结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法

摘要

本发明属于气体检测领域，具体是一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法。一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器，声光调制器的出射光路上顺次设有耦合透镜以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔，光学腔的出射光路上设有第一光电探测器。本发明结合了卡尔曼滤波器，对腔衰荡信号进行后续处理，从而减小了系统误差，提高了腔衰荡光谱的准确度。

主权项

一种结合卡尔曼滤波器的腔衰荡光谱技术气体浓度监测方法，其特征在于，由采用基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置采集数据的方法以及对采集到的数据采用卡尔曼滤波器进行分析的方法组成；所述基于腔衰荡光谱技术的气体浓度监测装置包括一个激光发射装置，激光发射装置的出射端通过光纤连接有一个声光调制器(3)，声光调制器(3)的出射光路上顺次设有耦合透镜(4)以及腔体上设有进气口与出气口的光学腔(5)，所述光学腔(5)位于光路上的两端均为高反镜且两个高反镜的反射面相对，其中一个高反镜固定在压电陶瓷上，压电陶瓷顺次连接有一个高压放大器(8)和函数发生器(9)；光学腔(5)的出射光路上设有第一光电探测器(6)，第一光电探测器(6)的信号输出端分为两路，一路连接有计算机(15)，另一路通过一个阈值电路(7)与声光调制器(3)的信号输入端相连接；所述阈值电路(7)包括一个定时器以及一个比较器；所述比较器的同向输入端与第一光电探测器(6)的信号输出端相连接，比较器的反向输入端连接有一个电位器R5，比较器的信号输出端与定时器的第六管脚相连接；所述定时器的第三管脚与声光调制器(3)的信号输入端相连接；比较器的第七管脚以及定时器的第八管脚均与外部电源相连接；定时器的第三管脚还通过电阻R3连接有电容C2，定时器的第二管脚与电容C2相连接；电容C2的另一端接地；定时器的第四管脚与外部电源相连接，定时器的第七管脚通过电阻R1与外部电源相连接；定时器的第一管脚接地；所述比较器的第四管脚接地，定时器的第六管脚通过电阻R2接地；电位器R5的一端接地，另一端通过电阻R4与外部电源相连接；电位器R5两端并联有稳压管D1；所述定时器采用LM555CN，比较器采用TLV3501；所述计算机(15)在内设的基于labview平台的CRDS采集及拟合程序软件的支持下，采用卡尔曼滤波器分析方法对由上述装置采集并得到的气体浓度数据进行分析，进而得出优化后待测气体的浓度；所述卡尔曼滤波器分析方法包括以下步骤：设k‑1时刻真实的气体浓度为C_k‑1，浓度的变化为w_k‑1，则k时刻真实的浓度值可表示为：C_k＝C_k‑1+w_k‑1通过实验系统测量得到浓度值为z_k，测量误差为v_k，则有：z_k＝C_k+v_k其中，w_k和v_k为高斯白噪声，二者方差分别为σ_w²和σ_v²；卡尔曼滤波过程是一个递归过程，包括5个公式：预测过程：在k‑1时刻估计k时刻的值，浓度不会发生突变，则假设k时刻的浓度值等于k‑1时刻得到的最佳估计值：C_k|k‑1＝C_k‑1|k‑1计算先验误差，先验误差用来表征使用k‑1时刻值估算k时刻值的估计误差，它等于k‑1时刻的后验误差加浓度C的变化方差：$P_{k|k-1}=P_{k-1|k-1}+{\sigma }_w^2$更新过程：更新k时刻的卡尔曼增益K_g，K_g用来权衡估计值与测量值的可信程度$K_g=P_{k|k-1}{(P_{k|k-1}+{\sigma }_v^2)}^{-1}$更新k时刻的最佳估计值，Z_k为k时刻实际测量值C_k|k＝C_k|k‑1+K_g(z_k‑C_k|k‑1)计算k时刻的后验误差，后验误差用来表征最佳估计值的估计误差P_k|k＝(1‑K_g)P_k|k‑1最终得到的C_k|k就是经过卡尔曼滤波方法滤波后的待测气体浓度数据；其中浓度变化误差方差与测量误差方差σ_w²、σ_v²可以根据下式进行估计：${\sigma }_{\nu }^2=R\left(k\right)=-\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}z\left(j\right)*z(j-1)$${\sigma }_w^2=R\left(0\right)-{\sigma }_v^2.$