【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学探测领域，利用密集型光学多通池增强光程，实现痕量气体高灵敏度探测，同时以随机共振为工具，抑制系统随机噪声，提高信号信噪比。
技术介绍
1、激光吸收光谱技术已在许多应用中得到证明，例如空气质量监测、工业过程控制和医疗诊断。这些应用对测量精度有着很高的要求。激光吸收光谱虽然在灵敏检测方面具有诸多优势，但仍需要较长的光程和特殊的测量技术来检测痕量气体。出于这些目的，通常使用具有长光程的光学多通池来增强吸收信号。然而，在吸收信号中受到激光干涉条纹、热噪声、散粒噪声、电噪声和白噪声，严重影响了测量精度。尤其是使用小型化光学多通池时，这些噪声降低了信号信噪比与检测精度。因此，从强噪声背景中提取微弱的光谱信号具有重要意义。提出了几种方法来消除噪声的负面影响。
2、本实验中传统的弱周期信号处理方法主要有时间平均法、滤波法和相关分析法：
3、(1)时域平均法：获得高信噪比(snr)的信号，从而降低噪声的标准偏差，提高信号质量。然而，这种方法不能完全消除强噪声背景。
4、(2)滤波技术：基于硬件和软件的信号滤波器广泛用于降噪，其特点是带宽窄。在实际应用中，所需信号和噪声通常具有连续的功率谱和较宽的带宽，但制造与信号带宽相匹配的滤波器来去除噪声相对困难。如果滤波器的带宽很小，噪声就会大大衰减。然而，这可能会破坏所需的信号。
5、(3)相关检测技术：通过周期信号的自相关来去除噪声。其本质是建立一个带宽很窄的滤波器来滤除频率与信号频率不同的噪声。
技术实现思路<
1、本专利技术的目的是提供基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，通过数值计算和实验证明了该方法可以有效提升波长调制光谱(wms)信号。
2、本专利技术的主要优点在于：即使噪声和信号频率相同，只要达到最佳谐振匹配，参数调谐随机共振(sr)方法就可以将部分噪声能量转化为信号能量，从而抑制噪声，增强信号。
3、即使噪声和信号频率相同，只要达到最佳谐振匹配，参数调谐随机共振(sr)方法就可以将部分噪声能量转化为信号能量，从而抑制噪声，增强信号。
4、具体地，通过对随机共振数学模型分析，系统生成方波信号，方波的频率设为f0＝0.000801hz，方波的占空比是50％，方波的幅值是0.0863v，采用经典的四阶龙格库塔算法求解归一化的朗之万方程，推导出将参数调谐随机共振方法应用于波长调制光谱(wms)的最佳共振参数。求得最佳参数a＝0.000581，b＝2，此时sr输出信号的振幅被放大为理想方波信号的218.7倍，而标准差则从0.0401v(1σ)降低到0.0081v(1σ)，相应信噪比提高了2倍。
5、具体地，在最佳参数条件下，通过观察图2发现sr系统方波振幅与理想方波振幅只有在特定区域才呈线性关系。当理想方波振幅在0.02v到0.03625v时，可以观察到线性频谱响应，通过计算得到的线性拟合r的平方值优于0.92。表明在特定区间内理想方波振幅与sr方波振幅呈现线性关系。
6、具体地，对mpc中恒定20ppm的进行了时间序列测量由4000个采样数据点组成的2f信号进行4000次连续测量，形成一个4000×4000矩阵，并且矩阵的每一列用作sr系统方波输入信号。选择了矩阵的每一列中的2600个数据点作为sr系统输入信号以验证sr系统的性能，结果发现sr系统输出信号的峰值是4000次平均信号峰值的3.8倍，探测系统信噪比也相应的从15.8增长到25.9，提高了2倍。
7、具体地，测量并显示sr 2f信号峰值与原始2f信号峰值电平的响应。对每个校准ch4浓度的原始2f信号测量4000次。sr系统2f信号峰值对原始2f信号峰值的线性响应通过用线性斜率拟合数据来确认，线性拟合的r平方值大于0.999。表明不同ch4浓度的sr2f信号峰值的响应也是线性的，因为不同浓度的原始2f信号峰值是线性的。
8、本专利技术本文提出了基于随机共振激光气体浓度检测方法，也证明了该方法可以有效提升波长调制光谱(wms)的性能。通过数值计算和实验验证，该方法可以应用于低频光电信号，在最佳谐振状态下产生最高的信噪比。此外，时域平均法与参数调谐随机共振法的比较表明，所提出的方法可以有效去除噪声，放大信号，提高信噪比。基于这些结果，本文证明了所提出的方法非常适用于强噪声背景下的光电信号检测。
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1.基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下环节：
2.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：激光频率的范围在6335cm-1到6338cm-1，适用于通过探测位于6046.95cm-1的强吸收线来探测甲烷。
3.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于:方波的频率设为F0＝0.000801Hz，方波的占空比是50％，方波的幅值是0.0863V。
4.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：当理想方波振幅在0.02V到0.03625V时，可以观察到线性频谱响应，通过计算得到的线性拟合R的平方值优于0.92。
5.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：对MPC中恒定20ppm的进行了时间序列测量由4000个采样点组成的2f信号进行4000次连续测量，形成一个4000×4000矩阵，并且矩阵的每一列用作SR系统方波输入信号，选择了矩阵的每一列中的2600个数据点作为SR系统输入信号以验证S
6.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：测量并显示SR 2信号峰值与原始2信号峰值电平的响应。对每个校准CH4浓度的原始2信号测量4000次。SR系统2信号峰值对原始2信号峰值的线性响应通过用线性斜率拟合数据来确认，线性拟合的R平方值大于0.999。
...【技术特征摘要】
1.基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下环节：
2.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：激光频率的范围在6335cm-1到6338cm-1，适用于通过探测位于6046.95cm-1的强吸收线来探测甲烷。
3.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于:方波的频率设为f0＝0.000801hz，方波的占空比是50％，方波的幅值是0.0863v。
4.根据权利要求1所述的基于随机共振增强型激光气体浓度检测方法，其特征在于：当理想方波振幅在0.02v到0.03625v时，可以观察到线性频谱响应，通过计算得到的线性拟合r的平方值优于...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹亚南，李燕，许棕，彭姣，程鑫，张希军，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：
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