[发明专利]基于FFT的激光分析仪二次谐波滤波方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光分析仪信号处理技术领域，更具体地说，涉及一种基于FFT（Fast Fourier Transform)的激光分析仪二次谐波滤波方法。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是光谱吸收技术的一种，该技术是通过气体分子“选频”吸收特定波长激光的原理来测量气体浓度的一种方法。具体来说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收，导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比。因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。可调谐半导体激光吸收光谱技术具有高灵敏度、实时、动态、多组分同时测量等独特优势，因此，在工业生产中将其应用于痕量气体成分的检测，可以为研究大气中污染气体形成的机理和条件，以及研究大气中污染气体对生态环境的危害提供独特的技术手段和新型的研究平台。

基于TDLAS技术设计的激光气体分析仪的理论基础是Beer-Lambert定律，根据Beer-Lambert定律，通过气体吸收前和气体吸收后的光强关系为：

I=I₀exp[-S(T)g(v)PcL]        (1)

式中I为通过气体吸收后的光强，I₀为通过气体吸收前的光强，S(T)表示分子在温度T、波长λ处的吸收线强，g(v)为气体吸收线型，P为待测气体压力，v是波数，c为气体分子浓度，L为总光程。一般情况下，气体在近红外吸收很小，即S(T)g(v)PcL≤0.05条件很容易满足。将(1)式进行傅立叶展开，可以得到二次谐波信号和浓度成正比，即

I_2f∝I₀S(T)g(v)PcL          (2)

式中I_2f表示二次谐波强度，由(2)可见正确提取二次谐波信号是提高激光分析仪测量精度的关键。

但是气体浓度的检测随着气体浓度的降低，受系统噪声及现场环境的影响也会随之增大，尤其是对于低浓度气体的探测，受激光器噪声、电子学噪声和光学噪声以及现场运行环境的不确定因素等影响，使得浓度反演时出现较大偏差，对系统的可靠性造成了重要的影响。在激光气体分析仪中，主要的噪声包括光学噪声、探测器噪声、激光器噪声和电噪声等。为消除噪声影响，一般选择扣除背景的方法来降低系统噪声的影响，但这并不能完全有效地克服噪声因素而获得较高的信噪比。

当前对于二次谐波信号的滤波处理较为简单的有算数平均滤波、滑动平均滤波等。其中滑动平均滤波对原始信号的白噪声、脉冲干扰消除的较明显，但是削弱了有用信号吸收峰，影响浓度拟合的精度。算术平均滤波对原始信号的白噪声和脉冲干扰有一定抑制作用，且当平均次数增加时效果更明显，但随之也会占用更多的处理器资源、增加计算时间，同时算术平均滤波对光学噪声产生的标准具效应改善不明显。相对复杂的有非线性最小二乘滤波、小波变换滤波等，非线性最小二乘滤波对原始信号的滤波效果很好、信噪比很高，但计算时间稍长，对目标峰的影响也稍大；小波变换滤波对原始信号的白噪声和脉冲干扰有很好的抑制作用、提高了信噪比，但是运算复杂度相对较高，计算时间略长。通过对已有的滤波算法分析，可以发现已有算法并不能同时很好的满足滤波算法程序简单且气体浓度测量精度高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于FFT的激光分析仪二次谐波滤波方法，以实现从混有干扰的二次谐波信号中滤除噪声，提取有用信号，实现了对二次谐波的信号平滑以及噪声去除，同时系统响应时间很短，满足在线检测的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于FFT的激光分析仪二次谐波滤波方法，包括：

获取二次谐波信号数据；

对获取的所述二次谐波信号数据进行傅里叶变换，将时域信号转变为频域信号；

分析所述频域信号的时域和频域特性；

根据所述时域和频域特性对所述频域信号进行滤波处理；

对滤波处理后的频域信号进行傅里叶反变换，获得去噪处理后的二次谐波信号。

优选地，所述的分析所述频域信号的时域和频域特性具体为：

根据所述二次谐波信号时域的采样点数和采样频率确定所述频域信号的分辨率和频谱分辨率。

优选地，所述根据所述时域和频域特性对所述频域信号进行滤波处理具体为：