[发明专利]基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统，其特征在于，包括：

激光发射装置，发射波长涵盖中心波长3.3μm和中心波长5.7μm的激光光束；

气室，设有用于激光光束输入输出的激光耦合端口；

透镜，设于激光耦合端口内；

至少两个反射镜，间隔放置于气室内，用于多次反射激光光束；

脱水装置，与气室连通；

探测装置，用于检测气室出射光线的光谱信号并将其转换为电流信号；

信号处理模块，与探测装置连接，将探测装置输出的电流信号转换为电压信号并进行调制输出复合光谱；

主控制器，与信号处理模块连接，主控制器内设计算模块和分析模块，计算模块根据已知浓度的VOCs光谱和信号处理模块输出的复合光谱利用CLS模型反演计算被测呼吸气体中的VOCs浓度，分析模块根据计算的VOCs浓度和信号处理模块输出的复合光谱通过分析模型分析得到被测呼吸气体中单一标志物浓度；

计算模块根据已知浓度的VOCs光谱和信号处理模块输出的复合光谱计算被测呼吸气体中VOCs的浓度的具体方法为：

以已知浓度C₀的VOCs光谱为参考光谱，用实测未知浓度C的复合光谱与参考光谱拟合，得到CLS模型，CLS模型表示为：

y_i＝ax_i+b i＝1,2,…,m      (1)

式中，x_i为第i个采样点的VOCs参考光谱，y_i为第i个采样点的实测复合光谱，a为回归系数，即实测光谱强度相对于参考光谱强度的相对比例，b为基线偏移，m为采样点数；

依据最小二乘法，令绝对误差平方和ξ最小，求解回归系数a和基线偏移b，则有：

根据微积分求极值法，回归系数a和基线偏移b满足以下方程：

公式(3)等价于：

则回归系数a由下式确定：

根据确定的回归系数a通过下述公式求得被测呼吸气体中的VOCs浓度为C为：

C＝a×C₀      (6)；

分析模型的构建方法为：以计算得到的VOCs浓度和信息处理模块输出的复合光谱为主要输入，以异常人群年龄、性别及呼出气体环境因素作为辅助输入，将单一标志物浓度作为输出，通过机器学习算法进行训练和学习，利用复合光谱对被测呼吸气体中的VOCs浓度进行分类，建立分析模型；所述呼出气体环境因素包括温度、压力和湿度。

2.如权利要求1所述的基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统，其特征在于，所述激光发射装置包括：

激光器，设有两个窄线宽、宽调谐的激光模块，第一激光模块发射波长涵盖中心波长3.3μm的激光光束，第二激光模块发射波长涵盖中心波长5.7μm的激光光束；

温度控制器，与激光器连接，控制激光器的温度；

激光驱动器，分别与激光器和主控制器连接，为激光器提供驱动电流；激光驱动器设有：

波长扫描模块，产生波长可调谐的激光，使激光器输出的激光光束能够完整扫描VOCs吸收峰；

波长调整模块，对激光器进行高频调制。

3.如权利要求1所述的基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统，其特征在于，所述气室内设有温度传感器、压力传感器及湿度传感器，所述温度传感器、压力传感器及湿度传感器均与主控制器电连接。

4.如权利要求1所述的基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：

前置放大器，与探测装置连接，将探测装置输出的电流信号转换为电压信号；

锁相放大器，与前置放大器连接，采用与调制信号同源的参考信号将前置放大器输出的电压信号解调为光谱信号，并输出解调的光谱信号。

5.如权利要求1所述的基于呼吸气体大类标志物复合光谱检测系统，其特征在于，还包括显示屏，所述显示屏与主控制器连接，用于显示和输入指令。