数字信号处理技术在气体检测中的应用

林桂玲

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

当今经济和科学技术的不断发展，工业化的步伐逐渐加快，随之而来的就是越来越严重的空气污染。随着空气污染问题愈演愈烈，空气污染对环境和人们身体健康的危害也越来越受到人们的重视，因而气体检测技术在当今社会之中也就受到了广泛的关注。对于气体检测而言，数字信号处理技术是一项关键性的技术。通过这一技术之中的频谱分析，可以对数字滤波器进行设计，从而消除谐波之中的二次干扰噪声，进而消除气体检测之中的噪声，提升检测结果的准确性，让气体检测之中所获得的结果数据更加接近真实值。这样将更加有利于检测人员对空气之中主要污染气体进行分析，进而给环境治理提供更多的便利条件。

1 应用原理

在相关的检测之中发现，固定波长的甲烷吸收线特别长，在其0.5nm 左右的区域之内不会有其他比较强的气体吸收线。据此，可以利用这一原理来调整二极管之中的激光发射波长，让此波长达到甲烷吸收线的范围之内，然后将有待测量的甲烷吸收频率中心λ0的位置，调谐发射的激光，通过这样的方式，获取到的调谐范围可以达到几纳米[1]。当频率处在一定范围的时候，正弦波调制电流就会在直流电流之上进行叠加，这个叠加的电流会加载到二极管，进而对其起到驱动的作用，在这样的情况下，就可以得到一个瞬间激光输出频率，其公式：

式中：λα为调制振幅；w 为调制频率。

在这个二极管中，DSP 给电源提供出一个驱动的电路，并让波长已经被调制好的激光二极管通过，故检测的气体样品池时，可以通过Beer Lambert 定理来计算光在入射前后的强度，其公式：

式中：I0为有待输入的光的强度；I 为入射之后的光的强度；R 为有待检测的气体在样品池反射面里面所呈现出来的反射率；n 为反射次数；α（λ）为在λ 频率位置的分子吸收截面；C 为分子浓度；L 为总的反射光程[2]。

傅里叶系数幅值可以通过式（4）来进行计算。

由此可以按式（5）对二次谐波的幅值进行计算。

通过式（5）我们可以看出，幅值与气体浓度N 之间有着正比关系。

在气体检测中，数字信号处理技术主要是借助TDLAS 气体测量技术来实现。通过气体分子吸收线参数，可以将气体分子所特有的性质显示出来，气体分子不同，其吸收线也就会有所不同。气体对于其自身吸收线的波长、位置以及激光等，都会产生明显的吸收效果[3]。因此在气体检测的过程中，就是应用这个原理，将一种气体调节到待测气体的吸收线位置，根据这一气体的吸收线特征来进行检测。但是在检测的过程中，如果不能有效获得第二次谐波曲线，检测的结果就会受到影响，进而出现很大的误差，自然也就无法获得准确的检测结果。此时，就可以应用数字信号来消除噪声，进而获得准确的检测结果。简单来讲，将数字信号应用到气体的检测之中，可以借助于放大器将其中的噪声放大，提升信噪比，然后利用数字滤波装置，把噪声的影响降低，进而获得准确的检测结果。

2 气体检测之中的技术应用

随着当今时代经济的不断发展，工业生产的规模逐渐扩大，废气的排放量也呈现逐年上升的趋势，同时由于工业生产管理意识不足，安全意识有待提升，安全技术和防护措施不够完善，加之自然灾害等的因素影响，使得有毒、有害气体泄露的风险始终存在，严重者甚至会引发一系列的安全事故。然而，因为工业气体检测技术的局限性，有毒、有害气体的泄露概率始终难以得到有效降低。基于这样的情况，人们应该不断引进新的技术，进而对所有的有害气体做到实时有效的监控，并针对这些气体制定出相应的预警系统，一旦出现泄漏事故，系统就会立刻发出报警，这样才能有效降低有毒有害气体泄露的概率，防止有毒有害气体泄露所引发的安全事故，有效降低空气污染的程度。

在当今的工业有毒有害气体检测过程中，所应用的检测方法主要有物理和化学性质方面的检测，电化学传感器是主要的检测仪器。例如，在半导体可调谐的气体光谱传感器里面，所应用的关键技术就是光纤耦合，并通过这一技术对管道之中的气体参数进行顺利检测。TDLAS 这一技术不仅可以实现动态化的检测，同时也十分灵敏，在对气体污染原因和污染物的组成进行检测与分析的过程中，此技术十分适用。而在该技术里面，就应用到了滤波技术。通常情况下，将滤波技术和数字信号处理技术相结合，可以在气体检测中发挥关键性的作用。

3 数字信号处理技术在气体检测之中的具体应用

3.1 数字谐波算法分析

在应用数字信号处理技术进行气体检测的过程中，一般都会应用DSP 芯片来起到滤波作用。主要过程为：（1）从信号的配制与存储单元之中来实现相关信息的采集工作，并借助于滤波系数来达到过滤采样值的效果。在对滤波系数进行设置的过程中，可以将很短时间里的一个采样信号作为一个有限的序列，并对该序列进行滤波，最后把这个信号从中提取出来。（2）通过PPT 来实现滤波信号有效的转换，再让该信号在频域信号的作用下实现反向的转换，进而得出一个信号。（3）按照相应的时域进行数据的卷积计算。在计算过程中，试验程序之中主要是对寻址法加以应用，并通过这种方法实现卷积乘法叠加，所以在存储器里面应该预先设立一个缓冲数据，并合理设置数据的长度，通过不同指针来实现对样品数据的收集。另外，在录入的过程中，应该注意从低地址到高地址进行录入，以实现数据的科学处理。（4）滤波。在气体检测数据的处理过程中，滤波是最为关键的一个环节，滤波对于数据的处理有着关键性的作用。在具体对滤波参数进行设定的过程中，技术人员应该将具体的信号参数作为参考依据，不能盲目设定，这样才可以保障滤波参数设定的科学性。同时，在对检测气体之中的谐波进行二次测量的过程中，因为等待处理的信号未知，所以若要实现有效的处理，就需要对其频率以及幅值等进行全面掌握，以保障数据的准确性。

3.2 分析仿真试验的效果

在对其进行仿真实验的过程中，应该采用相应的软件对其进行环境的仿真模拟，通过这样的方式，让数字信号处理滤波器之中的数据得到进一步的分析和处理。同时，应该将其与二次谐波信号的原理进行有效结合，并借助软件方面的优势建立起一个仿真模型。在对待测的信号以及谐波信号进行模拟的过程中，应该保障其频率相同、幅值以及正弦信号不同，利用乘法器对调谐信号以及正弦信号加以有效处理，在信号处理完成之后，将其连接到示波器之中。通过这样的方式，就可以显示出谐波信号。如果这个被测试的信号与设定的参考信号之间有着一样的频率，连接好信号与示波器之后，会获得一个相应的直流信号，这就是本次试验过程之中所得到的二次谐波信号。如果外界的一些因素对该直流信号产生了一定程度的影响作用，在待测信号之中，就会有大量的噪声出现，获取到的信号也就会变得很不清晰。所以，在进行检测的过程中，可以用低速的滤波器对信号作初步处理。但是如果仅仅通过这样的方式来处理，滤波器的性能指标就不够稳定。为了保障滤波器获取到最大限度的指标，可以对信号的频谱进行预先分析，以准确获取待测信号之中相关信息参数，此时再对获取到的信号进行处理，就可以更加简单、便捷地实现对滤波器参数的获取。

在经过试验分析之后可以发现，有待检测的信号之中，有用的信号会体现在低频区域之中，其中的噪声可以充分体现出高频信号的特征，基于此，在处理相应信号的时候，我们可以对低通滤波器进行设定，从而有效提升检测的准确性。

4 结束语

综上所述，在当今的工业生产不断发展之中，各种污染气体的排放以及有毒、有害气体的泄露所导致的空气与环境问题也越来越明显。这些气体存在于空气之中，不仅会对空气质量和环境造成严重的污染，同时也会严重危害到人们的身体健康。基于此，气体的检测效果越来越受到人们的重视。为进一步提升气体的检测效果，让有毒有害气体得到及时检测与治理，运用先进的气体检测技术十分重要。先进的检测技术可以提供更加科学有效的数据支撑，为空气之中有毒、有害气体和污染气体的检测与治理提供便利条件。在进行气体的检测过程中，因为很多的外部因素都会对检测信号造成影响，让信号之中产生很多的噪声，所以可以将数字信号处理技术应用到检测之中，进而有效地将检测信号之中的噪声分离出来，保障检测结果的准确性。由此可见，将数字信号处理技术应用到气体的检测工作之中，可以进一步提升气体检测的效率和检测的准确性，保障检测质量，这对当今气体污染和有毒、有害气体的检测与治理都将起到极大的帮助作用。