zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1365Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESМоделирование шума и методы его фильтрации в диодно-лазерной абсорбционной спектроскопииResearch on a System Noise Simulation and Filtering Method in Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy TechnologyYanW.YanW.

Тяньцзинь

Tianjin

FangW.FangW.

Тяньцзинь

Tianjin

RuiZ.RuiZh.

Тяньцзинь

Tianjin

BoY.BoY.

Чжанцзякоу

Zhangjiakou

zhangrui@tust.edu.cnYangS.-Y.YangS.-Y.

Тяньцзинь

Tianjin

LiX.-B.LiX.-B.

Тяньцзинь

Tianjin

Школа компьютерной и информационной инженерии Тяньцзиньского университета ЧэнцзяньSchool of Computer and Information Engineering at Tianjin Chengjian UniversityКолледж электронной информации и автоматизации Тяньцзиньского университета науки и технологийCollege of Electronic Information and Automation at Tianjin University of Science & TechnologyКолледж электротехники при Хэбэйском архитектурном университетеCollege of Electrical Engineering at Hebei University of Architecture202325082023904654654Copyright © Yan W., Fang W., Rui Z., Bo Y., Yang S., Li X., 20232023Yan W., Fang W., Rui Z., Bo Y., Yang S., Li X.Yan W., Fang W., Rui Z., Bo Y., Yang S., Li X.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1365

Для решения проблемы многократных шумовых помех в технологии перестраиваемой диоднолазерной спектроскопии поглощения (TDLAS) при обнаружении концентрации газа использованы принципы Калмана, скользящее среднее, вейвлет-преобразование и разложение по сингулярным числам. Проанализированы четыре алгоритма фильтрации и система шумоподавления. С помощью программы MATLAB смоделированы зависимости теплового шума, дробового шума, шума относительной интенсивности лазеров и характеристического значения гармонических сигналов. Для обработки шума использованы четыре алгоритма фильтрации, среди которых выбран наилучший. Для проверки работоспособности предложенных алгоритмов шумоподавления разработана экспериментальная система TDLAS с газообразным этиленом в качестве объекта детектирования. Показано, что из четырех алгоритмов фильтрации метод сингулярного разложения дает наилучший эффект при удалении теплового, дробового и лазерного шумов. После выполнения фильтрации точность непрерывного обнаружения системы повышается, может быть достигнуто снижение или даже устранение системного шума. После обработки отношение сигнал/шум обнаруженного сигнала системы улучшается на 57 дБ, коэффициент шумоподавления системы достигает 66.7%.

To solve the problem of multiple noise interference when tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technology is used for gas concentration detection, the principles of Kalman, moving average, wavelet transform, and singular value decomposition four filtering algorithm principles and system noise sources are analyzed. MATLAB simulation software is used to simulate the relationship curve of thermal noise, shot noise, relative intensity noise of lasers, and the characteristic value of harmonic signals. Four filtering algorithms are used to process the noise, and the best filtering algorithm is selected. Moreover, a TDLAS experimental system with ethylene gas as the detection object is designed in this paper. The experimental results show that the singular value decomposition method among the four filtering algorithms has the best effect in removing thermal noise, shot noise and laser noise. After filtering is performed, the accuracy of the continuous detection of the system is improved, and the purpose of reducing or even eliminating system noise can be achieved. After processing occurs, the signal-to-noise ratio of the detected signal of the system is improved by 57 dB, and the noise removal rate of the system reaches 66.7%.

спектр поглощения перестраиваемого диодного лазераалгоритм фильтрацииимитация шумаэтиленtunable diode laser absorption spectrumfiltering algorithmnoise simulationethyleneThis research was financially supported by the Tianjin Municipal Education Commission (2017KJ057).This research was financially supported by the Tianjin Municipal Education Commission (2017KJ057).ReferencesG. Z. Gao, T. Zhang, G. Zhang, Opt. Express, 27, No. 13, 17887–17904 (2019).G. Z. Gao, T. Zhang, G. Zhang, Opt. Express, 27, No. 13, 17887–17904 (2019).G. Zhang, G. Z. Gao, T. Zhang, X. Liu, C. D. Peng, T. D. Cai, J. Quant. Spectrosc., 241, No. 34, 748 (2020).G. Zhang, G. Z. Gao, T. Zhang, X. Liu, C. D. Peng, T. D. Cai, J. Quant. Spectrosc., 241, No. 34, 748 (2020).J. Jiang, M. X. Zhao, G. M. Ma, IEEE Sens. J., 27, No. 99, 1 (2018).J. Jiang, M. X. Zhao, G. M. Ma, IEEE Sens. J., 27, No. 99, 1 (2018).Y. Krishna, S. O’Byrne, K. Munuswamy, Appl. Opt., 57, No. 17, 4943 (2018).Y. Krishna, S. O’Byrne, K. Munuswamy, Appl. Opt., 57, No. 17, 4943 (2018).J. D. Li, P. P. Zhang, Y. J. Ding, Opt. Laser Eng., 78, No. 3-4, 503–511 (2020).J. D. Li, P. P. Zhang, Y. J. Ding, Opt. Laser Eng., 78, No. 3-4, 503–511 (2020).S. Pal, A. Das, S. Nandy, R. Kar, J. Ghosh, Rev. Sci. Instrum., 38, No. 21, 4699 (2019).S. Pal, A. Das, S. Nandy, R. Kar, J. Ghosh, Rev. Sci. Instrum., 38, No. 21, 4699 (2019).K. Ruxton, A. L. Chakraborty, W. Johnstone, Sensor Actuat. B, 150, No. 1, 367–375 (2010).K. Ruxton, A. L. Chakraborty, W. Johnstone, Sensor Actuat. B, 150, No. 1, 367–375 (2010).L. Li, N. Arsad, G. Stewart, Opt. Commun., 284, No. 1, 312–316 (2011).L. Li, N. Arsad, G. Stewart, Opt. Commun., 284, No. 1, 312–316 (2011).J. Reid, E. L. Sherbiny, B. K. Garside, Appl. Opt. B, 19, No. 19, 3349–3353 (1980).J. Reid, E. L. Sherbiny, B. K. Garside, Appl. Opt. B, 19, No. 19, 3349–3353 (1980).J. M. Poyet, Lutz Y. Light, Opt. Eng., 55, No. 7, 75–103 (2016).J. M. Poyet, Lutz Y. Light, Opt. Eng., 55, No. 7, 75–103 (2016).L. Persson, F. Andersson, M. Andersson, Appl. Opt. B, 87, No. 3, 523–530 (2007).L. Persson, F. Andersson, M. Andersson, Appl. Opt. B, 87, No. 3, 523–530 (2007).S. Q. Wu, T. Kimishima, H. Kuze, Appl. Phys., 39, No. 7A, 4034–4040 (2000).S. Q. Wu, T. Kimishima, H. Kuze, Appl. Phys., 39, No. 7A, 4034–4040 (2000).P. W. Werle, P. Mazzinghi, F. D`Amato, Spectrochim. Acta A, 60, No. 8-9, 1685–1705 (2004).P. W. Werle, P. Mazzinghi, F. D`Amato, Spectrochim. Acta A, 60, No. 8-9, 1685–1705 (2004).X. W. Zhou, H. F. Liu, Laser Part Beams., 20, No. 8, 1262–1264 (2008).X. W. Zhou, H. F. Liu, Laser Part Beams., 20, No. 8, 1262–1264 (2008).J. S. Li, B. L. Yu, H. Fischer. Appl. Spectrosc., 69, No. 4, 496–506 (2015).J. S. Li, B. L. Yu, H. Fischer. Appl. Spectrosc., 69, No. 4, 496–506 (2015).D. B. Zou, W. L. Chen, Z. H. Du, Spectrosc. Spectr. Anal., 32, No. 9, 2322–2326 (2012).D. B. Zou, W. L. Chen, Z. H. Du, Spectrosc. Spectr. Anal., 32, No. 9, 2322–2326 (2012).Y. L. Huang, Y. G. Zhang, X. D. Wang, IEEE T. Instrum. Meas., 60(99), 1–14 (2017).Y. L. Huang, Y. G. Zhang, X. D. Wang, IEEE T. Instrum. Meas., 60(99), 1–14 (2017).C. L. Li, Guo, X. Q. Guo, W. H. Ji, J. L. Wei, X. B. Qiu, W. G. Ma, Opt. Quant. Electron., 50, No. 7, 1539 (2018).C. L. Li, Guo, X. Q. Guo, W. H. Ji, J. L. Wei, X. B. Qiu, W. G. Ma, Opt. Quant. Electron., 50, No. 7, 1539 (2018).D. S. Zhang, J. Guo, Y. Jin, Opt. Eng., 56, No. 9, 1 (2017).D. S. Zhang, J. Guo, Y. Jin, Opt. Eng., 56, No. 9, 1 (2017).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.