一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法

本发明涉及环境光学领域，具体的说是针对开放空间检测时，由于检测光程较长和仪器的应用环境所带来的各种外界干扰影响，提出一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法。

背景技术：

1、基于开放光程的激光吸收光谱技术具有测量精度高、选择性好、系统响应速度快等优点，在大尺度开放空间检测时，由于检测光程较长以及外部环境因素，包括振动、温度、其他干扰气体等都会引起各种频率的噪声，这些都会造成有效信号淹没在噪声中，使得检测精度达不到理想的效果。因此有效的降低光谱检测信号中的噪声影响对保证准确测量有重要研究意义。

2、现有的许多研究大多是针对激光光谱信号的时域角度来进行分析和应用数字滤波方法达到降低噪声的效果。且多是针对室内小范围的检测系统的光谱信号，并不能直接应用于大尺度开放区域的检测信号，而对于大尺度开放光路的检测信号噪声的消除方法确鲜有报道。

技术实现思路

1、鉴于现有技术方法存在的不足，本发明提出一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法，以期能在不增加硬件结构的基础上，解决由于检测光程长度以及外界环境干扰引起的闪烁噪声问题从而能有效提高开放空间微量气体检测的准确性。

2、本发明解决上述问题的技术方案如下：

3、本发明一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的特点在于，是应用于由激光器、分束器、激光控制器、信号发生器、收发望远镜、角反射器、信号处理模块与采集模块依次连接组成的检测系统中，并按如下步骤进行：

4、步骤1.所述分束器将所述激光器发出的检测激光进行分束，并穿过待测区域后由所述采集模块进行采集，从而得到时域内的检测信号d(x)；x表示采样序列；

5、步骤2.所述信号处理单元对所述检测信号d(x)进行波长标定，得到频域内的检测信号d(v)；v表示信号频率；

6、步骤3.利用vmd算法对所述检测信号d(v)进行预分解处理后，得到m个子序列；

7、步骤4.分别计算m个子序列的样本熵值，并将m个样本熵值所连成的折线中趋于稳定的转折点所对应的样本熵值序号k作为vmd算法的分解层数；1<k<m；

8、步骤5.根据分解层数k，重新对检测信号d(v)进行分解，得到k个子序列；

9、步骤6.分别计算k个子序列与检测信号d(v)之间的相关系数，并根据每个子序列的相关系数，将k个子序列划分为有效信号的子序列与噪声信号的子序列；

10、步骤7.对每个有效信号的子序列进行滤波平滑处理后再重构，从而得到重构信号；

11、设滤波器的窗口宽度为2h+1，按照窗口宽度对任意一个有效信号的子序列进行采样后，得到2h+1个数据点，再采用w-1次多项式对窗口内的2h+1个数据点进行拟合，完成窗口内子序列的滤波平滑处理，从而通过不断平移窗口完成相应有效信号的子序列的滤波平滑处理，最后对滤波平滑后的子序列进行重构并得到重构信号；

12、步骤8.根据式(1)所示的最小二乘法对重构信号进行拟合，从而得到重构信号的背景光强信号r(v)；

13、r(v)＝a0+a1v+a2v2+a3v3 (1)

14、式(1)中，a0、a1、a2、a3表示四个拟合参数；v表示信号频率；

15、步骤9.计算的比值，再求取比值的自然对数，从而得到所述检测激光的积分吸收曲线b(v)；

16、步骤10.对积分吸收曲线b(v)进行voigt拟合，并代入beer-lambert定律公式中进行反演后，最终得到消除开放光路检测噪声后的气体浓度。

17、本发明所述的降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的特点也在于，所述步骤3包括：

18、步骤3.1、利用式(1)计算第m个模态分量um(n)的解析信号δm′(n)：

19、

20、式(1)中，m表示分解层数，n表示信号的采样点个数，ψ(·)表示狄拉克函数，j为虚数单位，um(n)表示第m个模态分量；

21、步骤3.2、利用式(2)得到第m个模态分量的对应频谱δm(n)：

22、

23、式(2)中，为第m个模态分量um(n)的中心频率指数，j为虚数单位；

24、步骤3.3、引入二次惩罚因子α以及拉格朗日乘子λ，并利用式(3)构建约束公式：

25、

26、式(3)中，f(n)表示采样信号，um表示第m个模态分量，ωm表示第m个模态分量的中心频率，表示对函数求时间的导数；

27、步骤3.4、定义当前迭代次数为n，并初始化n＝1，初始化第n次迭代的第m个模态分量为第n次迭代的第m个的模态分量的中心频率第n次迭代的拉格朗日乘子λn；

28、步骤3.5、根据式(4)得到第n+1次迭代下的第m个模态分量的频谱

29、

30、式(4)中式(4)中，和分别为f(n)、λn的傅里叶变换，表示第n次迭代下第m个模态分量的频率中心；

31、步骤3.6、根据式(5)确定第n+1次迭代下的第m个模态分量的中心频率

32、

33、步骤3.7、根据式(6)更新第n次迭代的拉格朗日乘子得到第n+1次迭代的拉格朗日乘子

34、

35、式(6)中，τ表示噪声容忍度；

36、步骤3.8、当满足两次相邻迭代的模态分量差值小于设定阈值σ时，即式(7)成立，则循环结束，并得到第m个中心频率固定的本征模态函数分量，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤3.5顺序执行：

37、

38、式(7)中，σ表示设定的阈值。

39、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

40、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的步骤。

41、与现有的技术相比较，本发明的有益效果体现在：

42、1.本发明中在不增加硬件结构的基础上，通过变分模态分解，并滤波平滑再重构处理，解决了由于检测光程长度以及外界环境干扰引起的闪烁噪声问题，简单快速，应用性强。

43、2.本发明提出的降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法可以不仅可以使用在小范围检测系统的光谱信号，还可以直接应用于大尺度开放区域的检测信号；

44、3.本发明提出的降噪方法利用vmd将检测信号进行分解后，有效的区分了噪声部分以及有效信号部分，通过直接舍弃噪声部分大大提高了检测信号的降噪效果，有效提高了检测精度。

技术特征：

1.一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法，其特征在于，是应用于由激光器、分束器、激光控制器、信号发生器、收发望远镜、角反射器、信号处理模块与采集模块依次连接组成的检测系统中，并按如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

3.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1或2所述降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

4.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1或2所述降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法，其步骤包括：1、通过VMD对检测信号进行分解得到K个子序列；2、筛选出各子序列中有效信号部分并进行滤波平滑，再将经过滤波后的子序列重构；3、对重构降噪后的信号进行基线拟合计算其吸收曲线，并对吸收曲线进行Voigt拟合得到吸收信号，最后根据比尔朗伯定律计算消除开放光路检测噪声后的气体浓度。本发明能在不增加硬件结构的基础上，解决仪器受到外界环境干扰引起的闪烁噪声问题，既保证了测量精度，又发挥了开放空间测量的便捷性，从而提高了开发空间微量气体检测的准确性。

技术研发人员：唐七星,高华,李琪,廖娟,王玉伟,刘路
受保护的技术使用者：安徽农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13