[發(fā)明專利]一種基于自適應隨機共振的低濃度氣體檢測方法

有效

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• 申請日: 2013-11-28
• 公開（公告）號: CN103698371A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設計）人: 童基均;亢艷芹;林勤光;張光磊;張華熊
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發(fā)明涉及一種微弱信號檢測的方法，尤其涉及一種基于自適應隨機共振的低濃度氣體檢測方法。

背景技術

隨著對低濃度氣體檢測研究的不斷深入，呈現(xiàn)出越來越多的檢測方法。超聲波技術、光干涉原理、紅外吸收光譜原理、環(huán)形光路的Sagnac效應及腔衰蕩測量等技術都可以應用到低濃度的測量。但是由于靈敏度不夠，這些測量技術只能在實驗室的條件下進行，而且費時、費力、成本高，難以普及。

隨機共振理論為強噪聲背景下微弱信號檢測提供了新思路。隨機共振現(xiàn)象在一些領域，比如信號處理、神經信息學、機械誤差檢測、環(huán)境保護等一直備受關注，在信號處理方面的研究，特別將隨機共振應用于弱信號的放大識別、傳輸還原等有其獨特的優(yōu)勢。這種現(xiàn)象通常在一定程度上可以描述為提高輸出信號的信噪比，是弱信號特征提取的重要組成部分。

隨機共振包括三個基本組成要素：微弱的輸入信號、噪聲、用于信號處理的非線性系統(tǒng)，當這三者之間存在某種匹配時，適當強度的噪聲通過非線性系統(tǒng)對信號起到積極的增強作用，將噪聲的能量轉化為信號的能量，提高系統(tǒng)的輸出信噪比，從而識別出共振狀態(tài)中的有效特征信息。在具體的實際應用中，存在一個突出的問題就是輸入信號、噪聲和非線性系統(tǒng)三者的匹配關系很難確定一個調整方向以盡快達到隨機共振狀態(tài)，并且對于工程實際采集的信號，高斯白噪聲的統(tǒng)計特性總是未知的，一般也不對其使用添加噪聲的處理方法，因此只有通過調節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)產生隨機共振效應，從而實現(xiàn)微弱信號的檢測。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有低濃度氣體檢測技術的不足和利用信噪比作為隨機共振效應的評價指標的局限性，提供一種用加權信噪比作評價指標的自適應隨機共振低濃度氣體檢測方法。

一種基于自適應隨機共振的低濃度氣體檢測方法，包括以下步驟：

1）將連接有電源的氣敏傳感器放置在低濃度氣體所處的環(huán)境中，測量氣敏傳感器的電阻值，得到相應的電阻信號；

2）對所述的電阻信號進行正弦調制，將電阻信號變換為小參數(shù)周期信號；

3）將小參數(shù)周期信號與外加的高斯白噪聲一起輸入非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)中，進行隨機共振處理，并利用自適應算法調節(jié)所述非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)a和b，使得非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出的信號具有最大的加權信噪比；將非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)輸出信號的加權信噪比最大值對應的a和b作為系統(tǒng)參數(shù)，對輸入信號進行隨機共振處理。

4）利用步驟3）中信號所具有的最大加權信噪比，計算得到所述低濃度氣體的濃度。

其中，所述的氣敏傳感器為導電聚合物傳感器；在步驟1）中，利用電化學工作站測量氣敏傳感器的電阻值。

利用方程y(t)=(x(t)-x_min)/(x_max-x_min)對所測的電阻值進行歸一化處理，其中x(t)為測量得到的電阻值，x_min為最小電阻值，x_max為最大電阻值；歸一化處理后，得到的值在[0,1]區(qū)間內。

在步驟2）中，以正弦信號作為載波信號，對歸一化處理后的電阻信號進行正弦調制，使電阻信號變換為小參數(shù)周期信號。

在步驟3）中，所述高斯白噪聲的方差為1，均值為零，噪聲強度D=1.2。

在步驟3）中，自適應算法分為以下步驟：

（1）、確定系統(tǒng)參數(shù)a、b的搜索范圍和搜索步長；

（2）、系統(tǒng)參數(shù)a、b根據搜索步長進行賦值，并計算每組系統(tǒng)參數(shù)a、b對應的輸出信號的加權信噪比；

（3）、遍歷搜索范圍，保存加權信噪比的最大值以及對應的系統(tǒng)參數(shù)a和b。

作為優(yōu)選的，系統(tǒng)參數(shù)a的搜索范圍為[1,5]，系統(tǒng)參數(shù)b的搜索范圍為[1,9]，搜索步長均為0.1。

在步驟4）中，氣體的濃度和其對應的加權信噪比的最大值之間存在著一一對應的關系，根據得到的最大的加權信噪比，可通過下式方程計算出氣體的濃度。

低濃度氣體的濃度計算公式如下：

f(x)=102.923x-34.89

式中，f(x)為氣體的濃度，x為加權信噪比的最大值。

本發(fā)明用加權信噪比表征的自適應算法搜索雙穩(wěn)系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，克服了實際工程信號用信噪比和相關系數(shù)作為評價指標的不足，和隨機共振在工程應用上系統(tǒng)參數(shù)難以選擇或選擇不準確的限制，有效的檢測出微弱信號，并應用于低濃度氣體的檢測，通過比較加權信噪比的最大值來區(qū)分不同濃度的確定性混合氣體，操作簡單，靈敏度高。

附圖說明