Моделирование шума и методы его фильтрации в диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии

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%.

1. G. Z. Gao, T. Zhang, G. Zhang, Opt. Express, 27, No. 13, 17887–17904 (2019).

2. G. Zhang, G. Z. Gao, T. Zhang, X. Liu, C. D. Peng, T. D. Cai, J. Quant. Spectrosc., 241, No. 34, 748 (2020).

3. J. Jiang, M. X. Zhao, G. M. Ma, IEEE Sens. J., 27, No. 99, 1 (2018).

4. Y. Krishna, S. O’Byrne, K. Munuswamy, Appl. Opt., 57, No. 17, 4943 (2018).

5. J. D. Li, P. P. Zhang, Y. J. Ding, Opt. Laser Eng., 78, No. 3-4, 503–511 (2020).

6. S. Pal, A. Das, S. Nandy, R. Kar, J. Ghosh, Rev. Sci. Instrum., 38, No. 21, 4699 (2019).

7. K. Ruxton, A. L. Chakraborty, W. Johnstone, Sensor Actuat. B, 150, No. 1, 367–375 (2010).

8. L. Li, N. Arsad, G. Stewart, Opt. Commun., 284, No. 1, 312–316 (2011).

9. J. Reid, E. L. Sherbiny, B. K. Garside, Appl. Opt. B, 19, No. 19, 3349–3353 (1980).

10. J. M. Poyet, Lutz Y. Light, Opt. Eng., 55, No. 7, 75–103 (2016).

11. L. Persson, F. Andersson, M. Andersson, Appl. Opt. B, 87, No. 3, 523–530 (2007).

12. S. Q. Wu, T. Kimishima, H. Kuze, Appl. Phys., 39, No. 7A, 4034–4040 (2000).

13. P. W. Werle, P. Mazzinghi, F. D`Amato, Spectrochim. Acta A, 60, No. 8-9, 1685–1705 (2004).

14. X. W. Zhou, H. F. Liu, Laser Part Beams., 20, No. 8, 1262–1264 (2008).

15. J. S. Li, B. L. Yu, H. Fischer. Appl. Spectrosc., 69, No. 4, 496–506 (2015).

16. D. B. Zou, W. L. Chen, Z. H. Du, Spectrosc. Spectr. Anal., 32, No. 9, 2322–2326 (2012).

17. Y. L. Huang, Y. G. Zhang, X. D. Wang, IEEE T. Instrum. Meas., 60(99), 1–14 (2017).

18. 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).

19. D. S. Zhang, J. Guo, Y. Jin, Opt. Eng., 56, No. 9, 1 (2017).