[发明专利]一种降低开放光路光谱检测信号噪声影响的方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

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：

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；

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；

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；

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；1KM；

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；

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；

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；

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；

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)；

R(v)＝a₀+a₁v+a₂v²+a₃v³ (1)