本發(fā)明屬于氣體濃度檢測領(lǐng)域，涉及差分光學吸收光譜，尤其是一種基于EMD的二氧化硫紫外差分吸收光譜降噪重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

隨著我國火電廠等工業(yè)中的脫硫建設(shè)大力進行，“十二五”期間我國SO2的排放總量降低了6％。在“十三五”期間我國SO₂的排放總量繼續(xù)鞏固SO₂減排的態(tài)勢，計劃實現(xiàn)10％～15％的減排目標，實現(xiàn)火電廠等工業(yè)中SO₂的超低排放。這對基于紫外差分吸收光譜技術(shù)的SO₂濃度的檢測提出了檢測精度進一步提高和檢測下限進一步降低的要求，其本質(zhì)是需要更高信噪比的低濃度SO₂紫外差分吸收光譜處理方法。

二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NOx)是大氣污染的主要成分,其中固定污染源的燃燒排放是主要來源之一。煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System，簡稱為CEMS)是環(huán)保監(jiān)測的重要系統(tǒng)，其對污染源排放的煙氣進行連續(xù)、實時地監(jiān)測，其功能包含實時測量各個污染源排放煙氣中的SO₂，NOx的排放量。差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)以原理和結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點，被作為煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)采用的重要方法得到廣泛應(yīng)用。目前，這種應(yīng)用主要在280～320nm的紫外波長段對SO₂的紫外差分吸收光譜信號進行特征提取，并通過一定的反演算法完成實時SO₂濃度的反演計算，但在數(shù)據(jù)采集后因缺乏較為統(tǒng)一的標準化處理，以及缺少相應(yīng)的差分后重構(gòu)計算，在精度上還存在一定欠缺。

經(jīng)檢索，發(fā)現(xiàn)兩篇與本專利內(nèi)容相關(guān)的文獻，其中，《量子電學學報》2001年第S1期提供了一篇《差分光學吸收光譜(DOAS)技術(shù)在煙氣監(jiān)測中的應(yīng)用研究》，該文將差分光學吸收光譜(Differential Optical Absorption Spectroscoy；DOAS)技術(shù)中的濃度反演方法運用到煙氣中NO、NO₂、NH₃和SO₂的監(jiān)測.利用它們在200～250nm附近具有不同強度吸收的特性，測量煙氣的吸收光譜，用DOAS方法反演出NO、NO₂、NH3和SO₂分子的濃度，這種方法消除了煙氣中煙塵、水汽和其它成分的影響，使在線實時測量成為可能，在實驗室內(nèi)對不同氣體分子濃度樣氣進行了測量和濃度反演，經(jīng)過現(xiàn)場對比測量證明這種方法是正確的.

2006年陳曉虎的一篇碩士論文提供了一篇《燃燒排放煙氣監(jiān)測的差分吸收光譜技術(shù)理論分析與實驗研究》，該文是針對目前對燃燒排放煙氣濃度測量方法多為離線分析，且測量的穩(wěn)定性、準確性較差的現(xiàn)狀，提出采用差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)測量煙氣濃度的方法，實現(xiàn)煙氣濃度的在線測量。首先從吸收截面的測量入手，對煙氣中主要的污染氣體SO₂、NO、NO₂、NH₃的吸收特性進行詳細研究，發(fā)現(xiàn)這些氣體在局部區(qū)域具有準周期吸收特征，這為引入新的測量方法提供了契機；其次，對決定DOAS測量精度的被測氣體吸收截面的諸多問題進行了深入研究，重點研究了壓力、溫度對被測氣體吸收截面的影響，并針對被測氣體的特征提出了相應(yīng)的修正措施；再次，在實際測量中，要求所使用的光譜儀必須與以吸收截面為基礎(chǔ)的參考光譜相匹配，為了滿足匹配這一條件，文中將圖像復(fù)原技術(shù)引入到光譜復(fù)原，使用維納濾波和小波消噪實現(xiàn)了光譜的復(fù)原，將復(fù)原后的光譜與所使用光譜儀的儀器函數(shù)卷積，即可實現(xiàn)；最后，在對DOAS測量原理詳細分析的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的最小二乘—差分吸收光譜法進行了詳細的闡述。

經(jīng)對比，本案的技術(shù)方案較上述兩篇文獻，其特點是在數(shù)據(jù)采集標準化處理以及針對實際測量數(shù)據(jù)的后期重構(gòu)方面。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種針對SO₂紫外差分吸收光譜進行數(shù)據(jù)匹配濾波處理，自適應(yīng)地完成實測差分吸收光譜特征的基于EMD的二氧化硫紫外差分吸收光譜降噪重構(gòu)方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于EMD的二氧化硫紫外差分吸收光譜降噪重構(gòu)方法，其步驟為：

⑴分別對二氧化硫紫外波段的標準吸收截面和實時采集光譜進行處理，提取差分吸收截面S_Tdacs和差分吸收光譜S_Ada；

⑵對S_Tdacs和S_Ada進行標準化，獲得S’_Tdacs和S’_Ada；

⑶對S’_Tdacs和S_Ada進行7維EMD分解，獲得對應(yīng)的本征模函數(shù)，對應(yīng)差分吸收截面的7個本征模函數(shù)IMF記為IMF(j)_dacs,對應(yīng)差分吸收光譜的7個本征模函數(shù)IMF記為IMF(j)_da，其中j＝1，2，3……7；

⑷利用式1計算每個對應(yīng)的IMF(j)_dacs和IMF(j)_da的相關(guān)系數(shù)R(j)，為R(j)設(shè)定一個合適的T_R，篩選R(j)>T_R的IMF(j)_da，

⑸計算S’_Tdacs和S’_Ada的相關(guān)系數(shù)，記為Ra；

⑹利用篩選到的IMF(j)_da和Ra進行差分吸收光譜重構(gòu)，獲得最終輸出的S_Rda，重構(gòu)計算

如式2

S_Rda＝Ra·Σ_jIMF(j)_da (ifR(j)＞T_R) 式2。

而且，所述標準吸收截面是利用SO₂在295～305nm波長段內(nèi)的差分吸收截面。

而且，所述實時采集光譜是利用SO₂在295～305nm波長段內(nèi)的差分吸收光譜，然后通過計算機對光譜儀采集到的吸收光譜進行預(yù)處理后，得到SO₂的紫外差分吸收光譜。

本發(fā)明的積極效果和優(yōu)點是：

本發(fā)明對實際采集光譜進行了重構(gòu)，而為此本發(fā)明還進行了有針對性的標準化處理，結(jié)合EMD分解，經(jīng)過本發(fā)明方法的處理后，重構(gòu)的紫外差分吸收光譜的信噪比有明顯提升，在低濃度區(qū)間不同濃度SO2的差分吸收光譜特征區(qū)分度得以增強，是測量精度能進一步提升。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的SO₂紫外差分吸收光譜特征提取方法流程圖；

圖2是本發(fā)明中實時采集光譜的九個不同濃度的SO₂紫外差分吸收光譜圖；

圖3a是本發(fā)明中的標準差分吸收界面的EMD分解圖；

圖3b是濃度為0.00mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3c是濃度為57.43mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3d是濃度為85.14mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3e是濃度為113.71mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3f是濃度為127.43mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3g是濃度為171.71mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3h是濃度為286.29mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3i是濃度為434.57mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖3j是濃度為573.43mg/m³的SO₂差分吸收光譜的EMD分解圖；

圖4是本發(fā)明重構(gòu)后的SO₂紫外差分吸收光譜圖。

具體實施方式

下面通過附圖結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

一種基于EMD的二氧化硫紫外差分吸收光譜降噪重構(gòu)方法，見圖1，其步驟為：

⑴分別對標準吸收截面和實時采集光譜進行處理，提取差分吸收截面S_Tdacs和差分吸收光譜S_Ada，標準吸收截面與實時采集光譜君是利用SO₂在295～305nm波長段內(nèi)分別采集的差分吸收截面和差分吸收光譜，通過計算機對光譜儀采集到的吸收光譜進行預(yù)處理后，得到的九個不同濃度的SO₂紫外差分吸收光譜，光譜圖見圖2；

⑵對S_Tdacs和S_Ada進行標準化，獲得S’_Tdacs和S’_Ada；

⑶對S’_Tdacs和S_Ada進行7維EMD分解，獲得對應(yīng)的IMFs，對應(yīng)差分吸收截面的7個IMF記為IMF(j)_dacs,對應(yīng)差分吸收光譜的7個IMF記為IMF(j)_da，其中j＝1，2，3……7，其中，差分吸收截面的EMD分解圖和九個不同濃度的SO₂紫外差分吸收光譜的EMD分解圖見圖3a～圖3j；

⑷利用式1計算每個對應(yīng)的IMF(j)_dacs和IMF(j)_da的相關(guān)系數(shù)R(j)，為R(j)設(shè)定一個合適的T_R，篩選R(j)>T_R的IMF(j)_da，

⑸計算S’_Tdacs和S’_Ada的相關(guān)系數(shù)，記為Ra；

⑹利用篩選到的IMF(j)_da和Ra進行差分吸收光譜重構(gòu)，獲得最終輸出的S_Rda，重構(gòu)計算

如式2

S_Rda＝Ra·Σ_jIMF(j)_da (ifR(j)＞T_R) 式2。

利用標準差來對比評估重構(gòu)前的原始紫外差分吸收光譜信號和利用發(fā)明方法獲得的重構(gòu)紫外差分吸收光譜信號的特征效果。以此驗證發(fā)明方法對低濃度紫外差分吸收光譜信號信噪比的提高作用，其結(jié)果如下表1所示。

表1原始與重構(gòu)紫外差分吸收光譜特征的標準差對比表

如圖4和表1所示，可以看出，經(jīng)過本發(fā)明方法的處理后，重構(gòu)的紫外差分吸收光譜的信噪比有明顯提升，在低濃度區(qū)間不同濃度SO₂的差分吸收光譜特征區(qū)分度得以增強。特別是0.00mg/m³對應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)，利用發(fā)明方法重構(gòu)的紫外差分光譜的標準差是原始光譜信號標準差的0.5％。

盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內(nèi)容。