基于光吸收傳感的電子鼻氣體圖譜處理方法研究.pdf

1、電子鼻作為人工嗅覺(jué)技術(shù)發(fā)展的典型產(chǎn)物，在過(guò)去的二十年間已取得了很大成就，并研制出了商用產(chǎn)品。但是，已有的商用電子鼻的嗅覺(jué)性能距離人們所期待的水平還存在很大的差距，其根本原因是電子鼻的核心部件，即氣體傳感系統(tǒng)，還不完善，具體表現(xiàn)為：傳感器受環(huán)境因素影響大、壽命短，與數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的人類(lèi)嗅覺(jué)細(xì)胞相比，電子鼻的傳感陣列規(guī)模小、可傳感的氣體種類(lèi)有限等。因此，本文提出一種基于復(fù)合光的光吸收型氣體傳感技術(shù)，用以改善電子鼻的氣體傳感性能。其主要優(yōu)勢(shì)為：在

2、以光為媒介的氣體傳感陣列中，傳感單元不僅滿(mǎn)足電子鼻所要求的交叉敏感性與廣譜性，其數(shù)量還可達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何一個(gè)現(xiàn)有電子鼻的傳感陣列規(guī)模。此外，光傳感還具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　雖然，復(fù)合光吸收型氣體傳感技術(shù)具有承載電子鼻核心傳感任務(wù)的巨大潛能。但是，在將其引入電子鼻完成氣體傳感任務(wù)的過(guò)程中還面臨著許多問(wèn)題。其中，如何構(gòu)建具有大規(guī)模并行傳感陣列的傳感系統(tǒng)，以及如何針對(duì)所建系統(tǒng)進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)處理，得到具有較好

3、的容錯(cuò)能力、穩(wěn)定且能反映氣體自身特性的傳感響應(yīng)，是將復(fù)合光吸收型氣體傳感技術(shù)引入電子鼻中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。然而，由于電子鼻的分析手段與現(xiàn)有常規(guī)氣體分析儀器的分析手段不同，現(xiàn)有針對(duì)光吸收型氣體傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法在面向電子鼻應(yīng)用時(shí)，不能更好地獲取傳感后的氣體信息。圍繞上述問(wèn)題，本文的主要研究?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)如下：
　?、倜嫦螂娮颖堑膹?fù)合光氣體傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建與測(cè)試。為改善電子鼻的氣體傳感性能，本文提出一種基于復(fù)合光的光吸收型氣體傳

4、感技術(shù)。為驗(yàn)證將其引入電子鼻承載核心傳感任務(wù)的可行性，本文根據(jù)氣體分子的吸收光譜學(xué)原理研究了面向電子鼻的復(fù)合光氣體傳感機(jī)制，建立了傳感響應(yīng)的理論模型，構(gòu)建了基于該模型的復(fù)合光吸收型氣體傳感系統(tǒng)；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試并獲得了正確的（與理論模型以及HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)一致）傳感響應(yīng)。
　?、诨讵?dú)立成分分析的光譜儀基線(xiàn)漂移干擾抑制方法。針對(duì)所構(gòu)建傳感系統(tǒng)中，因小型光譜儀的基線(xiàn)漂移干擾導(dǎo)致氣體對(duì)光的吸收作用被掩蓋，進(jìn)而使傳感靈敏度降低、系

5、統(tǒng)傳感性能變差的問(wèn)題。本文首先研究了小型光譜儀的基線(xiàn)漂移規(guī)律和特性；然后，有針對(duì)性地提出了基于獨(dú)立成分分析的光譜儀基線(xiàn)漂移干擾抑制方法，該方法將獨(dú)立成分分析引入光譜儀的基線(xiàn)漂移干擾抑制中，并聯(lián)合使用主成分分析方法，將原有傳感數(shù)據(jù)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)先做主成分分析，后做獨(dú)立成分分析，再進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，最終得到漂移干擾抑制后的傳感數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文方法進(jìn)行漂移干擾抑制，大大提升了實(shí)測(cè)傳感響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)值的相似度。此外，通過(guò)與現(xiàn)有

6、經(jīng)典方法的對(duì)比表明，本方法在抑制系統(tǒng)中的小型光譜儀基線(xiàn)漂移干擾方面更優(yōu)越。
　?、刍谌植町惤y(tǒng)計(jì)的氣體圖譜特征提取方法。針對(duì)所建傳感系統(tǒng)中因大規(guī)模并行的氣體傳感單元帶來(lái)的數(shù)據(jù)量急劇增大（即：由傳感陣列一次性獲取的傳感響應(yīng)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是傳統(tǒng)電子鼻氣體傳感陣列中傳感單元個(gè)數(shù)的數(shù)十倍以上），導(dǎo)致傳感響應(yīng)數(shù)據(jù)的信息處理復(fù)雜度增加的問(wèn)題，本文提出一種基于全局差異統(tǒng)計(jì)的氣體圖譜特征提取方法，該方法以電子鼻應(yīng)用為背景，結(jié)合電子鼻以獲取和識(shí)別氣體綜

7、合特征為主線(xiàn)，采用全局范圍內(nèi)的差異統(tǒng)計(jì)方法獲取氣體圖譜所反映出的綜合吸光特征，不僅能有效地提取出氣體的綜合特征，還具有一定的容錯(cuò)功能。此外，本文對(duì)所提方法的特征提取有效性以及容錯(cuò)有效性方面進(jìn)行了理論證明，并通過(guò)與現(xiàn)有特征提取方法的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方法在特征提取有效性以及容錯(cuò)方面的優(yōu)越性能。
　?、芑趫D像特征提取的寬帶空間外差光譜干涉圖處理方法。將復(fù)合光吸收型氣體傳感技術(shù)引入電子鼻改善其傳感性能，需要構(gòu)建面向?qū)挷ǘ畏秶?/p>

8、巨量并行氣體傳感陣列，但僅用光柵光譜法難以兼顧高分辨與寬光譜的要求，因此本文引入寬帶空間外差光譜技術(shù)，并將其用于實(shí)現(xiàn)傳感系統(tǒng)的光譜發(fā)生與探測(cè)模塊。然而，傳統(tǒng)方法在做寬帶空間外差光譜干涉圖分析時(shí)，由信號(hào)光干涉圖的逆傅里葉變換，經(jīng)反演重構(gòu)出信號(hào)光光譜，再?gòu)闹貥?gòu)的光譜中提取特征，其過(guò)程不僅復(fù)雜而且計(jì)算量大，而電子鼻對(duì)氣體的分析是建立在整體特征提取和識(shí)別的基礎(chǔ)上，故可直接以系統(tǒng)的響應(yīng)干涉圖代替復(fù)原光譜實(shí)現(xiàn)氣體的識(shí)別。因此，本文提出在干涉圖與輸入