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技術(shù)發(fā)展的典型產(chǎn)物，在過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)以千萬計(jì)的人類嗅覺細(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)勢為：在

2、以光為媒介的氣體傳感陣列中，傳感單元不僅滿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)萬個之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一個現(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)的過程中還面臨著許多問題。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，不能更好地獲取傳感后的氣體信息。圍繞上述問題，本文的主要研究內(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)；對系統(tǒng)進(jìn)行測試并獲得了正確的（與理論模型以及HITRAN數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致）傳感響應(yīng)。
　?、诨讵?dú)立成分分析的光譜儀基線漂移干擾抑制方法。針對所構(gòu)建傳感系統(tǒng)中，因小型光譜儀的基線漂移干擾導(dǎo)致氣體對光的吸收作用被掩蓋，進(jìn)而使傳感靈敏度降低、系

5、統(tǒng)傳感性能變差的問題。本文首先研究了小型光譜儀的基線漂移規(guī)律和特性；然后，有針對性地提出了基于獨(dú)立成分分析的光譜儀基線漂移干擾抑制方法，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)作為觀測數(shù)據(jù)，通過對觀測數(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)測傳感響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)值的相似度。此外，通過與現(xiàn)有

6、經(jīng)典方法的對比表明，本方法在抑制系統(tǒng)中的小型光譜儀基線漂移干擾方面更優(yōu)越。
　　③基于全局差異統(tǒng)計(jì)的氣體圖譜特征提取方法。針對所建傳感系統(tǒng)中因大規(guī)模并行的氣體傳感單元帶來的數(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)個數(shù)是傳統(tǒng)電子鼻氣體傳感陣列中傳感單元個數(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別氣體綜

7、合特征為主線，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，還具有一定的容錯功能。此外，本文對所提方法的特征提取有效性以及容錯有效性方面進(jìn)行了理論證明，并通過與現(xiàn)有特征提取方法的對比，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，由信號光干涉圖的逆傅里葉變換，經(jīng)反演重構(gòu)出信號光光譜，再從重構(gòu)的光譜中提取特征，其過程不僅復(fù)雜而且計(jì)算量大，而電子鼻對氣體的分析是建立在整體特征提取和識別的基礎(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)氣體的識別。因此，本文提出在干涉圖與輸入