一种基于Duffing系统的光声池微弱光声信号检测方法
【专利摘要】本发明公开一种基于Dufing系统的光声池微弱光声信号检测方法，根据Dufing系统对同频微弱信号的敏感性，和对噪声的免疫性能，进行检测，观察相图变化，最后利用两次驱动力幅值相减便可得出微弱光声信号幅值。具体实现步骤为：首先设定驱动力信号与待检信号同频，改变驱动力大小，观察相图至大尺度周期状态，记下此刻值。然后运加入待检信号，重新调节驱动力至再次出现大尺度周期状态，记下此刻值。最后两幅值相减即得微弱光声信号幅值。本发明实现实时、高灵敏度、直观，具有相当好的社会和经济效益，可应用与污染源气体的检测中。
【专利说明】—种基于Duffing系统的光声池微弱光声信号检测方法
所属【技术领域】
[0001]本发明涉及一种广泛的应用与物理、化学、生物、医学、化工、环保等多个领域的精密科学检测仪器，具体涉及一种用于污染源气体检测的光声微弱信号检测法。
【背景技术】
[0002]随着污染源气体检测系统的发展，光声光谱检测技术[1’2]成为环境保护中污染源气体检测的关键技术。光声信号的检测精度，则被日渐受到人们的关注。作为光声光谱检测中的关键点所在，微弱信号检测也在不断的发展当中
[0003]现有微弱信号检测方法与技术主要有:(I)基于时域的检测方法:相关检测，取样积分，时域平均。它们所能检测到的微弱信号信噪比门限值较高，可检测信噪比下限一般在-1OdB左右。(2)基于频域的检测方法:功率谱分析法。它主要检测以平稳、高斯分布噪声为背景噪声，需要大量的先验概率分布知识才能估计出待检信号参量，且造价昂贵(3)基于小波分析的检测方法，它的问题是小波基函数的选择和尺度范围的选择都没有一个普遍方法，采样频率和长度对小波变换分辨率会有影响。(4)基于高阶统计量的检测方法，能完全抑制任何高斯噪声，且蕴含丰富信息，不需要信号的任何先验知识，但计算量太大了，不适合实时检测，故其应用仍然需要解决大量的工程问题。(5)基于神经网络的检测方法，需要大量样本的训练，当噪声类型及特征发生改变后，又必须重新训练，限制了实际应用。
(6)基于随机共振的检测方法，利用系统噪声能量向信号能量的转换，极大地提高检测信噪t匕，但随机共振的绝热近似理论与线性响应理论要求输入的频率小于一，以满足假设，这在实际中很难满足。
[0004]由于现有光声微弱信号检测方法普遍存在成本高、操作复杂或灵敏度差，实时性不高等不足，不利于光声微弱信号检测设备的大规模应用，因此，有效克服以上缺点的基于Dufing系统的光声微弱信号检测装置的成功研制和推广应用必将有相当好的社会、环保和经济效益。
【发明内容】
[0005]为了克服现有微弱信号检测方法存在成本高、操作复杂或灵敏度差，实时性不高等不足，本发明提供一种新型的检测方法，该方法不仅解决了以上问题，而且具有高灵敏度和低成本。
[0006]本发明解决其技术路线所采用的技术方案是:
[0007]光声效应原理检测的原理是光源发出特定频率的单色光，经斩波器调制后，入射进入光声池。照射的光束经过周期性的强度调制，则在物质内产生周期性的温度变化，使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。然后将该微弱光声信号由微音器读出送入Dufing检测系统，得出信号幅值，然后再根据光声信号与浓度关系公式反推出微量气体浓度。本发明可直接读出气体浓度，操作方式简便，操作人员仅需简单培训即可操作，无需专业知识。
[0008]本发明提供一种基于Duffing系统的光声池微弱光声信号检测装置的设计，它由以下部分组成:
[0009]一:气体采集单元
[0010]气体采集单元是检测系统中的基础部分，气体采集单元用于收集污染源气体样本，并存储起来，用于后续检测部分。
[0011]二:光声单元
[0012]光声单元是光声效应的重点部分，不同的气体所对应的吸收谱线不同，激光波长也不同。污染源气体主要是S02，NO, CO等，其吸收谱位于红外波段，故采用750°C的7.8W热辐射光源，波长涵盖了所需检测气体的特征峰。
[0013](I)激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。
[0014](2)光束经过斩波器后，沿着光声池纵向轴线射入其中，此时气体受到周期光速调制在光声池腔内产生光声效应。选择由Thorlabs公司生产的S122C/PM100D系列激光功率计探测射出的光束，对入射激光进行修正和记录。
[0015](3)微音器将接收到的声信号转化为电信号，送入Dufing检测系统。选择EK-23024型号的微音器，灵敏度为22mV/Pa。
[0016]考虑到红外波段的光容易散射，在入射之前采样内表面镀金的椭圆反射镜和凸透镜进行聚焦。此外斩波器频率设置为光声池共振频率，以保证吸收浓度最大。最后微音器安装在光声池的中部位置，保证收集到的信号为最大。
[0017]三:信号检测处理单元
[0018]信号检测处理单元主要负责检测通过微音器送入的光声信号幅值，再根据幅值与浓度的计算公式，反推计算待测气体中特定气体的浓度，最后将气体浓度数据上传到上层服务器。
[0019]在待测信号与驱动力信号同频同相时候，检测方法为:先调节系统驱动力f，使得系统进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到阈值fd ;再加入频率与系统相同的待测信号，系统进入大尺度周期运动状态，这时调节系统驱动f，使系统再次进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到此时的驱动力f2。这样，就可以求得该信号的幅值为A = fd_f2。
[0020]此外为了克服遇到信号频率太大，或者噪声太大的情况，对DufTing系统进一步改进，采用变尺度方法和差分方法结合的变尺度差分方法。
[0021]首先使待测信号频率降至低频区。假设采样频率为fs，则步长是l/fs，引入变尺度系数m，则新步长为m/fs(即将时间间隔增大了 m倍，相应的频率减小为原来Ι/m)。
[0022]然后再将尺度变换后的信号，送入差分方法的双振子模式系统。
Γ x + kx-x + x3 = fCos(Wit) + As(w2t) + n(t)
Ix+ kx —X+ X3 = α * f cos + As(w2t) + n(t)
[0024]X1-X2的差分波形图能很明显的反应混沌状态。有利于判断阈值。它不仅反应了系统产生混沌的时刻，更反应了系统进入混沌的深度。因此在判断阈值的时候，要根据混沌的深度来设定门限R。当大于这个门限R的时候，我们就认定系统进入了混沌状态。当a越小，阈值就越小，很容易导致混沌状态的误判。当a值越大，阈值也越大，不利于观察混沌状态，而且分析难度会增加。经过大量的实验发现一般a取1.001-1.1之间差分结果最好，本系统采用的是1.005。
[0025](3)反演气体浓度
[0026]光声信号Spa可表不为
[0027]Spa = P (rM, Wj) = Ccell a P0
[0028]检测出光声信号幅值大小时，根据上面公式反推出气体浓度，再将数据上传到上层服务器，供使用者查看。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0030]图1是本发明的整体结构图。
[0031]图2是光声池剖面示意图。
[0032]图3Duffmg检测系统程序流程图。
[0033]图4Duffing检测系统框图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]本发明所提供的基于光声池微弱信号检测系统整体结构图如图1所示，包括以下部分:
[0036]1、气体收集单元
[0037]2、光声单元
[0038]3、信号检测处理单元
[0039]一:气体采集单元
[0040]气体采集单元是检测系统中的基础部分，气体采集单元用于收集污染源气体样本，并存储起来，用于后续检测部分。
[0041]二:光声单元
[0042]光声单元是光声效应的重点部分，不同的气体所对应的吸收谱线不同，激光波长也不同。污染源气体主要是S02，NO, CO等，其吸收谱位于红外波段，故采用750°C的7.8W热辐射光源，波长涵盖了所需检测气体的特征峰。其中光声池剖面示意图如图2所示。
[0043](I)激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。
[0044](2)光束经过斩波器后，沿着光声池纵向轴线射入其中，此时气体受到周期光速调制在光声池腔内产生光声效应。选择由Thorlabs公司生产的S122C/PM100D系列激光功率计探测射出的光束，对入射激光进行修正和记录。
[0045](3)微音器将接收到的声信号转化为电信号，送入Dufing检测系统。选择EK-23024型号的微音器，灵敏度为22mV/Pa。
[0046]考虑到红外波段的光容易散射，在入射之前采样内表面镀金的椭圆反射镜和凸透镜进行聚焦。此外斩波器频率设置为光声池共振频率，以保证吸收浓度最大。最后微音器安装在光声池的中部位置，保证收集到的信号为最大。
[0047]三:信号检测处理单元
[0048]信号检测处理单元主要负责检测通过微音器送入的光声信号幅值，再根据幅值与浓度的计算公式，反推计算待测气体中特定气体的浓度，最后将气体浓度数据上传到上层服务器。其检测系统框图如图3所示。
[0049]步骤一:调节系统驱动力f，使得系统进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到阈值fd;
[0050]步骤二:加入频率与系统相同的待测信号，系统进入大尺度周期运动状态，这时调节系统驱动f，使系统再次进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到此时的驱动力f2。
[0051]步骤二:计算?目号的幅值为A = fd-f2o
[0052]为了克服遇到信号频率太大，或者噪声太大的情况，对Duffing系统还需进一步改进
[0053]步骤四:首先采用变尺度方法，使待测信号频率降至低频区。假设采样频率为fs，则步长是l/fs，引入变尺度系数m，则新步长为m/fs(即将时间间隔增大了 m倍，相应的频率减小为原来Ι/m)。
[0054]步骤五:然后再将尺度变换后的信号，送入差分方法的双振子模式系统。
[0055]
(x + kx — x + x3= fcos(wxt) + As(w2t) + n(t)lic + fejc — χ + χ3 = α* fcosiwit) + As(w2t) + n(t)
[0056]X1-X2的差分波形图能很明显的反应混沌状态。有利于判断阈值。
[0057]步骤六:根据混沌的深度来设定门限R。当大于这个门限R的时候，我们就认定系统进入了混沌状态。经过大量的实验发现一般a取1.001-1.1之间差分结果最好，本系统采用的是1.005。
[0058]步骤k:反演气体浓度。
[0059]根据光声信号Spa公式Spa = P (rM，Wj) = Ccell a P0反推出气体浓度，再将数据上传到上层服务器，供使用者查看，系统程序流程图如图4所示。
【权利要求】
1.一种基于Duffing微弱光声信号检测方法,包括以下组成部分: 第一部分:收集单元。 第二部分:光声单元。 第三部分:信号检测处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于Duffing微弱光声信号检测方法,其特征在于第二部分。 该部分摒弃传统的色谱柱方法，而是利用光声效应原理，使得灵敏度很高，动态范围广且有利于实时，精确的测定污染源气体的浓度。并且人性化的后台处理数据，使得操作简单，实用性极强。 (1)在光学部分:激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。 (2)在斩波器部分:光束经过斩波器后，沿着光声池纵向轴线射入其中，此时气体受到周期光速调制在光声池腔内产生光声效应。选择由Thorlabs公司生产的S122C/PM100D系列激光功率计探测射出的光束，对入射激光进行修正和记录。 (3)在收集部分:微音器将接收到的声信号转化为电信号，送入Dufing检测系统。选择EK-23024型号的微音器，灵敏度为22mV/Pa。 考虑到红外波段的光容易散射，在入射之前采样内表面镀金的椭圆反射镜和凸透镜进行聚焦。此外斩波器频率设置为光声池共振频率，以保证吸收浓度最大。最后微音器安装在光声池的中部位置，保证收集到的信号为最大。
3.根据权利要求1所述的一种基于Duffing微弱光声信号检测方法,其特征在于第三部分。 该部分不再使用锁相放大器，而是采用基于Dufing系统的混沌振子检测方法，使得成本降低，灵敏度提高，抗噪性能也加强。 第一步:调节系统驱动力f，使得系统进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到阈值fd; 第二步:加入频率与系统相同的待测信号，系统进入大尺度周期运动状态，这时调节系统驱动f，使系统再次进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到此时的驱动力f2。 第二步:计算?目号的幅值为A = fd-f2。 为了克服遇到信号频率太大，或者噪声太大的情况，对Duffing系统还需进一步改进 第四步:首先采用变尺度方法,使待测信号频率降至低频区。假设采样频率为fs,则步长是l/fs，引入变尺度系数m，则新步长为m/fs(即将时间间隔增大了 m倍，相应的频率减小为原来Ι/m)。 第五步:然后再将尺度变换后的信号，送入差分方法的双振子模式系统。
(x + kx — x + x3= fCos(W1I) + As(w2t) + n(t)
hc + kx —x + x3=a* fcos{wxt) + As(w2t) + n(t) X1-X2的差分波形图能很明显的反应混沌状态。有利于判断阈值。 第六步:根据混沌的深度来设定门限R。当大于这个门限R的时候，我们就认定系统进入了混沌状态。经过大量的实验发现一般a取1.001-1.1之间差分结果最好，本系统采用的是1.005。 步骤七:反演气体浓度。 根据光声信号Spa公式Spa = P (rM, Wj) = Ccell a P0反推出气体浓度，再将数据上传到上层服务器，供使用者查看，系统程序流程图如图4所示。
【文档编号】G01N21/17GK104251820SQ201310256316
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月26日 优先权日:2013年6月26日
【发明者】许雪梅, 戴鹏, 杨兵初, 陶少华, 李奔荣 申请人:中南大学