适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置制造方法及图纸

本发明专利技术有关一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，其包括：信号调制单元，对光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强。发明专利技术能够有效滤除平稳和非平稳的环境光噪音。

Optical noise filtering device suitable for optical water quality measurement system

The invention relates to an optical noise filtering device suitable for an optical water quality measurement system, which comprises a signal modulation unit for modulating the optical signal emitted by the optical emission unit and a reference signal conditioning unit for shaping and phase shifting a copy of the modulated signal obtained from the signal modulation unit to provide a phase-consistent reference signal. A coherent detection unit receives the reference signal transmitted by the reference signal conditioning unit and the detection optical signal transmitted by the optical receiving unit, and filters out the stationary optical noise in the detection optical signal; an autocorrelation unit receives the signal output by the coherent detection unit and performs autocorrelation operation according to the signal period; and dynamic observation. The device receives the signal output by the autocorrelation unit, filters out the non-stationary light noise, outputs the current state vector, and the effective light intensity output unit extracts the light intensity variable from the current state vector, and outputs the effective light intensity after filtering out the stationary light noise and the non-stationary light noise. The invention can effectively filter smooth and non-stationary ambient light noise.

【技术实现步骤摘要】
适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置
本专利技术涉及一种光学水质测量仪器,特别涉及一种光噪音滤除装置。
技术介绍
光学测量仪器，尤其是基于散射法,荧光法,透射法等的光学测量仪器在室外运行的过程中，如地表水体SS(悬浮颗粒物浓度)和COD(化学总需氧量)指标测量仪器中普遍面临环境光干扰，比如太阳光线中的紫外线和红外线也会经待测水样的反射和散射进入光电检测器。太阳是主要环境光干扰源，一般情况下，太阳光要比人造光的光强大，属于非调制光源，光谱带宽也很宽。而用于照明的人造光源通常是一种调制光，调制频率一般在50Hz，其频率与工频相等或者工频的谐波倍频上。总的来说，环境光的强度可看作是一个具有非零均值的随机过程(针对太阳光)和一个确定过程(针对人造光)的叠加，且其均值也会随着环境的变化如日照，天气状况和时间的推移发生缓慢变化，但是在一次测量的小时间尺度上,环境光的平均强度可以认为是恒定的。环境光对光电转换器的影响表现在两个方面：一是环境光的平均值做为背景光进入光电检测管，增加了光电检测管的工作电流，形成了一个额外的偏置电流，以及由此带来的散粒噪音。散粒噪音的大小与工作电流密切相关。二是环境光本身的随机性会在检测管的电流中叠加一个随机噪音。此外还需考虑到由于水体表面波纹、气泡和漂浮物等的影响，还有可能形成强噪音干扰。这种强干扰具有两个特点：一、反射光线的强度要比微弱的散射光线强很多，在电信号上表现为持续的非高斯强脉冲噪音。二、由于水中的气泡，漂浮物，泡沫以及水面波等变化相对缓慢，因此该强脉冲噪音的频谱集中在低频部分。这也就导致直接发射光信号，并检测接收光强度的方法，极易被光噪音污染，具有极低的信噪比，这就使得检测到的信号无法真实准确的反映出水样对光学信号的作用。因此光噪音的存在严重限制了光学散射法,透射法,荧光法等测量仪器的应用范围。在尚未有较好的光噪音滤除装置的现状下，市场可见绝大多数光学水质测量仪器，如公开号为CN1912579A,名称为COD光电检测装置的中国专利申请及公开号为JP2010091309，名称为非接触水质测定装置的日本专利申请，公开的采用引流法将水样抽取至密闭箱体的检测池中进行光学后向散射法测量，通过增加复杂的引流过程和密闭箱体来克服环境光,漂浮物和气泡等的不利影响。采用类似引流方案的专利还有美国公开号为5,400,137的专利。但是引流式光学后向散射法测量仪器在成本、易部署性、可维护性和水样真实性上均表现较差。而公开号为EP1241464A1的欧洲专利申请所公开的开放式光学后向散射法测量仪器虽然可以避免复杂的引流设备，从而解决上述问题，但是必须另外解决空间光噪音干扰的影响。
技术实现思路
有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本专利技术的目的在于，提供一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，使其能够有效解决光学法水质测量仪器在使用中遇到的环境光噪音干扰问题，同时能控制制造成本，提高其易部署性、可维护性和测量的实时性。为了实现上述目的，依据本专利技术提出的一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，该光学水质测量系统包括光发射单元及光接收单元，该光噪音滤除装置包括：信号调制单元，对所述的光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从所述信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述的当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强。本专利技术还可采用以下技术措施进一步实现。前述的光噪音滤除装置，其中所述的动态观测器包括：观测变量提取单元，残差向量计算单元，反馈矩阵计算单元及状态向量更新单元；所述观测变量提取单元，对输入的周期信号提取峰值或均值作为动态增益观测器的观测变量；所述的残差向量计算单元，利用动态增益观测器状态方程生成的观测向量估计与实际的观测向量取差值，生成残差向量送入状态向量更新单元；所述反馈矩阵计算单元，利用训练数据生成当前部署场景最优的反馈矩阵；所述状态向量更新单元，利用输入残差向量和所述反馈矩阵计算单元输出的反馈矩阵，以及当前状态向量，迭代计算出一组状态向量并更新当前状态向量。本专利技术与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本专利技术的光噪音滤除装置,至少具有下列优点:一、本专利技术的光噪音滤除方法及装置,通过信号调制单元调制和相干检测器处理,在处理时有效滤除如太阳光，人造光源等相对平稳因素造成的随机过程参数恒定的环境光噪音，从而具备比基于非相干检测技术的系统更高效的滤除平稳、高斯的环境光噪音的能力。二、本专利技术的光噪音滤除方法及装置,利用动态观测器,有效抑制由于水体表面泡沫、波纹、漂浮物等非平稳因素造成的随机过程参数非恒定的环境光噪音，提高测量准确性。三、本专利技术的光噪音滤除方法及装置,能够有效滤除平稳和非平稳的环境光噪音，从而提高光学水质测量系统的信噪比，使其达到容易部署、维护方便和测量准确的目标。附图说明图1是本专利技术光噪音滤除装置的方框结构示意图。图2是本专利技术光噪音滤除装置的发射信号示意图。图3是本专利技术光噪音滤除装置的接收信号的示意图。图4是本专利技术光噪音滤除装置的接收信号局部放大后的示意图。图5是本专利技术光噪音滤除装置的相干检测器的示意图。图6是本专利技术光噪音滤除装置滤除平稳光噪音后信号示意图。图7是本专利技术光噪音滤除装置的动态增益观测器的方框示意图。图8是本专利技术光噪音滤除装置滤除非平稳光噪音后信号示意图。图9是本专利技术光噪音滤除装置工作过程的流程示意图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术提出的光噪音滤除方法及装置其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。请参阅图1所示，是本专利技术光噪音滤除装置一实施例的方框示意图。本实施例的光噪音滤除装置200用于传统的光学水质检测装置100，光学水质检测装置100包括光发射单元1与光接收单元2。传统的光学水质检测装置100，在理想情况下，或是人为构建的理想情况如密闭引流池场景，光接收单元2即可通过检测由发射单元1所发射光信号经过目标水体12散射、反射或透射后的光信号强度，通过相关算法映射为相关水质参数。实际应用中，待测水样12散射的光信号(简称为检测光信号)中包括有效光、平稳光噪音和非平稳光噪音，其形态如图3所示。所述的有效光是指非接触水质测量装置所发射的光信号被待测水样12反射或散射的光信号，其强度或其他指标可以映射为相关水质参数。所述的平稳光噪音，是指参数恒定的环境光噪音，例如照明光、太阳光、工频干扰、热噪音或这些光线的反射光。所述的非平稳光噪音是指参数非恒定的环境光噪音，是由待测水样12中杂质反射的反射光，例如待测水样12中泡沫、漂浮物、波纹等随机杂质反射的反射光，所述非平稳光噪音是动态随机的。如
技术介绍
所述在光学水质检测系统实际工作中，检测光信号不可避免的会受到各种环境光的干扰，所述光噪音滤除装置200附加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，该光学水质测量系统包括光发射单元及光接收单元，特征在于该光噪音滤除装置包括：信号调制单元，对所述的光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从所述信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述的当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平稳光噪音与非平稳光噪音后的有效光强。

【技术特征摘要】
1.一种适用于光学水质测量系统的光噪音滤除装置，该光学水质测量系统包括光发射单元及光接收单元，特征在于该光噪音滤除装置包括：信号调制单元，对所述的光发射单元发出的光信号进行光强度调制；参考信号调理单元，将从所述信号调制单元获取的调制信号副本整形移相，提供相位一致的参考信号；相干检测单元，接收该参考信号调理单元传递的参考信号，及该光接收单元传递的检测光信号，并滤除检测光信号中的平稳光噪音；自相关单元，接收所述相干检测单元输出的信号，按信号周期进行自相关操作；动态观测器，接收所述自相关单元输出的信号，滤除其中的非平稳光噪音，输出当前状态向量；以及有效光强输出单元，从所述的当前状态向量中提取光强变量，输出滤除平...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦飞，寇立冬，钟镭，代学武，
申请(专利权)人：中国科学院大学，天津视讯云光电科技有限公司，东北大学，
类型：发明
国别省市：北京,11