二極管激光吸收光譜溫度調(diào)諧數(shù)據(jù)的預(yù)處理

二極管激光吸收光譜溫度調(diào)諧數(shù)據(jù)的預(yù)處理

1多峰檢測(cè)方法自20世紀(jì)70年代以來(lái)，調(diào)聲二甲基激光吸收光譜技術(shù)已在hint檢查和其他部門(mén)得到應(yīng)用。由于其高靈敏度、高分辨率、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，隨著調(diào)聲半胱氣器的發(fā)展，近年來(lái)已在工業(yè)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的TDLAS技術(shù)利用注入電流的變化實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)的掃描,由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且具有很高的調(diào)諧速度,此方法目前已成熟應(yīng)用于各種氣體的檢測(cè)中[4~6]。由于氣體檢測(cè)中常用的分布反饋(DFB)激光器存在安全電流閾值,電流調(diào)諧技術(shù)的波長(zhǎng)掃描范圍通常在0.2~0.5nm之間,傳統(tǒng)的TDLAS技術(shù)一般只針對(duì)一種氣體的單一吸收峰進(jìn)行掃描,不僅降低了激光器的使用效率,也帶來(lái)了實(shí)際應(yīng)用中的局限性,主要反映在氣體吸收峰位置尋找以及多吸收峰檢測(cè)上。電流調(diào)諧技術(shù)可用來(lái)同時(shí)檢測(cè)譜線位置非常接近的多種物質(zhì),如CO2和CO,但每種氣體均只有一個(gè)吸收峰被檢測(cè),此方法也可在溫度測(cè)量中檢測(cè)同種氣體的相鄰吸收峰。在這種情況下,相鄰的吸收峰在激光器線寬較寬或氣體壓強(qiáng)較高時(shí)可能產(chǎn)生重疊,從而影響譜線特征提取過(guò)程,此時(shí)就需要更寬的調(diào)諧范圍覆蓋更多的吸收線,不僅提高被測(cè)物吸收峰選擇的靈活度,利用多峰計(jì)算的方法提高系統(tǒng)的抗干擾能力,同時(shí)降低系統(tǒng)對(duì)激光器線寬和檢測(cè)壓強(qiáng)的要求。激光器掃描范圍過(guò)窄可通過(guò)設(shè)定工作溫度解決,激光器的發(fā)射波長(zhǎng)由注入電流和工作溫度同時(shí)決定,利用這一特性,可使系統(tǒng)先設(shè)定多個(gè)工作溫度點(diǎn),并分別測(cè)量得到粗略的吸收譜線,在吸收較強(qiáng)的峰值位置固定工作溫度進(jìn)行電流調(diào)諧檢測(cè),或?qū)⒉煌ㄩL(zhǎng)位置的譜線拼接得到較寬的吸收譜線進(jìn)行多吸收峰檢測(cè)。上述方法中,需要將工作溫度穩(wěn)定在固定值后進(jìn)行電流調(diào)諧,在波長(zhǎng)穩(wěn)定點(diǎn)需要較高精度時(shí),這一步驟通常需要較長(zhǎng)時(shí)間,并且操作過(guò)程比較復(fù)雜,不利于快速實(shí)時(shí)檢測(cè)。在本課題組之前的工作中,為了實(shí)現(xiàn)激光器的快速寬譜調(diào)諧,可對(duì)激光器中的熱電制冷器件(TEC)施加驅(qū)動(dòng)電流,使其工作溫度在一定范圍內(nèi)掃描,從而實(shí)現(xiàn)其發(fā)射波長(zhǎng)的寬譜掃描,DFB激光器的溫度調(diào)諧范圍一般可達(dá)4nm,這使得系統(tǒng)的多種成分辨識(shí)及多參數(shù)檢測(cè)成為可能。在上述需求下,溫度調(diào)諧系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)中吸收峰位置以及吸收線形均有較高的精度要求,因而檢測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)問(wèn)題將變得很重要,傳統(tǒng)的電流調(diào)諧技術(shù)通常只檢測(cè)氣體吸收峰的幅值而非吸收位置,很少關(guān)注波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)問(wèn)題。由于調(diào)諧方式的不同,電流調(diào)諧和溫度調(diào)諧的檢測(cè)信號(hào)存在差異,主要體現(xiàn)在波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)過(guò)程上。電流調(diào)諧信號(hào)只有一列幅值,其采樣點(diǎn)位置與掃描幅度對(duì)應(yīng),從而可以直接換算成波長(zhǎng);而溫度調(diào)諧信號(hào)由幅值序列和經(jīng)過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)輸出幅值換算得到的波長(zhǎng)序列組成,幅值和波長(zhǎng)位置一一對(duì)應(yīng)。由兩列數(shù)據(jù)組成的溫度調(diào)諧信號(hào),在讀取和存儲(chǔ)過(guò)程中比電流調(diào)諧信號(hào)更復(fù)雜,由于各周期信號(hào)的起始點(diǎn)并不重合,在后續(xù)處理過(guò)程中如粗大誤差剔除及大量數(shù)據(jù)評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)多有不便,而非線性的波長(zhǎng)采樣率使得一段數(shù)據(jù)前后的波長(zhǎng)精度不一致,影響吸收峰定位及線形計(jì)算精度。基于上述問(wèn)題,有必要對(duì)溫度調(diào)諧系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,使其更接近電流調(diào)諧信號(hào),以便用已有的方法進(jìn)行后續(xù)的處理及運(yùn)算。本文首先介紹了溫度調(diào)諧的原理及過(guò)程,在分析了溫度調(diào)諧數(shù)據(jù)的特征后,將波長(zhǎng)序列中NTC檢測(cè)噪聲濾波去除,在單調(diào)的波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)對(duì)幅值進(jìn)行插值,得到一組位置固定的幅值序列用于后期處理,并將預(yù)處理結(jié)果與電流調(diào)諧信號(hào)進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。2溫度調(diào)諧信號(hào)的多周期性通常,光譜分析中會(huì)采用多次數(shù)據(jù)平均的方法去除噪聲以提高檢測(cè)極限,由于TDLAS的采集信號(hào)只有幅值和時(shí)間信息而不含波長(zhǎng)信息,光譜吸收峰位置和線形受激光的波長(zhǎng)掃描范圍影響。在電流調(diào)諧技術(shù)中,激光器注入電流鋸齒波的重復(fù)性好,且注入電流對(duì)波長(zhǎng)的影響小,電流調(diào)諧速率約為0.01nm/mA,可通過(guò)測(cè)定激光器調(diào)諧特性曲線并加以擬合得到,如圖1所示,其中注入電流為偏置電流疊加掃描信號(hào)幅值。系統(tǒng)工作時(shí),鋸齒波掃描信號(hào)被同時(shí)采集,以最低點(diǎn)作為起始點(diǎn)截取完整周期的信號(hào),在存儲(chǔ)和讀取時(shí)可以將多周期信號(hào)對(duì)齊存為一個(gè)矩陣,而根據(jù)圖1對(duì)應(yīng)得到的波長(zhǎng)序列只需存為一個(gè)向量。溫度調(diào)諧中,TEC溫度變化一個(gè)周期即掃描一周期,檢測(cè)信號(hào)和NTC輸出同時(shí)進(jìn)入采集卡。圖2為CO2溫度調(diào)諧原始信號(hào),與電流調(diào)諧技術(shù)相同,包含幅值和時(shí)間信息。圖3為NTC輸出經(jīng)過(guò)換算得到的波長(zhǎng)序列,兩圖的采樣點(diǎn)在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)。圖3中波長(zhǎng)序列在前半段斜率較大,后半段上升平緩,且自身差異遠(yuǎn)大于電流調(diào)諧,這是由激光器根據(jù)TEC驅(qū)動(dòng)電流的升溫過(guò)程決定的,由此造成了不同采樣點(diǎn)波長(zhǎng)分辨率的不一致,也就是波長(zhǎng)檢測(cè)精度不同,從而影響吸收峰定位及線形計(jì)算精度。此外,采樣點(diǎn)和波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不均勻?qū)е铝嗽夹盘?hào)吸收峰在形態(tài)和頻率上的差異,圖2中后段的第9峰與前8峰明顯不同,這種現(xiàn)象不利于信號(hào)的頻域分析。在讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí),幅值和波長(zhǎng)可分別存為兩個(gè)矩陣,與電流調(diào)諧過(guò)程相比略為復(fù)雜,更嚴(yán)重的問(wèn)題在于,由于不同數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)可能不重合,在多周期平均時(shí)會(huì)將采樣點(diǎn)位置差異帶入計(jì)算結(jié)果,從而影響檢測(cè)精度。與電流調(diào)諧信號(hào)不同,溫度調(diào)諧信號(hào)的波長(zhǎng)序列不具重合性,如圖4所示,200個(gè)周期的波長(zhǎng)序列起始點(diǎn)在20pm范圍內(nèi)波動(dòng)。原因有如下幾點(diǎn):1)激光器驅(qū)動(dòng)器的溫度設(shè)定精度比NTC檢測(cè)精度低,即使在相同設(shè)定的情況下,檢測(cè)到的實(shí)際工作溫度也很難保持更高精度的重復(fù)性;2)受溫度延時(shí)效應(yīng)以及起始點(diǎn)選取的影響,激光器實(shí)際的起始溫度與設(shè)定值會(huì)產(chǎn)生一定偏離;3)NTC的檢測(cè)噪聲會(huì)被帶入波長(zhǎng)換算過(guò)程,進(jìn)而對(duì)起始點(diǎn)的重合性產(chǎn)生比較細(xì)微的影響。從圖1中可看出,激光器溫度調(diào)諧速率要大于電流調(diào)諧速率,約為0.1nm/K,因此檢測(cè)溫度的波動(dòng)在換算成波長(zhǎng)時(shí)被放大。波長(zhǎng)序列起始點(diǎn)不重合為不同周期數(shù)據(jù)的橫向比較增加了難度,在使用多周期數(shù)據(jù)平均去噪、粗大誤差剔除以及評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)存在諸多不便。由于溫度調(diào)諧數(shù)據(jù)具有上述特征,系統(tǒng)在獲得數(shù)據(jù)后有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理,使其可按照傳統(tǒng)的電流調(diào)諧數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行運(yùn)算,以保證系統(tǒng)在兩種調(diào)諧方式間切換時(shí)更改最少的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)流程。3波長(zhǎng)序列插值模塊與電流調(diào)諧數(shù)據(jù)相比,溫度調(diào)諧數(shù)據(jù)不具備幅值和波長(zhǎng)序列可分離、各周期信號(hào)采樣點(diǎn)的波長(zhǎng)重復(fù)性以及周期內(nèi)波長(zhǎng)分辨率一致等特征,這是本文的數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程旨在解決的主要問(wèn)題。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程包括如下流程:數(shù)據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的選取、波長(zhǎng)采樣率的確定、插值起點(diǎn)選取、波長(zhǎng)序列平滑濾波、插值過(guò)程和結(jié)果分析。原始數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)起始點(diǎn)不一致,而波長(zhǎng)序列的終點(diǎn)也在一定范圍內(nèi)波動(dòng),趨勢(shì)同圖4中曲線。因此要選定一個(gè)波長(zhǎng)范圍,使得結(jié)果數(shù)據(jù)的起點(diǎn)在所有原始數(shù)據(jù)起點(diǎn)之上,終點(diǎn)在所有原始數(shù)據(jù)終點(diǎn)之下,并留出一定余量以保證每一段原始數(shù)據(jù)都能完全覆蓋此波長(zhǎng)范圍。根據(jù)分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可確定本文測(cè)得檢測(cè)信號(hào)的實(shí)用波長(zhǎng)范圍為1578.33~1582.63nm,寬度為4.3nm。波長(zhǎng)采樣率指固定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù),原始數(shù)據(jù)在前后兩段波長(zhǎng)采樣率差異較大。圖5為波長(zhǎng)序列的一階差分,表明其相鄰兩點(diǎn)的波長(zhǎng)間隔,幅值的倒數(shù)即為該位置的波長(zhǎng)采樣率,在3500點(diǎn)前后波長(zhǎng)采樣率變化劇烈,兩段相差數(shù)倍之多。結(jié)果信號(hào)的波長(zhǎng)采樣率過(guò)大會(huì)增加處理時(shí)間和無(wú)用數(shù)據(jù)量,而波長(zhǎng)采樣率過(guò)小會(huì)使信號(hào)形狀失真從而影響特征值的提取精度。以單一完整吸收峰為例,包含二次諧波峰谷值以及兩側(cè)基線的寬度約為300pm,波長(zhǎng)采樣率設(shè)為500point/nm,此時(shí)吸收峰由150點(diǎn)描述,與電流調(diào)諧數(shù)據(jù)近似。由于在插值運(yùn)算過(guò)程中波長(zhǎng)序列必須單調(diào)遞增,而圖5中一階差分值在首尾兩端分別出現(xiàn)了負(fù)值,因此有必要對(duì)波長(zhǎng)序列進(jìn)行處理以保證其完成插值運(yùn)算。圖5中起始部分的負(fù)值表示激光器溫度在大幅度上升前有短暫的下降階段,因而其波長(zhǎng)序列出現(xiàn)極小值,插值的起點(diǎn)要在極小值出現(xiàn)后,并且在結(jié)果數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)之前以保證其插值精度,如圖6所示,其中橢圓區(qū)域?yàn)椴逯灯鹗键c(diǎn)的選擇區(qū)域,不同周期數(shù)據(jù)極小值點(diǎn)會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),插值起始點(diǎn)應(yīng)高于所有原始數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)起始點(diǎn)。圖5曲線尾端的負(fù)值來(lái)自NTC的檢測(cè)噪聲,在波長(zhǎng)序列上升平緩處尤為明顯。針對(duì)NTC的檢測(cè)噪聲,本文采用Savitzky-Golay濾波器對(duì)波長(zhǎng)序列進(jìn)行平滑濾波,Savitzky-Golay濾波器可以根據(jù)設(shè)定的階數(shù)和窗寬對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行最小二乘擬合,用窗口中心點(diǎn)擬合值代原始數(shù)據(jù)并移動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)平滑濾波,在濾除高頻噪聲的同時(shí)最大程度地保留了曲線特征。選擇適當(dāng)?shù)碾A數(shù)和窗寬,對(duì)圖3中波長(zhǎng)序列平滑濾波,對(duì)處理結(jié)果求一階差分,如圖7所示。與圖5相比,曲線的變化趨勢(shì)得到保留,NTC檢測(cè)噪聲被濾除,曲線尾端已無(wú)負(fù)值點(diǎn)出現(xiàn),表明波長(zhǎng)序列單調(diào)遞增,可作為位置序列對(duì)幅值序列進(jìn)行插值。本文中原始波長(zhǎng)序列的采樣率要大于結(jié)果序列,不需要增補(bǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn),但在預(yù)設(shè)的固定位置上原始曲線往往沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn),為得到這些位置的信號(hào)幅值,需要對(duì)波長(zhǎng)序列和幅值序列進(jìn)行插值。在諸多插值類(lèi)型中,三次樣條插值適用于本文中的數(shù)據(jù),其采用全局化分段插值的方法,能夠避免高次多項(xiàng)式全局整體插值帶來(lái)的數(shù)據(jù)震蕩,具有很好的數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性,同時(shí)也保證了結(jié)果曲線的平滑度。以原始波長(zhǎng)序列和幅值序列作為參考,在1578.33~1582.63nm區(qū)間每2pm一點(diǎn)作為輸入節(jié)點(diǎn),對(duì)連續(xù)檢測(cè)得到的CO2數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值,將多周期處理結(jié)果存到同一矩陣。比較處理前后的CO2數(shù)據(jù),如圖8所示。從圖8中可看出,處理前的各周期CO2原始數(shù)據(jù)在位置上并不重合,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后具有很好的位置重復(fù)性,在曲線的峰值和谷值處尤為明顯。此結(jié)果與電流調(diào)諧數(shù)據(jù)具有相同的模式,可利用已有的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行后續(xù)處理,由于采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)固定波長(zhǎng),在計(jì)算過(guò)程中可以將間隔2pm的采樣點(diǎn)數(shù)作為衡量位置的單位,在結(jié)果輸出時(shí)換算成波長(zhǎng)單位。在計(jì)算信噪比評(píng)價(jià)預(yù)處理結(jié)果時(shí),以多周期平均結(jié)果的峰谷值作為信號(hào),以峰值點(diǎn)位置的多周期標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲,算得CO2檢測(cè)信號(hào)9個(gè)吸收峰的信噪比。其中的噪聲反映多周期平均過(guò)程帶入計(jì)算結(jié)果的位置點(diǎn)差異,與信號(hào)對(duì)齊程度直接相關(guān)。表1為處理前后的信噪比及改善率,順序?yàn)閳D8中由左至右9個(gè)吸收峰,改善率由兩信噪比相除得到。從表1中可看出,溫度調(diào)諧原始數(shù)據(jù)在多周期平均時(shí)將位置點(diǎn)的偏差帶入計(jì)算結(jié)果,使得其信噪比較低,均值為36.2,經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后信噪比有了顯著提高,均值達(dá)到214.6,平均改善率為5.9倍。在已有的數(shù)據(jù)處理技術(shù)中,大量的背景信號(hào)可用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定性,如果背景條紋隨時(shí)間移動(dòng),吸收峰峰高的測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),此時(shí)應(yīng)將背景從信號(hào)中剔除。經(jīng)此方法處理的溫度調(diào)諧背景信號(hào)已與文獻(xiàn)中的模式相同,可用來(lái)觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性,圖9為200周期N2背景信號(hào),采樣時(shí)間為1h,此結(jié)果可直觀的觀察背景條紋的分布以及隨時(shí)間的變化規(guī)律,為后續(xù)處理中方法和步驟的確定提供了依據(jù)。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析是解析信號(hào)和噪聲頻率范圍的重要手段,波長(zhǎng)采樣率的變化會(huì)使信號(hào)各吸收峰頻率不一致,從而干擾頻域分析結(jié)果。經(jīng)過(guò)預(yù)處理過(guò)程