陳 亮,臧家彬,劉曉陽

盲信號分離的光聲光譜微量氣體測量技術(shù)研究

陳 亮,臧家彬,劉曉陽

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽110159)

基于傳統(tǒng)毒氣報警器受自身的探測靈敏度的限制，對混在毒氣里的微量毒氣不能有效測量這一缺陷，研究基于盲信號分離的光聲光譜微量氣體測量技術(shù)。設(shè)計一種采用LED光源離軸石英增強型光聲光譜測量有毒有害氣體的檢測平臺，用盲源分離方法對混合氣體紅外吸收譜區(qū)域有重疊的氣體進(jìn)行分離。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，光聲光譜氣體傳感器可以有效地檢測微量氣體，并且可以達(dá)到一定測量精度。

離軸石英增強型光聲光譜；紅外光源；盲源分離；多組分檢測

毒氣報警器廣泛應(yīng)用于石油、燃?xì)狻⒒?，油庫等存在有毒氣體的石油化工行業(yè)，用以檢測室內(nèi)外危險場所的泄漏情況,是保證生產(chǎn)和人身安全的重要儀器。但傳感器本身受自身的探測靈敏度的限制，對混在毒氣里的微量毒氣不能有效測量其濃度。通過光聲光譜技術(shù)[1]探測的方法，不僅能夠檢測出哪種有毒氣體，更能準(zhǔn)確測量出其精準(zhǔn)的濃度，從而為專業(yè)人員進(jìn)行檢測工作提供了便利。

傳統(tǒng)的光聲光譜采用光聲池[2]的方法測量光聲信號，由于該方法抗干擾能力弱，體積大，功耗和成本高，D.Weidmann等[3]提出使用石英音叉(TF)代替了傳統(tǒng)的麥克風(fēng)來探測氣體光聲信號，使得光聲傳感器的尺寸減小到幾立方厘米，音叉的高品質(zhì)因數(shù)和小型化尺寸使得系統(tǒng)非常強健。為了提高檢測靈敏度，同濟大學(xué)設(shè)計、制作了幾種諧振光聲腔[4]，如T型耦合諧振光聲腔，實驗研究表明其效果顯著。此外，安徽光機所對石英調(diào)諧音叉光聲腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的研究，使光聲光譜檢測靈敏度有很大提高[5]。大連理工大學(xué)提出利用近紅外可調(diào)纖維激光器作為光源，使儀器可以在線操作[6]。

本文采用音叉式石英晶振作為探測源只在特定的極窄的頻率附近(32kHz附近)對聲音有響應(yīng)，對其他頻段的聲音有很強的抑制能力，同時還具有探測模塊體積小、響應(yīng)帶寬窄、抗干擾性強、功耗和成本低等優(yōu)點，非常適合研制便攜式高靈敏度微型氣體傳感器。

1 光聲光譜檢測技術(shù)原理

氣體的光聲光譜檢測原理如圖1 所示。用頻率調(diào)制好的光源照射到處在氣室內(nèi)的氣體分子上，待測氣體分子吸收特定波長的入射光后由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。吸收的光能通過無輻射弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿又g的平動能[7]，它表現(xiàn)為氣體溫度的升高，而氣體溫度又會呈現(xiàn)出與調(diào)制頻率相同的周期性變化。這種變化最終表現(xiàn)為壓強的變化，而壓強本質(zhì)上是一種簡單的聲波。此時聲波的頻率(32.768kHz)等于石英音叉的共振頻率，音叉產(chǎn)生共振后，根據(jù)石英音叉的壓電效應(yīng)[7]，音叉會將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將信號檢測出來，得到的就是光聲光譜信號。

而待測氣體的濃度和紅外吸收線的強度決定了光聲信號的強弱，光聲信號和音叉的振幅成正比，振幅的大小又和流出音叉的電流有著一定關(guān)系，實驗中氣體的吸收線是確定的，這樣檢測出來的電信號就只和氣體的濃度有關(guān)系，通過理論標(biāo)定的方法可得到光聲光譜信號和氣體濃度的關(guān)系。

圖1 光聲光譜檢測原理圖

2 基于LED光源的光聲光譜毒氣檢測系統(tǒng)的搭建

系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要包括四個部分:光源部分、光譜測聲模塊、電路控制單元和氣路控制單元[7]。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

(1)光源部分用氣體配比儀(MFC)將配比好的氣體送入氣室內(nèi)。用調(diào)制好的固定頻率的紅外光照在待檢氣體上。MIR-LED光源半高寬FWHM為90nm，輸出功率Po為10mw。通過焦距為12.5mm的雙凸透鏡聚焦到共振管，焦點光斑直徑約為1mm[8]。

(2)氣路控制單元的氣室左右兩端設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。氣室體積設(shè)計為10cm3[8]。實驗中，氣室內(nèi)通入不同濃度的CO和CO2的混合氣體，氣體濃度的配比通過氣體質(zhì)量流量控制器完成。

(3)氣體流經(jīng)CaF2窗口進(jìn)入到共振管內(nèi)部，共振管采用離軸配置[8]。光束聚焦后從微型共振腔通過，在微型共振腔中心有一個狹縫正對著石英音叉兩臂之間。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，選取的諧振管長度為LAR=6.00 mm，內(nèi)徑為ID=0.8 mm，外徑OD=1.2 mm，狹縫長度為L=0.6 mm，寬度W=0.15 mm，共振管距離石英音叉的距離d=10 μm，中心軸距離音叉頂端的距離h=0.8mm。

(4)音叉檢測到的信號通過阻抗放大器[9](transimpedance amplifer)使得壓電電流信號轉(zhuǎn)換成后級所需要的電壓信號，同時起到再對信號完成一次放大作用。

3 盲信號分離FastICA算法

FastICA 算法是一種快速尋優(yōu)迭代算法[10]，采用批處理方式，即在每一步迭代中有大量的樣本數(shù)據(jù)參與運算。算法采用定點迭代的優(yōu)化算法，使得收斂更加快速、穩(wěn)健。

根據(jù)中心極限定理，若一隨機變量X由許多相互獨立的隨機變Si(i=1,2,3,…,N)之和組成只要Si具有有限的均值和方差，則不論其為何種分布，隨機變量X較Si更接近高斯分布[11]。通過對分離結(jié)果的非高斯性度量來表示分離結(jié)果間的相互獨立性，當(dāng)非高斯性度量達(dá)到最大時，則表明已完成對各獨立分量的分離。

負(fù)熵的定義:

N(Y)=H(YGauss)-H(Y)

(1)

式中，YGauss為與Y具有相同方差的高斯隨機變量，H(·)為隨機變量的微分熵,根據(jù)信息理論，在具有相同方差的隨機變量中，高斯分布的隨機變量具有最大的微分熵。當(dāng)Y具有高斯分布時，N(Y)= 0;Y的非高斯性越強，其微分熵越小，N(Y)值越大，所以N(Y)可以作為隨機變量Y非高斯性的測度。

N(Y)={E[g(Y)]-E[(YGauss)]}2

(2)

式中，E[·]為均值運算，g(·)為非線性函數(shù)。

FastICA學(xué)習(xí)規(guī)則是找一個方向以便WTX(Y=WTX)具有最大的非高斯性。WTX的方差約束為 1，對于白化數(shù)據(jù)而言，這等于約束W的范數(shù)為 1。首先，WTX的負(fù)熵的最大近似值能通過對E[G(E(WTX)]進(jìn)行優(yōu)化來獲得。

根據(jù)Kuhn-Tucker條件，在E{(WTX)2}=‖W‖2=1的約束下[11]，E[G(E(WTX)]的最優(yōu)值能在滿足下式的點上獲得。

E[Xg(WTX)]+βW=0

(3)

式中，β是一個恒定值，β=E{W0TXg(W0TX)}W0是優(yōu)化后的W值。利用牛頓迭代法解方程(3)，用F表示式左邊的函數(shù)，可得F的雅可比矩陣JF(W)如下:

JF(W)=E{XXTg′(WTX)}-βI

(4)

由于數(shù)據(jù)被球化，E{XXT}=I，所以

E{XXTg′(WTX)}≈E{XXT}·E{g′(WTX)}

=E{g′(WTX)}·I

(5)

因而雅可比矩陣變成對角陣，并且能比較容易地求逆。因而可以得到近似牛頓迭代公式:

W*=W-[E{Xg(WTX)}-βW]/

[E{g′(WTX)}-β]

(6)

W=W*/‖W*‖

(7)

式中，W*是W的新值，β=E{WTXg(WTX)},規(guī)格化能提高解的穩(wěn)定性。簡化后可以得到 FastICA算法的迭代公式:

W*=E{Xg(WTX)-E{g′(WTX)}W

(8)

W=W*/‖W*‖

(9)

用Matlab實現(xiàn)FastICA算法的基本步驟:

(1)對觀測數(shù)據(jù)X進(jìn)行中心化，使它的均值為0；

(2)對數(shù)據(jù)進(jìn)行白化；

(3)在(0,1)間選擇一個初始權(quán)矢量(隨機的)Wp；

(4)選取非二次函數(shù)G(u)=u4/4[12]；

(5)令Wp=E{Xg(WTX)-E{g′(WTX)}；

(6)W(k)=W(k)/‖W(k)‖；

(7)假如W(k)不收斂的話，返回(5)；

(8)令p=p+1，如果p≤m，返回(4)。

4 實驗結(jié)果及分析

本文對毒氣報警器中的混合氣體檢測以光聲效應(yīng)為基礎(chǔ)，需要事先知道混合氣體中各氣體的紅外特征吸收波長[13]，進(jìn)而準(zhǔn)確對其進(jìn)行檢測。表1為CO和CO2的紅外吸收譜的吸收峰位置。

表1 紅外吸收譜峰

為了凸顯盲信號分離算法能夠檢測中心波段相近的混合氣體的優(yōu)勢，并從氣源的易得性角度出發(fā)，本文對中心特征波長相近的CO、CO2進(jìn)行了測量。根據(jù)盲信號分離算法的模型和原理，實現(xiàn)對實驗檢測平臺只進(jìn)行一次參數(shù)設(shè)定的情況下，能檢測出多種特征波長相近的氣體。

為了消除散射和噪聲對檢測結(jié)果的影響，將采集的數(shù)據(jù)中與整體相比太小或太大的數(shù)據(jù)都去掉，實驗中通過氣體配比儀得到濃度穩(wěn)定的CO和CO2的混合樣氣，氣體配比儀主要控制兩個氣體質(zhì)量流量控制器來完成配比的功能，所用氣源均為100%的純氣體，用其配比出濃度為400ppm的CO和濃度為500ppm的CO2氣體。將配比好的混合氣體通入氣室左端的進(jìn)氣口，調(diào)節(jié)好各參數(shù)并連接好設(shè)備后，即可開始采集數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)表2得到觀測矩陣

對觀測矩陣進(jìn)行中心化并白化后，得到白化矩陣

通過Matlab進(jìn)行疊代計算，當(dāng)W收斂時對Y矩陣的第一行求平均值，即混合氣體各氣體分量的值(單位為mv):

根據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的線性標(biāo)定方法可以得到CO和CO2氣體濃度分別為386.13ppm和481.49ppm。

通過實驗可知用FastICA方法可以有效分離紅吸收譜有重疊的混合氣體。

為了得到光聲光譜氣體傳感器的測量精度，對標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO2單獨進(jìn)行實驗分析，檢測結(jié)果通過表3給出。

表3 傳感器測量精度 ppm

5 結(jié)束語

提出了在以MIR-LED為光源的OB-QEPAS系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用盲信號分離的方法對混合氣體紅外吸收譜區(qū)域有重疊的氣體進(jìn)行分離，通過檢測CO2濃度的實驗來檢驗光聲光譜氣體傳感器的測量精度。實驗結(jié)果表明，光聲光譜氣體傳感器可以有效地檢測微量氣體，并具有較高的測量精度。

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(責(zé)任編輯:馬金發(fā))

Study on Trace Gas Measurement Technology of Photoacoustic Spectroscopy Based on Blind Signal Separation

CHEN Liang,ZANG Jiabin,LIU Xiaoyang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Traditional toxic sensor is subject to the limit of the detection sensitivity,so the micro-gas mixture in the gas can not be measured effectively.A trace gas measurement technology of photoacoustic spectroscopy is studied by FastICA Photoacoustic,which has advantages of high sensitivity and no consumption of detected gas.Constructed a detected platform for toxic gas on the basis of LED light source and off-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy system(OB-QEPAS),and using the method of FastICA to separate mixed gas for overlapping.Analysis results show that photoacoustic spectroscopy technique sensor not only measures toxic gases effectively but also meets measurement accuracy requirement.

OB-QEPAS;FastICA；infrared light source；multicomponent detection

2016-04-18

陳亮(1979—)，男，副教授，工學(xué)博士，研究方向:輻射測溫、光聲光譜測量及基于ARM的智能儀器。

1003-1251(2017)01-0097-05

O433.1

A