本發(fā)明涉及氣體分析領(lǐng)域，具體涉及一種基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法。

背景技術(shù)：

在基于紫外差分算法（DOAS，Differential Optical Absorption Spectroscopy）的氣體分析儀中，光源是其重要的組成部分。當(dāng)前主要使用的紫外光源有氘燈光源和脈沖式氙燈光源。氘燈光源是連續(xù)式光源，其發(fā)出的紫外光比較穩(wěn)定。脈沖式氙燈光源，是閃爍式光源，其每次閃爍發(fā)光強(qiáng)度不同，光源重復(fù)性較差，不如氘燈光源穩(wěn)定。無(wú)論是氘燈光源還是氙燈光源，其光源重復(fù)性都不是很好，由于光源每次發(fā)出的光強(qiáng)度不同，光源穩(wěn)定性和線性較差，光譜數(shù)據(jù)跳動(dòng)大，對(duì)測(cè)量結(jié)果的跳動(dòng)影響較大，使得氣體濃度的計(jì)算結(jié)果跳動(dòng)增大，為了減小計(jì)算結(jié)果的跳動(dòng)，迫切的希望能解決光源穩(wěn)定性和線性差的問(wèn)題。

在基于紫外差分算法的氣體分析儀中，主要用于測(cè)量SO2和氮氧化物的氣體濃度。在DOAS算法中，計(jì)算氣體濃度時(shí)，需要使用到光源的光譜強(qiáng)度（沒(méi)有吸收氣體時(shí)的濃度）和吸收光譜強(qiáng)度（有吸收氣體時(shí)的光譜強(qiáng)度）做相關(guān)運(yùn)算。在當(dāng)前的DOAS算法中，對(duì)于光源強(qiáng)度的要求希望它是穩(wěn)定的、平滑的、線性的。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，由于光源自身的特性，光譜儀采集到的光源光譜強(qiáng)度每次是不一致的、非線性的，這種不一致、非線性不僅表現(xiàn)在整條光譜曲線的強(qiáng)度上，還表現(xiàn)在每條曲線中某些波長(zhǎng)點(diǎn)上，從而導(dǎo)致采集到的光譜數(shù)據(jù)中，某些光譜強(qiáng)度很高，某些光譜強(qiáng)度很低，并且在這些光譜曲線上伴隨著很多的雜波。

在實(shí)際的DOAS算法使用過(guò)程中，由于光譜數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，（如圖2所示，圖2為未經(jīng)過(guò)任何處理的20組原始光譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，單個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)跳動(dòng)大）都是由若干組光譜數(shù)據(jù)的平均值反演一組計(jì)算結(jié)果，但是只對(duì)光譜數(shù)據(jù)做平均處理，反演濃度值的波動(dòng)仍然較大。為了消除光源對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，需要在計(jì)算前對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行算法運(yùn)算，減小測(cè)量結(jié)果的跳動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法，其對(duì)減小光譜數(shù)據(jù)的波段有較好的效果，使光源的光譜數(shù)據(jù)盡量保持穩(wěn)定和線性。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法，包括如下步驟：一種基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法，包括如下步驟：

1）存儲(chǔ)n組原始的光譜數(shù)據(jù)。一般從光譜儀采集到的光譜數(shù)據(jù)都是2048個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)，此處的原始光譜數(shù)據(jù)是指從光譜儀讀取到的數(shù)據(jù)，對(duì)這些光譜數(shù)據(jù)沒(méi)做任何的算法處理。

2）分別對(duì)各組原始光譜進(jìn)行平滑濾波，存儲(chǔ)平滑濾波后的光譜數(shù)據(jù)；

3）剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)最強(qiáng)和光強(qiáng)最弱的兩組數(shù)據(jù)；該步驟是去掉整體光強(qiáng)中最強(qiáng)和最弱的一組數(shù)據(jù)。

4）去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)；該步驟是為了去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)，減小每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)跳動(dòng)。

5）對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)求平均值，該平均值作為此波長(zhǎng)點(diǎn)的最終光強(qiáng)值，得到一條濾波后的光譜數(shù)據(jù)。

步驟2）分別對(duì)各組原始光譜進(jìn)行2個(gè)窗口的平滑濾波。

步驟3）中剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)最強(qiáng)和光強(qiáng)最弱的兩組數(shù)據(jù)的具體方法如下：在每組光譜數(shù)據(jù)中選取位于非氣體吸收段的一段波段，對(duì)每組光譜數(shù)據(jù)中選取的該段波段內(nèi)的波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)求和，然后剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)數(shù)據(jù)和值最大的一組數(shù)據(jù)以及光強(qiáng)數(shù)據(jù)和值最小的一組數(shù)據(jù)。所述的位于非氣體吸收段的波長(zhǎng)段由250nm作為中心點(diǎn)，取250nm左右各n個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)組成，n為10～20。因?yàn)樵谀承┎ㄩL(zhǎng)點(diǎn)存在氣體的吸收，將所有的波長(zhǎng)點(diǎn)求和不能判斷出光強(qiáng)的強(qiáng)弱，會(huì)影響光強(qiáng)強(qiáng)度的判斷，要選取在非氣體吸收段判斷光強(qiáng)的強(qiáng)弱。250nm一個(gè)點(diǎn)也不能說(shuō)明光強(qiáng)的強(qiáng)弱，所以選取250nm左右各n個(gè)點(diǎn)，就是一小段波長(zhǎng)，在此波段內(nèi)沒(méi)有氣體的吸收或者吸收度非常小，不影響光強(qiáng)強(qiáng)弱的判斷，n一般選擇10到20之間，點(diǎn)數(shù)太少不能說(shuō)明整體光強(qiáng)的強(qiáng)度，會(huì)有誤判，點(diǎn)數(shù)太多會(huì)有某些點(diǎn)存在氣體吸收，同樣產(chǎn)生誤判。

步驟4）中去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)的具體方法為：對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)剩余的n-2組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)最大值和光強(qiáng)數(shù)據(jù)最小值。

將步驟5）濾波后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行DOAS運(yùn)算，求得氣體濃度值。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用軟件算法解決光源的穩(wěn)定性、線性不好的問(wèn)題，減小測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。本發(fā)明中的數(shù)據(jù)處理方法比直接對(duì)數(shù)據(jù)做平均算法效果要好很多。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法的方法流程圖；

圖2為未經(jīng)過(guò)任何處理的20組原始光譜數(shù)據(jù)

圖3為傳統(tǒng)平均值算法結(jié)果圖；

圖4為發(fā)明算法結(jié)果圖；

圖5為傳統(tǒng)與本發(fā)明兩種算法方差值對(duì)比圖；

圖5-1為圖5中波長(zhǎng)段200nm-250 nm部分的放大圖；

圖5-2為圖5中波長(zhǎng)段250nm-300 nm部分的放大圖；

圖5-3為圖5中波長(zhǎng)段300nm-350 nm部分的放大圖；

圖5-4為圖5中波長(zhǎng)段350nm-400 nm部分的放大圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1，一種基于DOAS的光譜數(shù)據(jù)處理方法，包括如下步驟：

1）存儲(chǔ)n組原始的光譜數(shù)據(jù)；一般從光譜儀采集到的光譜數(shù)據(jù)都是2048個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)，此處的原始光譜數(shù)據(jù)是指從光譜儀讀取到的數(shù)據(jù)，對(duì)這些光譜數(shù)據(jù)沒(méi)做任何的算法處理。

2）分別對(duì)各組原始光譜進(jìn)行平滑濾波，存儲(chǔ)平滑濾波后的光譜數(shù)據(jù)；

步驟2）分別對(duì)各組原始光譜進(jìn)行2個(gè)窗口的平滑濾波。

3）剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)最強(qiáng)和光強(qiáng)最弱的兩組數(shù)據(jù)；該步驟是去掉整體光強(qiáng)中最強(qiáng)和最弱的一組數(shù)據(jù)。步驟3）中剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)最強(qiáng)和光強(qiáng)最弱的兩組數(shù)據(jù)的具體方法如下：在每組光譜數(shù)據(jù)中選取位于非氣體吸收段的一段波段，對(duì)每組光譜數(shù)據(jù)中選取的該段波段內(nèi)的波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)求和，然后剔除掉n組光譜數(shù)據(jù)中光強(qiáng)數(shù)據(jù)和值最大的一組數(shù)據(jù)以及光強(qiáng)數(shù)據(jù)和值最小的一組數(shù)據(jù)。所述的位于非氣體吸收段的波長(zhǎng)段由250nm作為中心點(diǎn)，取250nm左右各n個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)組成，n為10～20。因?yàn)樵谀承┎ㄩL(zhǎng)點(diǎn)存在氣體的吸收，將所有的波長(zhǎng)點(diǎn)求和不能判斷出光強(qiáng)的強(qiáng)弱，會(huì)影響光強(qiáng)強(qiáng)度的判斷，要選取在非氣體吸收段判斷光強(qiáng)的強(qiáng)弱。250nm一個(gè)點(diǎn)也不能說(shuō)明光強(qiáng)的強(qiáng)弱，所以選取250nm左右各n個(gè)點(diǎn)，就是一小段波長(zhǎng)，在此波段內(nèi)沒(méi)有氣體的吸收或者吸收度非常小，不影響光強(qiáng)強(qiáng)弱的判斷，n一般選擇10到20之間，點(diǎn)數(shù)太少不能說(shuō)明整體光強(qiáng)的強(qiáng)度，會(huì)有誤判，點(diǎn)數(shù)太多會(huì)有某些點(diǎn)存在氣體吸收，同樣產(chǎn)生誤判。

4）去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)；該步驟是為了去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)，減小每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)跳動(dòng)。步驟4）中去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)中最強(qiáng)和最弱的光譜數(shù)據(jù)的具體方法為：對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)剩余的n-2組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)最大值和光強(qiáng)數(shù)據(jù)最小值。

5）對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)求平均值，該平均值作為此波長(zhǎng)點(diǎn)的最終光強(qiáng)值，得到一條濾波后的光譜數(shù)據(jù)。將步驟5）濾波后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行DOAS運(yùn)算，求得氣體濃度值。

本實(shí)施例采用10組光譜數(shù)據(jù)反演一組氣體濃度。其具體算法如下步驟所示：

1）存儲(chǔ)10組原始的光譜數(shù)據(jù)；

2）分別對(duì)各組原始光譜進(jìn)行2個(gè)窗口的平滑濾波，存儲(chǔ)濾波后的光譜數(shù)據(jù)；

3）剔除掉10組光譜中光強(qiáng)最強(qiáng)和光強(qiáng)最弱的兩組數(shù)據(jù)。方法如下：（31）在每組光譜數(shù)據(jù)中的250nm波段，左右各選取10個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)這21個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)數(shù)據(jù)求和。在此波段內(nèi)沒(méi)有氣體的吸收或者吸收度非常小，不影響光譜數(shù)據(jù)強(qiáng)度的判定。（32）剔除掉這10組數(shù)據(jù)中和值最大的一組數(shù)據(jù)以及和值最小的一組數(shù)據(jù)。

4）在剩余的8組數(shù)據(jù)中，在每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)處，對(duì)這8組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，得到若干波長(zhǎng)點(diǎn)序列，去掉每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)序列的最大值和最小值，對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)序列中剩余的數(shù)據(jù)求平均值，該平均值作為此波長(zhǎng)點(diǎn)的最終光強(qiáng)值，得到一條濾波后的光譜數(shù)據(jù)。

5）將濾波后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行DOAS運(yùn)算，求得氣體濃度值。

圖3為用每10組原始數(shù)據(jù)取平均，一共是20組平均值之后的光譜波形圖。圖4為用每10組原始數(shù)據(jù)，按照本發(fā)明中的算法處理的光譜波形圖，一共是20算法處理之后的光譜波形圖。由于圖3和圖4中的數(shù)據(jù)較多，從圖形中不能明顯的看出這兩種方法處理后的差異，分別對(duì)這兩種方法處理后的數(shù)據(jù)，對(duì)其每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的20組數(shù)據(jù)求方差值，根據(jù)方差的定義，方差越大，樣本數(shù)據(jù)的波動(dòng)越大；方差越小，樣本數(shù)據(jù)的波動(dòng)就越小。圖5中虛線為傳統(tǒng)平均值方法的方差值，實(shí)線是本發(fā)明中算法的方差值。圖5中可以看出，本發(fā)明中算法的方差值明顯比平均值算法的方差值小，使用本發(fā)明中的算法可以減小數(shù)據(jù)的波段，提高光譜強(qiáng)度的穩(wěn)定性。

本發(fā)明不僅僅局限于上述實(shí)施例，在不背離本發(fā)明技術(shù)方案原則精神的情況下進(jìn)行些許改動(dòng)的技術(shù)方案，應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。