Bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取tdlas氣體吸收光譜吸光度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方法，更具體 地說，涉及一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取可調(diào)諧半導(dǎo)體激光氣體吸收光譜吸光度的方法， 屬于分析儀器算法的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷增加，燃煤電廠生產(chǎn)、冶金以及城市 垃圾焚燒過程中產(chǎn)生大量的有害氣體排入大氣，主要有CO,C02,NOx，502氣體以及粉塵等，造 成能源消耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重等眾多問題，國家對環(huán)境保護(hù)的重視程度也越來越高，因此提 高燃燒效率減少有害燃燒物的排放對大氣環(huán)境有很大影響。氣體物質(zhì)的在線實時檢測，不 僅可以有效監(jiān)測大氣污染成分，而且其準(zhǔn)確的測量結(jié)果可用于燃燒的診斷，優(yōu)化燃燒系統(tǒng)， 提高燃燒效率，以及對危險氣體的監(jiān)測預(yù)警。
[0003] 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（TunableDiodeLaserAbsorption Spectroscopy，TDLAS)是一種廣泛應(yīng)用的氣體分析技術(shù)。當(dāng)一束一定頻率的激光照射到均 勾氣體介質(zhì)時，氣體介質(zhì)與電磁波作用，氣體介質(zhì)內(nèi)部吸收電磁福射的能量而發(fā)生量子化 的能級躍迀，從低能級躍迀到高能級。不同氣體因為分子結(jié)構(gòu)不同所決定的其能級差也不 同，從而決定了可吸收的光的頻率也不同，通過測量被吸收的光的波長和強度，即可得到被 測介質(zhì)的特征吸收光譜，通過對吸收光譜進(jìn)行定性定量分析，可以得到被測介質(zhì)的成分、結(jié) 構(gòu)和濃度等特征信息。比爾-朗伯定律（Beer-LambertLaw)是吸收光譜學(xué)的基本定律，它 表征了一束頻率為v的單色激光穿越一段長為L、壓力為P、溫度為T和濃度為X的均勻被 測氣體介質(zhì)時，其透射光強度It(v)和入射光強度IJv)的關(guān)系：
[0004] Tv=It(v)/I〇(v) =exp[-PXS(T) 0 (v)L] =exp[-a(v)]
[0005] 式中L(V)和It (V)分別表示頻率為V的激光入射時的參考光強和經(jīng)過待測氣 體吸收后的透射光強，S(T)表示氣體吸收譜線的譜線強度，線型函數(shù)〇7表征該吸收譜線 的形狀，a(v)表示光譜吸光度（SpectralAbsorbance)。由Beer-Lambert關(guān)系可知，光強度 的衰減與被測氣體濃度、溫度、壓力等相關(guān)，因此，通過測量光強度衰減信息就可以分析獲 得被測氣體的相關(guān)參數(shù)。因此要獲得被測氣體的相關(guān)參數(shù)首先要獲得待測氣體的光譜吸光 度。目前常用的方法是選取透射光信號上幾段無氣體吸收時的激光強度進(jìn)行多項式擬合， 擬合出基線，該基線可認(rèn)為是無氣體吸收時的參考激光強度，如圖1所示，再利用上面的比 爾-朗伯定律，求出吸收光譜，對吸收光譜信號除以擬合的基線，再取對數(shù)得到吸收光譜吸 光度。這種方法在譜線吸收比較強以及各個譜線之間的干擾較小的情況下提取的吸收光譜 吸光度較好，但在譜線密集的情況下，有可能整個透射光信號上吸收譜線重疊都較嚴(yán)重，很 難找到無氣體吸收的部分。
[0006] 另一種提取吸收光譜吸光度的方法是硬件實現(xiàn)的平衡探測法，效果不錯，但對參 與平衡運算的有吸收透射光強和參考光強的關(guān)系有一定要求，大致為1:2左右。對工業(yè)應(yīng) 用環(huán)境，特別是不穩(wěn)定的燃燒流場中，不易滿足該條件。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS 氣體測量技術(shù)中氣體吸收光譜吸光度的方法，該方法具有更好的穩(wěn)健性和更寬的適用范 圍，并且具有實時計算的優(yōu)點。
[0008] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的 方法，包括以下步驟：
[0009] 1)所述TDLAS測量系統(tǒng)中激光器發(fā)出的激光經(jīng)過信號源產(chǎn)生的電流控制信號調(diào) 制后分束，其中一束激光穿過待測氣體，照射至一個光電探測器得到透射信號Vabp;另一束 激光直接照射至另一個光電探測器得到參考信號VMf;
[0010] 2)將所述透射信號Vabp和參考信號V歸一化處理，Vabp_nOTm表不歸一化后的透射 信號，V,ef _表示歸一化后的參考信號，然后輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取輸出氣 體的吸收光譜吸光度。
[0011] 進(jìn)一步地，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為FPGA實現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層線性化計算模 塊、Sigmoid傳遞函數(shù)實現(xiàn)模塊和輸出層線性化計算模塊；輸入層線性化計算模塊計算A1 =Xin*IW+IB，其中Xin為輸入信號矩陣，輸入信號矩陣即為所述步驟2)所述的經(jīng)過歸一化 處理后的每個采樣點的透射光信號和參考信號構(gòu)成的矩陣，即：
【主權(quán)項】
1. 一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 所述TDLAS測量系統(tǒng)中激光器發(fā)出的激光經(jīng)過信號源產(chǎn)生的電流控制信號調(diào)制后 分束，其中一束激光穿過待測氣體，照射至一個光電探測器得到透射信號V abp;另一束激光 直接照射至另一個光電探測器得到參考信號VMf; 2) 將所述透射信號Vabp和參考信號V 歸一化處理，V abp__表不歸一化后的透射信號， 表示歸一化后的參考信號，然后輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取輸出氣體的吸 收光譜吸光度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方法， 其特征在于，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為FPGA實現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層線性化計算模塊、 Sigmoid傳遞函數(shù)實現(xiàn)模塊和輸出層線性化計算模塊；輸入層線性化計算模塊計算Al = Xin*IW+IB，其中Xin為輸入信號矩陣，輸入信號矩陣即為所述步驟2)所述的經(jīng)過歸一化處 理后的每個采樣點的誘射光信號和參考信號構(gòu)成的矩陣，即：
W為輸入層權(quán)值矩陣，IB為輸入層閥值矩陣，Al為輸入層線性化計算模塊的輸出結(jié)果； Sigmoid傳遞函數(shù)模塊完成A2 = f (Al)計算，A2為Sigmoid傳遞函數(shù)模塊的輸出結(jié)果，其 中f (Al)的表達(dá)式為：
所述輸出層線性化計算模塊完成A3= A 2*LW+LB計算，其中LW為隱含層權(quán)值矩陣，LB 為隱含層閥值矩陣，A3即為最終的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方法，其 特征在于，所述的IW為輸入層權(quán)值矩陣，IB為輸入層閥值矩陣、LW為隱含層權(quán)值矩陣，LB 為隱含層閥值矩陣由以下方式模擬得到： 1) 使用MATLAB軟件建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為一個隱含層的經(jīng)典三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述 隱含層的傳遞函數(shù)為單極性Sigmoid傳遞函數(shù)，所述隱含層節(jié)點數(shù)為10 ; 2) 利用現(xiàn)有仿真計算的歸一化處理后的透射光信號和參考光信號作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出目標(biāo)值D為仿真計算的理論吸收光譜吸光度信號，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué) 習(xí)訓(xùn)練方法采用Levenberg-Marquardt訓(xùn)練算法；設(shè)定期望輸出均方值誤差E為2*1(Γ 13; 設(shè)定最大訓(xùn)練步數(shù)為10000 ; 3) 使用MATLAB軟件，按照步驟2)的參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后得到 輸入層權(quán)值矩陣IW，輸入層閥值矩陣ΙΒ，隱含層權(quán)值矩陣LW，隱含層閥值矩陣LB，且滿足如 下關(guān)系：
其中MSE表示均方值誤差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方 法，其特征在于，所述的歸一化處理為：
其中Vabp_n。?表示歸一化后的透射信號，VMf_n" m表示歸一化后的參考信號，V___和Vabp_ max分別表不透射信號的最小值和最大值，V raf_mil^P V raf_max分別表不參考信號的最小值和最 大值。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體吸收光譜吸光度的方法，其特征在于，包括以下步驟：1)所述TDLAS測量系統(tǒng)中激光器發(fā)出的激光經(jīng)過信號源產(chǎn)生的電流控制信號調(diào)制后分束，其中一束激光穿過待測氣體，照射至一個光電探測器得到透射信號Vabp；另一束激光直接照射至另一個光電探測器得到參考信號Vref；2)將所述透射信號Vabp和參考信號Vref歸一化處理，Vabp_norm表示歸一化后的透射信號，Vref_norm表示歸一化后的參考信號，然后輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取輸出氣體的吸收光譜吸光度。本發(fā)明的FPGA的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時提取TDLAS氣體測量技術(shù)中氣體吸收光譜吸光度的方法，該方法具有更好的穩(wěn)健性和更寬的適用范圍，并且具有實時計算的優(yōu)點。
【IPC分類】G01N21-39
【公開號】CN104535528
【申請?zhí)枴緾N201410699109
【發(fā)明人】盧榮軍, 杜倩倩
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月26日