一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法及系统，所述方法包括如下步骤：利用气体浓度在线检测系统进行持续测量以获取各浓度下大量的原始二次谐波样本；计算数据库中不同浓度下原始二次谐波样本在固定采样点的数据离散度，即谐波幅值离散度，作为数据先验；综合各浓度谐波幅值离散度作为高价值区域与权重指引；对于针对待测浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，依据最小加权欧氏距离找到与原始二次谐波相似度最高的理论二次谐波模型，实现二次谐波曲线的拟合。本发明专利技术可以拟合得到精确的二次谐波信号。

A fitting method and system of second harmonic signal based on amplitude dispersion

【技术实现步骤摘要】
一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法及系统
本专利技术属于信号处理
，具体涉及一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法及系统。
技术介绍
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术因其具有高灵敏度、高选择性、非侵入式检测等优点被广泛运用到气体检测领域，可用于温度、浓度、压力、流速等流场参数的检测。而波长调制光谱技术(WMS)也已是目前在TDLAS中最常用的灵敏探测方法。在WMS中的众多谐波信号中，由于二次谐波信号在理论上具有相对较大的峰峰值而被广泛使用，但在实际工业应用中，二次谐波信号往往会受到各类噪声的影响，从而出现信号的偏移与畸变，进而降低了二次谐波峰峰值的精度，增大了整个检测系统的测量误差。目前一些已有相关学者提出了诸多方法用于矫正二次谐波信号，比如利用一次谐波信号归一化处理二次谐波，从而去除二次谐波信号中的剩余调制幅度，但这一方法无法解决信号畸变的问题；再比如利用小波变化思想，从小波域中提取出信号的有效成分来还原一个全新的二次谐波，但如何精准的定位信号中的有效成分仍是一大难点。因此，有必要设计一种方法，以解决二次谐波信号的偏移与畸变问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有技术的不足，提供一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法及装置，可以拟合得到精确的二次谐波信号。本专利技术所提供的技术方案为：一方面，提供一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取针对各种浓度的气体进行检测，得到的原始二次谐波样本；S2：将针对同一浓度的气体进行检测得到的所有原始二次谐波样本，计算其在固定采样点的幅值离散度，形成一条该浓度下的谐波幅值离散度曲线；S3：基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中幅值离散度较小的区域，即高置信区域(即高价值区域，将这一区域作为最终谐波拟合的目标区域)；所选的高置信区域为一个对称、连续的区域；S4：对于针对待测浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，利用理论二次谐波模型对其中的高置信区域进行拟合，即基于最小化欧氏距离求解最近似于该原始二次谐波中的高置信区域的理论二次谐波模型的最优参数，最优参数下的理论二次谐波模型即该原始二次谐波中的高置信区域的拟合结果。进一步地，所述步骤S1中，原始二次谐波样本是在现场环境下利用气体浓度在线检测系统对多组内部浓度已知的密闭玻璃药瓶进行长时间测量得到的；所述步骤S4中，原始二次谐波是在同样的现场环境下利用气体浓度在线检测系统对待测的密闭玻璃药瓶进行测量得到的。进一步地，步骤S2中，所述的幅值离散度计算公式为：式中，表示二次谐波样本在采样点xi处的幅值离散度，A(xi,j)表示第j个二次谐波样本在采样点xi处的幅值，m表示用于统计的二次谐波样本个数。进一步地，步骤S3基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中的高置信区域的方法为：首先通过各谐波幅值离散度曲线中相同采样点的幅值离散度平均值，综合不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，得到一条谐波幅值离散度参考曲线；然后将该条谐波幅值离散度参考曲线上幅值离散度较小的区域作为高置信区域。进一步地，步骤S4中，最小化欧氏距离为最小化加权欧氏距离，加权欧氏距离的具体计算公式如下：式中，A′(xi)表示原始二次谐波在采样点xi处的幅值，yi表示理论二次谐波模型在采样点xi处的幅值，ki为采样点xi处的权重，由其对应的幅值离散度确定。进一步地，步骤S4中，加权欧氏距离计算中各采样点的权重由其对应的幅值离散度确定，幅值离散度越大，赋予权重越小，幅值离散度越小，赋予权重越大，同时还对所有权重进行了归一化处理，对应的权重计算公式为：式中，ki为采样点xi处的权重，p和q分别为二次谐波中的高置信区域内第一个采样点和最后一个采样点的序号。进一步地，步骤S4中所选的理论二次谐波模型为Voigt线型函数；Voigt线型函数的表达式是参考的已有文献资料，Voigt线型函数的对应的波形的宽度和高度由两个参数Kx,Ky决定，所以求解最小加权欧式距离也是求解参数Kx,Ky的最优解的过程。另一方面，提供一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合装置，包括如下模块：二次谐波获取模块，用于获取针对各种浓度的气体进行检测，得到的原始二次谐波样本，以及待测的密闭玻璃药瓶对应的原始二次谐波；谐波幅值离散度曲线获取模块，用于将对同一浓度的气体进行检测得到的所有原始二次谐波样本，计算其在固定采样点的幅值离散度，形成一条该浓度下的谐波幅值离散度曲线；高置信区域确定模块，用于基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中幅值离散度较小的区域，即高置信区域；拟合模块，用于对于针对未知浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，利用理论二次谐波模型对其中的高置信区域进行拟合，即基于最小化欧氏距离求解最近似于该原始二次谐波中的高置信区域的理论二次谐波模型的最优参数，最优参数下的理论二次谐波模型即该原始二次谐波中的高置信区域的拟合结果。上述各模块的具体实现方法采用上述二次谐波信号拟合方法中的方式。另一方面，提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述的二次谐波信号拟合方法。另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的二次谐波信号拟合方法。有益效果：本专利技术上述技术方案提出了一种基于幅值离散度的二次谐波拟合方法及系统，利用气体浓度在线检测系统进行持续测量以获取各浓度下大量的原始二次谐波样本；计算数据库中不同浓度下原始二次谐波样本在固定采样点的数据离散度，即谐波幅值离散度，作为数据先验；综合各浓度谐波幅值离散度作为高价值区域与权重指引；对于针对待测浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，依据最小加权欧氏距离找到与原始二次谐波相似度最高的理论二次谐波模型，实现二次谐波曲线的拟合，拟合得到的二次谐波信号去除了原始二次谐波信号中的偏移和畸变，气体浓度在线检测系统通过拟合出的二次谐波信号获得峰峰值，一定程度地提高了二次谐波峰峰值的稳定性和精确性，由此提升了根据二次谐波峰峰值获取的气体浓度的精度。具有以下优点：1、本专利技术所述技术方案基于信号在时域中的信息熵的理论引申出谐波幅值离散度的概念，它表征了二次谐波中各采样点下的数据离散度大小，同时也表征了该位点下的数据置信程度；利用谐波幅值离散度这一数据先验，挖掘了二次谐波数据背后的价值信息，引出了一个崭新的维度来探究各浓度下的二次谐波信号。2、发现了不同浓度下的谐波离散度曲线趋于极强的一致性，其不但揭示了检测系统内部噪声的规律性，也证实了系统内部噪声在所有噪声中的主导性。结合这一发现，给出了二次谐波高价值区域的确定方法，从而压缩了谐波数据点的总量，降低了信号拟合过程的计算量，提高了算法运行的效率。3、利用谐波近似的原理，将原始二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：获取针对各种浓度的气体进行检测，得到的原始二次谐波样本；/nS2：将针对同一浓度的气体进行检测得到的所有原始二次谐波样本，计算其在固定采样点的幅值离散度，形成一条该浓度下的谐波幅值离散度曲线；/nS3：基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中幅值离散度较小的区域，即高置信区域；/nS4：对于针对待测浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，利用理论二次谐波模型对其中的高置信区域进行拟合，即基于最小化欧氏距离求解最近似于该原始二次谐波中的高置信区域的理论二次谐波模型的最优参数，最优参数下的理论二次谐波模型即该原始二次谐波中的高置信区域的拟合结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于幅值离散度的二次谐波信号拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：获取针对各种浓度的气体进行检测，得到的原始二次谐波样本；
S2：将针对同一浓度的气体进行检测得到的所有原始二次谐波样本，计算其在固定采样点的幅值离散度，形成一条该浓度下的谐波幅值离散度曲线；
S3：基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中幅值离散度较小的区域，即高置信区域；
S4：对于针对待测浓度的气体进行检测得到的原始二次谐波，利用理论二次谐波模型对其中的高置信区域进行拟合，即基于最小化欧氏距离求解最近似于该原始二次谐波中的高置信区域的理论二次谐波模型的最优参数，最优参数下的理论二次谐波模型即该原始二次谐波中的高置信区域的拟合结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，原始二次谐波样本是在现场环境下利用气体浓度在线检测系统对多组内部浓度已知的密闭玻璃药瓶进行长时间测量得到的；所述步骤S4中，原始二次谐波是在同样的现场环境下利用气体浓度在线检测系统对待测的密闭玻璃药瓶进行测量得到的。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述的幅值离散度计算公式为：



式中，表示二次谐波样本在采样点xi处的幅值离散度，A(xi,j)表示第j个二次谐波样本在采样点xi处的幅值，m表示用于统计的二次谐波样本个数。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3基于不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，确定二次谐波中的高置信区域的方法为：
首先通过各谐波幅值离散度曲线中相同采样点的幅值离散度平均值，综合不同浓度下的谐波幅值离散度曲线，得到一条谐波幅值离散度参考曲线；然后将该条谐波幅值离散度参考曲线上幅值离散度较小的区域作为高置信区域。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，最小化欧氏距离为最小化加权欧氏距离，加权欧氏距离的具体计算公式如下：



式中，A′(xi...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳春华，刘紫怀，李勇刚，罗旗舞，桂卫华，朱红求，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43