CN117347272A - 一种基于tdlas的自适应数字锁相放大器及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大器及测量系统，属于气体检测测量领域。本发明通过采集卡获取带有频率和幅值信息的数字信号，自适应对数字信号进行分频处理，然后经过寻频算法得到高频吸收分量，上位机内部生成两路参考信号，将参考信号与高频吸收分量进行相乘，对相乘后的信号再进行分频处理，由寻频算法寻找出低频直流分量，对两路直流分量求平方和，最后开方得到二次谐波信号。本发明提出的基于TDLAS的自适应数字锁相放大器与现有数字锁相放大器相比，可以自适应获得高频吸收分量与低频直流分量，并且具备较高的抗噪能力。

Description

一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大器及测量系统

技术领域

本发明属于气体检测测量领域，尤其设计一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大器及测量系统。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱技术本质上是一种以激光作为光源的高分辨吸收光谱技术，具有以下优点：(1)高选择性，不易受其他气体的干扰；(2)响应速度快，灵敏度高，可以实时高效的检测多组分气体变化情况；(3)非接触测量，对恶劣环境有很强的适应性；(4)仪器可靠性高，维护方便，运行费用低。因此可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)逐渐成为气体检测领域主要的研究方向。

在TDLAS气体检测技术中，往往是通过锁相放大器解调出的二次谐波峰值与气体浓度进行反演得到气体浓度信息。锁相放大器的性能直接影响对背景噪声抑制的强弱和气体检测系统的精度，因此锁相放大器在气体检测技术中扮演着重要的角色。

在现有技术中一般采用传统的模拟锁相放大器，这种锁相放大器成本较高，容易产生电子噪声，并且滤波器的频率需要人为设置，滤波器过高或者过低的频率设置使得获得的信息噪声过大或者严重失真。

发明内容

本发明实例提供了一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大器及测量系统，以解决现有技术使用模拟锁相放大器来进行气体检测所带来的问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种自适应数字锁相放大器，激光信号被待测气体吸收的光谱信号被探测器探测到，光信号转为电信号，采集卡采集后，电信号转为数字信号传入上位机。上位机对吸收信号进行自适应频率分解,

吸收信号按照频率分解成K个分量u，相应约束表达式为

引入惩罚参数α、Lagrange乘法算子λ求解

当分式满足

求解完毕

经算法寻找模块(下面第四个自然段，去趋势波动分析计算Hurst指数，舍去Hurst指数小于0.5的分量以便去除带噪信息，傅里叶变换选择频率为正弦波相同的高频分量)选择被吸收的高频分量，对其增益，然后上位机自适应生成参考信号与吸收分量进行两路相乘，(下面第五个自然段所说的生成幅值为1，频率是之前调制正弦波两倍频的正弦信号与余弦信号，然后拿上面的高频吸收分量分别与这两个信号进行相乘)相乘后的信号再一次进行自适应频率分解(之前分解步骤一样，区别是一个找低频，一个找高频)。，再次由算法寻找模块选择低频直流分量(去趋势波动分析计算Hurst指数，舍去Hurst指数小于0.5的分量以便去除带噪信息，傅里叶变换选择频率为锯齿波相同的低频分量)，对两路信号进行平方求和再开方得到二次谐波分量(因为之前参考信号是两路，分别为正弦波和余弦波，所以此时低频直流分量也是两路，之后的计算就是对着两路信号分别平方，然后对他俩的平方进行相加，最后在对平方和进行开方)

进一步地，所述数字锁相放大器应是先对采集卡采集到的吸收光谱信息进行高通分量模块处理(就是上述的先进行分频处理，之后保留带有吸收信息的高频分量)，然后进行增益模块(实际效果就是个乘法)进行增益放大，再与内部生成的数字化参考信号相乘，对相乘信号相乘再进行低通分量模块滤波，对剩下的直流分量进行平方再求和，最后得到二次谐波信号。(就是上一个自然段的内容，上一个自然段偏向于理论，这个偏向于系统方面进行说明)

进一步地，所述高通分量模块是将采集到的吸收光谱信息的频域长度L由分解层数K自适应分解为频域长度为x的不同频信息，再由寻找算法模块寻找出被气体吸收的高通分量信息。(上面频率自适应分解加上算法寻找模块的内容)

进一步地，所述低通分量模块是将采集到的吸收光谱信息的频域长度L由分解层数K自适应分解为频域长度为x的不同频信息，再由寻找算法模块寻找出被气体吸收的低通分量信息。(上面频率自适应分解加上算法寻找模块的内容)

进一步地，所述寻找算法模块是由去趋势波动分析计算Hurst指数，舍去Hurst指数小于0.5的分量以便去除带噪信息，傅里叶变换选择频率为正弦波或锯齿波相同的分量)。

进一步地，所述参考信号是幅值为1，频率为高频正弦信号两倍地正弦和余弦信号。

进一步地，所述数字锁相放大器形成包括LabView。

根据本申请的另一个方面还提供了一个基于TDLAS的数字锁相放大器气体检测系统，包括信号发生模块，用于生成发生信号和参考信号；自适应分解模块，用于将输入信号进行频域划分；寻找算法模块用于寻找高通分量和低通直流分量；数学算组模块，用于计算输入信息来提取二次谐波与浓度信息；硬件模块，用于实现激光的驱动和采集吸收光谱信息。

进一步地，所述信号发生模块用于生成发生信号和参考信号。发生信号由低频锯齿波扫描信号和高频正弦波调制信号组成，用于驱动硬件模块产生特定波长地激光；参考信号用于数字锁相放大器和高通分量相乘。

进一步地，所述特定波长应是由HITRAN数据库查询的具备不被其他气体干扰的待测气体强吸收谱线。

进一步地，所述信号发生模块包括LabView软件生成。

进一步地，所述自适应分解模块是将包含多个频域的输入信号按照分解层数进行划分，分解层数由去趋势波动分析Hurst指数计算最佳分解层数。

进一步地，数学算组模块包括LabView生成的乘法器，开方器，相加器模块，用于对输入信号进行数学计算，提取二次谐波信号，并将二次谐波峰值带入拟合方程得到浓度信息。

进一步地，所述硬件模块包含激光器，激光驱动器，光电探测器，采集卡，气室。

进一步地，所述激光器发出特定波长的激光应是由被信号发生模块信号输入到激光驱动器驱动激光生成的被高频正弦信号调制的锯齿波信号，调制系数为2.2。

进一步地，所述调制系数应是特定波长吸收谱线半宽半高与高频正弦波幅值的比值。

进一步地，所述光电探测器用于探测激光器发出的特定波长的激光经气室内气体吸收形成的光谱信号，吸收光谱的吸收峰应处于每个周期的中心位置，并且光电探测器将光信号转为电信号再由采集卡采集吸收光谱信息传入到上位机中自适应分解模块处理，再通过数学算组模块提取出二次谐波。

在本申请实例中，采取上位机生成数字化调制信(积极效果就是本段最后一句话通过......能力，重点标红，图四有效果对比)号，随即数字信号输入到激光驱动器驱动激光器产生被高频正弦波调制的低频锯齿波扫描信号扫描待测气体的吸收谱线，激光经过气室，被待测气体吸收后，光谱信息被光电探测器接受，光信号转为电信号，随即被采集卡采集，电信号转为数字信号传入上位机的自适应数字锁相放大器。自适应锁相放大器首先对数字信号进行分频处理分解出K层的不同频信息，最佳分解层数由去趋势波动分析的Hurst指数决定，并且由寻频算法模块找出高通分量，再与上位机同步生成的参考信号相乘，再次对数字信号进行分频处理分解出K层的不同频信息，由寻频算法找出低频直流分量，通过平方相加再开方获得二次谐波。通过本申请不仅解决了传统锁相放大器存在固定电子噪声的问题，而且解决了滤波器频率设置问题，可以自适应寻找出输入信号的高通分量和直流分量，避免了传统滤波器过高或者过低的频率设置导致信噪比过低或者信号缺失严重，并且拥有较高的抗噪能力。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是自适应数字锁相放大器方法流程图

图2是实施例数字锁相测量系统流程图

图3是实施例分频算法图

图4是模拟锁相放大器与数字锁相放大器对比图

图5是实施例最小二乘法拟合图

具体实施方式

本实例提供了一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大器，具体步骤为：

步骤S1：获得采集卡采集到的光谱吸收的数字信号，其中吸收峰应处于每个周期的中心位置。

步骤S2：对数字信号进行分频处理，将信号频率长度L分解成K个频域长度为X的小频信息。(公式是上面频率自适应分解的公式，仿真效果在图3)

步骤S3：使用去趋势波动分析和傅里叶分析对每个小频信息进行Hurst指数计算和频率计算，找到高频吸收分量。

步骤S4：与同步生成的参考信号进行相乘，对数字信号进行分频处理，将信号频率长度L分解成K个频域长度为X的小频信息。(和步骤2的区别就是原始信号不同，要找分量的频率不同)

步骤S5：使用去趋势波动分析和傅里叶分析对每个小频信息进行Hurst指数计算和频率计算，找到低频直流分量。

步骤S6：对两路直流分量进行平方，再相加，最后对和进行开方得到二次谐波信息。(二次谐波图在图4)

下面结合一个实施例，(再换场景只是针对待测气体换激光器波长，其他的都一样)以CO₂为待测气体进行说明，在本实施例提供了一种基于TDLAS的自适应数字锁相放大技术，可以自适应寻找高频吸收分量和低频直流分量的同时提高了系统的降噪能力。

步骤一，搭建系统光路，调节气室，使得激光器发出的中心波长为1572nm的激光信号进入气室入光口后可以从气室出光口射出后由探测器接受，之后采集卡接受探测器的电信号传入到上位机。

步骤二，上位机生成数字信号，具体为10kHz高频调制正弦波与10Hz低频扫描锯齿波，通过激光驱动器驱动激光，确保探测器可以接收到锯齿波波形。

步骤三，通入待测气体，修改温度参数，使得吸收峰处于每个周期的中心，修改正弦波振幅参数，使得采集卡采集到的数字信号传入上位机自适应数字锁相放大器处理得到的二次谐波峰值最大。

步骤四，分别输入浓度为5％、10％、15％、20％、25％、30％的待测气体，每个浓度记录10个周期的二次谐波峰值做均值处理，将六个均值做最小二乘法拟合。

步骤五，输入未知浓度待测气体，将此时二次谐波峰值带入拟合函数求出浓度信息。

Claims (9)

1.一种TDLAS的自适应数字锁相放大器，其特征在于，包括：

通过对获取的多频数字信号进行分频处理，将原有信号频域长度L分解K层频域长度为x的小频信息，采取去趋势波动分析和傅里叶分析计算Hurst指数和频率获得最佳分解层数K和高频吸收分量，再通过上位机生成的两路数字参考信号与高频吸收分量进行相乘，再将其信号频域长度分解K层频域长度为x的小频信息，采取去趋势波动分析和傅里叶分析计算Hurst指数和频率获得最佳分解层数K和低频直流分量，对两路低频直流分量求平方和再开方，得到二次谐波信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括所述获取的多频数字信号包括：

激光驱动器驱动的激光信号经过气室内待测气体吸收，由探测器接受吸收光谱信息，并把光信号转为电信号，再由采集卡采集，将电信号转为数字信号传入上位机。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，激光器驱动的激光信号包括：

上位机生成原始被高频正弦波调制的低频锯齿波扫描数字信号，调制系数为2.2，数字信号输入激光驱动器驱动激光器产生中心波长为待测气体吸收谱线的激光信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，上位机信号发生软件包括：LabView。

5.一种TDALS气体检测的测量系统，其特征在于，包括：

信号发生模块，用于生成发生信号和参考信号，其中发生信号是被高频正弦波调制的低频锯齿波扫描数字信号，其中中心波长为待测气体的吸收谱线，参考信号则用来与高频吸收分量相乘；

自适应分解模块，用于对输入的数字信号进行频域分解，将原有数字信号的频域长度L分解成K层长度为x的小频信息；

寻频算法模块，通过去趋势波动分析和傅里叶分析计算的Hurst指数和频率，找到最佳分解层数K和高频吸收分量与低频直流分量；

数学算组模块，用于对直流分量进行数学计算得到二次谐波，并将二次谐波峰值带入拟合方程得到浓度信息；

硬件模块，用于搭建系统，并完成数字信号与光电信号的转换，包括激光驱动器，激光器，气室，采集卡。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号发生模块用于：发生信号输入到激光驱动器驱动激光，中心波长位于待测气体吸收谱线，调制系数为2.2，并且吸收峰位于每个周期中心，参考信号为频率是高频正弦波两倍的，幅值为1的连续正弦波与余弦波。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述寻频算法模块用于：通过去趋势波动分析和傅里叶分析计算每个频域长度为x小频信息的Hurst指数，寻找指数最大和对应频率的小频信息为主频信息，并不断增加分解层数，直至主频信息的Hurst指数为最大值，找出最佳分解层数。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述硬件模块用于：激光驱动器用于接受数字信号并且驱动激光器，气室用于接受气体，光电探测器用于采集吸收光谱信息，采集卡用于采集数字信息传入上位机。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述软件包括：LabView。