一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法

本发明涉及气体浓度精确检测领域，特别是一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法。

背景技术：

1、温室气体会造成温室效应，导致全球变暖海平面上升被等问题。随着“碳达峰，碳中和”相关工作的开展，对温室气体排放连续监测系统/便携监测仪器的需求在国内备受关注。精确测量温室气体浓度，将有助于研究人员对其生产作业中设备开展运行分析、功耗分析，进行相应优化，从而更好开展碳排工作。

2、基于气体吸收光谱特性研制的腔衰荡光谱法气体浓度检测仪器，具备高灵敏度、较低检出限、自校准等特性，但目前只在痕量气体和标准环境下检测得到较好应用，在较高浓度的气体与不同环境检测存在检测量程窄，检测精细度差问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，针对腔衰荡光谱检测仪器的检测范围和精度受限问题，提供适用于不同环境的腔衰荡光谱宽量程检测方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，包括以下步骤：

3、步骤一、设置腔体温度传感器，设置气路气压传感器，设置关断电压控制模块，设置腔衰荡信号s路adc预采集模块，设置衰荡信号变化率预采样区段l＝p点和采样频率f0；

4、步骤二、设置特征向量集:设置腔体温度特征向量x1，设置环境气压特征向量x2，设置激光器关断电压阈值特征向量x3和信号变化率特征向量x4；

5、步骤三、设置两组基于fpga的一对一法多svm分类器，组1特征矩阵匹配吸收截面σ0，组2进行采样率f查值匹配；

6、步骤四、fpga驱动多路adc的采样通道数量与采样时钟采样，将四组特征向量输入svm分类器，得吸收截面修正值σ1和采样粗频率f1；

7、步骤五、使用并行全比较法定位衰荡时间处采样点数位置，校正采样频率f2，并返回步骤四，连续两次的排序比较定位差值在允许波动区间内时确定此时采样频率；

8、步骤六、进行校正频率f2采样并拟合衰荡信号，使用修正吸收截面计算浓度。

9、优选的，所述步骤一中设置腔体温度传感器，设置气路气压传感器包括：

10、

11、

12、l＝cτ (3)

13、衰荡光谱法气体浓度n与吸收截面σ存在公式(1)关系，而纯待测气体环境下吸收截面与温度t、气压p成公式(2)关系，光程l与衰荡时间正比，三者相互影响；式中τ为待测气体衰荡时间，τ0为空腔衰荡时间，i是经过吸收后探测光强，i0为入射光强，r为玻尔兹曼常数，c为光速。

14、优选的，所述步骤一中设置关断电压控制模块具体如下：

15、关断电压由fpga控制da芯片输出，在数据采集系统中将采集的第1点u0视为关断电压阈值，离散衰荡信号可表示为式(4)，其中ui为序号为i(i≤n，i＝1，2，3…n)电压码值；

16、ui＝u0e-a·i(4)

17、设置衰荡信号变化率预采样区段l和采样频率f0，预设检测区段内选取m个采样点进行采样，点m为u0码值的处的采样点(区段长度t＝τ)，采用m-1组采样电压信号导函数值进行采样率检测；将m-1组衰荡信号导函数值取平均消除高斯噪声，采样频率f0为系统最大采样率fs的

18、δu＝ui+1-ui＝u0e-a·i(e-a-1) (5)。

19、优选的，所述步骤二中的特征向量是基于fpga的浮点数运算ip核，使用z-score无量纲化处理，公式如式(6)所示，特征值xi→yi后服从[0，1]区间的正态分布；

20、

21、优选的，所述步骤三包括：

22、(1)两组一对一法多svm分类器，一组样本为{x1，x2，x4}，一组样本为{x3，x4}，任意两类样本间需一个一对一二分类svm，总需要个10个二分类svm；组1训练集分为m类，组2训练集分为n类，则svm分类问题即为式(7)表示的优化问题，式中是映射函数，wij是第i类和第j类的权向量，bij是对应的阈值，式(8)为求解的决策函数：

23、

24、

25、(2)fpga实现svm是使用浮点运算ip核中指数运算模块实现式(9)所示高斯核函数，实现式(10)所示lagrange乘子求解特征向量内积，构成决策函数，式中αiy(i)，b′为可实验训练拟定常数，存入fpga的rom中供核函数乘法调用。

26、

27、

28、(3)实现的多svm分类器是10个二分类svm的组合，每个二分类svm由fpga模块构成，由同步时钟进行控制，每svm结果为z，正为0，负为1；统计输出序列[z1，z2…zn]，由数据训练得出每序列值与结果对应关系，设置m组吸收截面reg寄存器，n组采样率reg选择器，每序列值对应各组使能信号，匹配σ和f值，匹配分辨率决定样本分类数。

29、优选的，所述步骤四在fpga内实现多块采样芯片的同步时钟控制，实现基于当前采样率进行n块划分，根据选择s片数模转化芯片，解决1片数模转化芯片最大采样率fmax＜f的问题；采用的s片采样芯片每片采样时钟相位差应满足相差各采样区段互不重叠。

30、优选的，所述步骤四中采样点数p个点的长度周期为t＝8τ。

31、优选的，所述步骤五使用fpga采用并行全比较算法，将所有采样点按递减顺序排列，检测码值达到初值电压倍处的采样点序号，选取同码值序号的中位值q，按照比例二次修改采样频率。

32、本发明提供一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，具有以下有益效果：

33、本发明相比现有技术有以下优点：

34、1、本发明提供的腔衰荡光谱检测系统与方法，通过采样电学信号，拟合衰荡时间参数来反演腔内气体浓度。气体衰荡时间与浓度成负相关变化，选取的有效衰荡时间拟合点数决定浓度计算精度，同时拟合点数也影响拟合算法资源占用与耗时量。现腔衰荡光谱检测仪器多采用固定采样率，在高浓度检测下衰荡时间对应有效拟合点数过少，浓度检测效果差。本发明通过选定最佳拟合的采样点数，在有限的算法资源下进行不同浓度下采样率自适应调节，实现检测仪器精度稳定下检测量程的增宽。

35、2、腔体温度、环境压强和衰荡时间由腔衰荡光谱法相关定律知，三者交叉影响，本发明通过采样三者的特征向量，进行两组一对一多svm分类，通过预分类吸收截面再进行测量匹配，可修正环境因素对吸收截面和衰荡时间采样率的干扰，解决现有检测仪器固定工作环境要求的使用限制。

36、3、本发明的自适应调整系统与方法，采用多片较低采样率adc芯片实现采样率的扩展，节省经济成本。同时采用的两组一对一多svm分类算法，是基于fpga实现的，整体系统可进行fpga硬件移植，方便集成于检测仪器。所用的采样拟合区间算法耗时少，拟合点数满足最佳拟合点数，浓度反演计算性能优越。

技术特征：

1.一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤一中设置腔体温度传感器，设置气路气压传感器包括：

3.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤一中设置关断电压控制模块具体如下：

4.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤二中的特征向量是基于fpga的浮点数运算ip核，使用z-score无量纲化处理，公式如式(6)所示，特征值xi→yi后服从[0,1]区间的正态分布；

5.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤三包括：

6.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤四在fpga内实现多块采样芯片的同步时钟控制，实现基于当前采样率进行n块划分，根据选择s片数模转化芯片，解决1片数模转化芯片最大采样率fmax<f的问题；采用的s片采样芯片每片采样时钟相位差应满足相差各采样区段互不重叠。

7.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤四中采样点数p个点的长度周期为t＝8τ。

8.根据权利要求1所述一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，其特征在于，所述步骤五使用fpga采用并行全比较算法，将所有采样点按递减顺序排列，检测码值达到初值电压倍处的采样点序号，选取同码值序号的中位值q，按照比例二次修改采样频率。

技术总结
一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，包括以下步骤：步骤一、设置腔体温度传感器，设置气路气压传感器，设置关断电压控制模块，设置腔衰荡信号s路ADC预采集模块，设置衰荡信号变化率预采样区段L＝p点和采样频率f<subgt;0</subgt;；步骤二、设置特征向量集:设置腔体温度特征向量X<subgt;1</subgt;，设置环境气压特征向量X<subgt;2</subgt;，设置激光器关断电压阈值特征向量X<subgt;3</subgt;和信号变化率特征向量X<subgt;4</subgt;；步骤三、设置两组基于FPGA的一对一法多SVM分类器，组1特征矩阵匹配吸收截面σ<subgt;0</subgt;，组2进行采样率f查值匹配；本发明提供一种腔衰荡光谱法宽量程检测自适应系统与方法，针对腔衰荡光谱检测仪器的检测范围和精度受限问题，提供适用于不同环境的腔衰荡光谱宽量程检测方法。

技术研发人员：吕浩楠,张潮海,朱珉,宋锦海
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8