换、αβγ滤波等。这些技术都有其优势与劣势，所以为了满足气体检测中的滤波算法更具有效性，并保证实时性，可以采用在案信号频谱分析原理上利用数字滤波器对检测数据进行过滤与处理，并且获得了较好的效果。
2气体检测中数字信号处理的基本原理
按照检测的数据显示，甲烷在固定的波长附件其具有较强的吸收线，并在这个吸收线附近也不存在气体具有较强吸收线。按照TDLAS的气体检测原理将激光二极管的发射波长调整至甲烷的吸收特征区域，在待测的甲烷气体吸收的核心频率归零的位置，对激光发生进行调谐，通常可以形成一个几纳米的调谐范围。在一定的频率范围内检测中使用的直流电流叠加上正弦波调制电流，然后加载到二极管驱动电流上，由此就可以获得激光输出瞬间所具备的频率参数，如下式：
公式中的λαD调谐振幅；w则是调制频率。试验的基本原理是激光二极管驱动电源驱动电路被DSP获得，波长调制完成的激光二极管经过待测气体中，入射前后的强度可以利用Beer-Lambert定理进行计算并获得，如下式：
公式中I0所代表的是光强参数，I则是入射后的光的强度，R则是待测的气体样品所反应出现的反射率，n是反射的次数，δ（λ）所表述的是分子在频率λ位置的吸收截面；C是分子数的浓度，L则是反射的总光程，如果σ（λ）.C.L?<<1，则调制的振幅在足够小的时候，I（λ）在λ0附近进行傅里叶计算：
其中涉及到的傅里叶幅值可以表示如下：
由上式获得的二次谐波的幅值则为：
从上面的公式可以看出，幅值和气体本身的浓度是呈现正比例的。
TDLAS气体测量技术中测量气体浓度主要是基于对气体分子吸收线的参数测量，吸收线是分子固有的基本特征，气体在吸收线波长位置的激光具有相对明显的吸收效果，利用这个原理对激光波长调谐，使其波长调谐到待测气体吸收先的波长位置，此时利用对被测气体的吸收线特征的分析，就可利用激光变化完成气体浓度和成分的测量。如果在系统工作中不能够准确的获得二次谐波曲线，则气体的反演所获得的浓度就会出现较大的偏差，从而导致了测量结果的误差，导致测量不能准确反应气体成分与浓度。为此应对数字信号进行必要的降噪处理才能获得有效测量参数。其基本的原理就是利用放大器获得二次谐波中获得的多种干扰噪音，并降低其噪声提高信噪比，此时数字滤波的装置就成为了降低噪声的重要方式。
3气体检测中的数字信号处理
3.1数字滤波的算法分析
在对气体检测数据的信号处理中采用的是DSP芯片来实现滤波。主要的流程是：首先，对采集到的数据存入到配置的存储单元，滤波器的各个滤波系数分别对采样值进行过滤，设置滤波系数对短时间内的采样信号进行滤波可以看做对有限序列的滤波，从而获得过滤后的信号；即实现了对输入信号与滤波信号的卷积计算；其次将信号进行FFT转化，利用频域信号成绩的FFT进行反向变换求得输出信号；第三，利用起初的计算方式，通过在时域进行数据的卷积运算，试验程序采用的是循环寻址的方法来获得卷积乘法累加起来，在存储器中建立一个数据缓冲，并设定长度。利用不同的指针对采样来的数据从低地址向高地址的次序存入，以此完成数据处理；最后，数字信号的处理即滤波关键是根据测量信号的具体参数来准确设定滤波的具体参数。在对气体测量的二次谐波的检测时，等待处理的信号是未知的，如果可以知道待测信号的频率与幅值则可以为数字处理提供帮助。
3.2试验仿真的效果分析
在试验中利用软件模拟了测量的仿真环境，并以此对处理数字信号的滤波器进行分析，根据二次谐波的调谐原理，在软件的帮之下搭建一个实验模型，待测信号与调谐信号都采用相同的频率但是幅值不同正弦信号进行模拟，调谐信号和待测信号都采用乘法器和一个低通滤波器进行处理，然后在将信号接入到示波器上，则显示出谐波信号，当参考信号和被测信号的频率相同时就会获得一个直流信号，这个信号就是试验中获得的二次谐波的幅值信号。这个信号在受到外界干扰后就会在待测信号中产生大量噪音，不能清晰的获得有用信号的信息，因此利用低通滤波器对信号进行初步处理，即简单的对信号进行降噪处理，但是这样设计的滤波器具体的性能指标不容易确定，所以为了方便与准确的获得滤波性能指标，可以先对信号进行频谱分析，由此获得较为清晰的待测信号的信息参数，如幅值和频率等，这样在数字信号处理中就可较为容易的获得相应的滤波器参数。在试验结果中可知，待测信号中的有用信号频率主要集中在低频区域，噪声信号则主要体现出高频特征，此时就可方便的设定低通滤波器来处理信号。如：根据分析的频谱特征，可以设计阶数为10的切比雪夫低通滤波装置，按照前面分析的频率特征对有用信号进行提取，即设置通道带宽。这时按照待测信号的频谱特征设计切比雪夫滤波器就可以帮助去除信号中的噪声。这说明对于待测信号先进行频谱分析可以获得数字滤波器的技术指标，根据指标就可以保证滤波器获得更好的滤波效果，以此降低气体检测的噪声干扰，由此获得准确的实时化数据。
4结束语
随着工业生产的发展，有毒害的气体对生产安全性的威胁也越来越大，因此需要先进的气体检测技术支持实时化测量，获得数据支持预警和管理。在气体检测中，以为诸多外部因素的影响其检测信号往往含有多种噪声，为了提高其检测的准确性，则需要借助数字处理技术来帮助处理采集到的信息，这样才能提高检测的效率与准确性。
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