光聲光譜技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)下有害氣體探測(cè)

栗慧峰，馮 鋒

(1. 呼倫貝爾學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2. 寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

1 引言

工業(yè)規(guī)模的提升使得各類易揮發(fā)的化學(xué)污染物的產(chǎn)生量日益增加，對(duì)人類的生命安全和自然環(huán)境都造成嚴(yán)重影響[1，2]。為了得到較好的工作與生活環(huán)境，同時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的身體健康，設(shè)計(jì)一種能夠高效精準(zhǔn)地有害氣體探測(cè)方法意義重大[3，4]。

文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了基于氣體傳感器和隨機(jī)森林的毒害氣體檢測(cè)方法，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M檢測(cè)三種毒害氣體泄漏情況并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在非線性隨機(jī)共振模型中解析數(shù)據(jù)，并獲取其特征值，然后采用隨機(jī)森林模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)特征值的類型。文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)了基于ZigBee通信和ARM控制器的有害氣體檢測(cè)方法。在ZigBee通信模塊中，利用多種傳感器采集相關(guān)信號(hào)，并將結(jié)果發(fā)送給微處理器。然后在ARM控制器中接收氣體監(jiān)測(cè)信息，并采用LABview虛擬儀器設(shè)計(jì)傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體濃度的精確檢測(cè)。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述傳統(tǒng)方法傳感器內(nèi)的模型架構(gòu)較為稀疏，導(dǎo)致其很難適應(yīng)多傳感器系統(tǒng)，同時(shí)還存在精準(zhǔn)度效率低的問題。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種光聲光譜技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)下有害氣體探測(cè)方法。該方法利用傳感器網(wǎng)絡(luò)和光聲光譜探測(cè)技術(shù)提取有害氣體特征，通過特征映射將探測(cè)問題轉(zhuǎn)換成幾率運(yùn)算問題。同時(shí)，使用主成分分析法降低特征空間的維度，有效提高了探測(cè)效率。

2 光聲光譜技術(shù)的有害氣體探測(cè)過程設(shè)計(jì)

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

本研究應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該結(jié)構(gòu)中，設(shè)置有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，利用下文提到的光聲光譜技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息互聯(lián)過程提取有害氣體特征。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

2.2 光聲光譜技術(shù)原理

光聲光譜運(yùn)算就是通過光聲效應(yīng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的一項(xiàng)手段，近年來隨著信號(hào)、新興光源與微音檢測(cè)技術(shù)的逐步成熟，也推動(dòng)了光聲光譜技術(shù)的發(fā)展[7]。

將一束含有強(qiáng)度為I(r，t)的紅外光源調(diào)整成一種頻率是w的脈沖光速，該脈沖式的紅外光線反射在一種比較封閉的容器樣本里，因?yàn)闃颖臼艿郊t外光照而產(chǎn)生熱效應(yīng)H(r，t)，這種效應(yīng)會(huì)干擾密閉容器內(nèi)產(chǎn)生壓力p，同時(shí)其的同頻率也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生聲波，這就是上述說的光聲效應(yīng)。

假如氣體是期望狀態(tài)，那么氣體里聲波的波動(dòng)方程應(yīng)該是

(1)

H(r，t)=NσI(r，t)

(2)

其中，v代表氣體的聲速，γ代表提取定壓熱熔與定體積熱熔比，σ代表氣體吸入的截面值，N為氣體的分子密度[8]。

紅外光強(qiáng)度和可見聲波的聲壓強(qiáng)度p、氣體分子密度與類型都含有一定的關(guān)聯(lián)性，經(jīng)過微音器受到聲波信號(hào)之后，就能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成一種電壓信號(hào)，進(jìn)而被儀器所探測(cè)到，不同種類與不同濃度的氣體分子所產(chǎn)生的光聲信號(hào)程度也是各不相同的。

其中微音器的輸出電壓幅值S能夠通過公式表示成

S=CWNσp

(3)

其中，p代表氣體的濃度，W代表紅外光源功率，C代表氣體光聲常數(shù)，而光聲的品質(zhì)是通過因素與微音器的密度因素決定的。

經(jīng)過微音器輸出電壓的幅值尺寸與氣體濃度的相應(yīng)關(guān)系，探測(cè)系統(tǒng)就能夠輕松地得到目前氣體里的SF6氣體濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而實(shí)時(shí)地做出評(píng)測(cè)，同時(shí)使用一些必要的手段。

2.3 有害氣體特征提取和映射

確定氣體里是否含有有害氣體為探測(cè)的第一步，該步驟一般需要利用一些比較先進(jìn)的儀器來配合傳感器完成。

特殊運(yùn)算公式是

(4)

式中，ti代表預(yù)探測(cè)氣體樣本的一種特征向量，wi為權(quán)值。

但因上述公式難以映射出不同氣體特征間所含有的檢測(cè)的緊密強(qiáng)度與比例變化。這就會(huì)致使采集樣本氣體的特征值產(chǎn)生偏差[9]。因此，考慮到檢測(cè)和變化的關(guān)聯(lián)程度，就需要將氣體的變化原因與占據(jù)比例濃度考慮進(jìn)去，隨后把含有這種變化的因素融入至幾率的相似度計(jì)算里。

擬定氣體特征量分別是I1與I2，而Δ=I1-I2代表正常氣體里的特征向量的變化程度[10]。利用這種變量，擬定出特征提取的計(jì)算公式，其結(jié)果如下所示

S(I1，I2)=P(Δ∈Ωi)=P(Ωi|Δ)

(5)

式中，Ωi代表相同種類的氣體在不同的濃度與環(huán)境中的氣體空間映射模型變化量，其也能夠叫做同類變化量，ΩE為氣體在警戒氣體庫(kù)里和與自己不同種類的空間映射模型內(nèi)的變化量，也能夠叫做異類變化量。P(Ωi|Δ)即通過貝葉斯決策統(tǒng)計(jì)出的警戒氣體庫(kù)里變化的同一種類后驗(yàn)幾率，可能夠經(jīng)過P(Ωi|Δ)與P(ΩE|Δ)運(yùn)算獲得。這樣改進(jìn)之后的相似度計(jì)算就可以運(yùn)算出因氣體濃度變化出現(xiàn)特征匹配時(shí)產(chǎn)生的誤差與這種氣體濃度變化的關(guān)聯(lián)程度。改進(jìn)之后的計(jì)算公式即

(6)

式中，P(ΩE)為特定的運(yùn)作指標(biāo)。比如測(cè)試氣體在環(huán)境里所占據(jù)的比例，或者是測(cè)試數(shù)量的相關(guān)幾率等。于是，氣體的檢測(cè)問題就轉(zhuǎn)換為了運(yùn)算相關(guān)幾率的問題，也就是說，只需要計(jì)算出空間的特征變化強(qiáng)度Δ屬于Ωi或是屬于ΩE的幾率，就能夠進(jìn)行氣體成分的評(píng)測(cè)，在P(Δ|Ωi)>(Δ|ΩE)或者S>1/2時(shí)，就能夠認(rèn)定成有害氣體。

2.4 特征向量空間的降維

由于在探測(cè)的流程中，需要先估算出Δ，而Δ是由Δx，Δy，Δz組成的，因此屬于一種多維向量。為了使估算更為簡(jiǎn)單，需要對(duì)多維向量進(jìn)行降維處理[11]。本文憑借主成分分析法來對(duì)特征空間的維度進(jìn)行降低。

主成分分析方法即一種能夠獲取最小均方差的線性降維方法，其通過把起始的特征向量反射至最小的子空間中，以此來降低起始特征向量的維度。

(7)

x能夠通過下式來代替

(8)

假如只保留向量y的一種子集{y1，…，yn}，其余分量通過bi來表示，那么計(jì)算式為

(9)

誤差

(10)

(11)

為了將ε2(m)的值計(jì)算至最小，經(jīng)過微分學(xué)內(nèi)的運(yùn)算方法，通過時(shí)

(12)

Cxui=λiui，i=m+1…n

(13)

式中，λi代表x的協(xié)方差矩陣的特征值，ui代表相應(yīng)的特征向量。所以

(14)

因此，通過主成分分析法進(jìn)行降維之后可以把特征值的分量比較完整地保留下來，在簡(jiǎn)化估算量的同時(shí)，還可以最大限度地儲(chǔ)存大量的起始信息。

2.5 光聲模塊基本元件的選擇

光聲模塊的光源選取是以能夠直接進(jìn)行調(diào)節(jié)的電源為基礎(chǔ)的，波長(zhǎng)覆蓋1～20μm的中遠(yuǎn)紅外光源，但因?yàn)橛泻怏w的紅外吸收波長(zhǎng)峰值是10.6μm，即對(duì)應(yīng)波數(shù)為947cm-1之間。因此，就只需要10.6μm波長(zhǎng)的紅外光映射進(jìn)光聲內(nèi)就可以了。所以需要憑借中心波長(zhǎng)為10.6μm的窄帶濾光片進(jìn)行濾光，選取系統(tǒng)所使用的波長(zhǎng)紅外光，將該濾光片安放在紅外光源的頂點(diǎn)。

微音器的挑選：由于光聲信號(hào)比較微弱，因此對(duì)微音器的靈敏度需要較高，本文使用傳統(tǒng)的微音器，其存在較寬的響應(yīng)寬帶與較好的溫度漂移特性。

激光功率計(jì)即用來對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一化的，因?yàn)榧t外光源會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的流逝出現(xiàn)變化，其所出現(xiàn)的紅外光功率也會(huì)產(chǎn)生一定的偏移。為了消除因紅外光源自身問題所出現(xiàn)的探測(cè)誤差，可以憑借激光功率對(duì)紅外光所出現(xiàn)的光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)量，之后對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一化。

2.6 擬定光聲腔

光聲腔作為光聲模塊的關(guān)鍵部件，在整體系統(tǒng)的構(gòu)架中有著較為重要的作用。因此，對(duì)于光聲腔的擬定，必須要滿足基本的設(shè)定原則，即光聲腔與外界的噪聲隔離性較好，盡可能地縮短池壁和入射光、窗口等產(chǎn)生直接作用而出現(xiàn)的背景噪聲，保證光聲腔內(nèi)壁的光潔，降低內(nèi)壁對(duì)有害氣體的解吸與吸附效應(yīng)。

目前，光聲腔可以分為諧振式與非諧振式兩種。可是，較比非諧振式光聲腔，諧振式光聲腔的體表較大、探測(cè)靈敏度高、調(diào)制頻率高與噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文的探測(cè)系統(tǒng)會(huì)利用到諧振式光聲腔。并且，為了能夠更進(jìn)一步地抑制噪聲，本文會(huì)利用差分式的運(yùn)作形式來對(duì)噪聲進(jìn)行處理。

諧振式光聲腔里調(diào)制頻率和光聲信號(hào)程度的關(guān)聯(lián)是

I(r，wl)=pj×(r)dV

(15)

諧振式光聲腔的運(yùn)作頻率較高，同時(shí)光聲信號(hào)可以經(jīng)過光聲腔內(nèi)的駐波放大作用，對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展，而且光聲腔的質(zhì)量因數(shù)如果越高，那么光聲信號(hào)的強(qiáng)度也就會(huì)逐漸升高，但是也不會(huì)過高，強(qiáng)度如果超過閾值，就會(huì)導(dǎo)致探測(cè)過程的穩(wěn)定性下滑。另外，諧振式光聲腔的性能和該光聲腔的簡(jiǎn)正模式是存在重要關(guān)聯(lián)的。

為了可以獲取較高的體表比值，縮減氣體與腔壁的解吸附和吸附作用，憑借一種大小為L(zhǎng)，半徑為R的圓柱形光聲腔。

對(duì)于圓柱形光聲腔，其第pmn階的模式如下

(16)

諧振頻率fpmn計(jì)算過程如下

(17)

其共含有縱向、角向與徑向三種簡(jiǎn)正模式。雖然最后的信號(hào)是三種簡(jiǎn)正模式的疊加，但其會(huì)以一種比較適合的簡(jiǎn)正模式作為擬定的依據(jù)。

2.7 有害氣體探測(cè)的實(shí)現(xiàn)

(18)

其中，PF(Δ|Ω)代表R子空間的真實(shí)邊緣密度，F(xiàn)(Δ|Ω)代表的邊緣密度，yi代表主成分，ε2(Δ)代表冗余的能量，而權(quán)重參數(shù)p能夠通過子空間的特征值來表示

(19)

式中，P(Δ|Ωi)與P(Δ|ΩE)均代表三維高斯分布的擬定。在此基礎(chǔ)上，估算測(cè)試有害氣體的特征樣本Ik，對(duì)于有害氣體樣本庫(kù)樣本Ij的匹配近似度的估算流程為：先將Ik和Ij相減，結(jié)果為Δ矢量，然后將其映射至相應(yīng)的坐標(biāo)。在類間與類內(nèi)高斯函數(shù)的主要成分特征向量?jī)?nèi)估算出P(Δ|Ωi)與P(Δ|ΩE)，最后再憑借上式運(yùn)算的匹配強(qiáng)度。來完成對(duì)有害氣體的相關(guān)探測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)證明

為驗(yàn)證光聲光譜技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)下有害氣體探測(cè)方法的可行性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU(3.20GHz)，8GB內(nèi)存的PC化，通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，并將LIBSVM為支持向量機(jī)軟件。此外，為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，將傳統(tǒng)的基于氣體傳感器和隨機(jī)森林的毒害氣體檢測(cè)方法(傳統(tǒng)方法1)、基于ZigBee通信和ARM控制器的有害氣體檢測(cè)方法(傳統(tǒng)方法2)作為對(duì)比，與本文方法共同完成性能驗(yàn)證。

首先對(duì)比不同方法探測(cè)到的濃度值，比對(duì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的有害氣體探測(cè)圖

從圖2中能夠看出，利用2種傳統(tǒng)方法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，氣體的體積分?jǐn)?shù)會(huì)干擾正常的探測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致探測(cè)時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)影響了其探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。而應(yīng)用本文方法后，其探測(cè)得到的有害氣體濃度與實(shí)際濃度差距非常小，說明其探測(cè)結(jié)果更精準(zhǔn)。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因在于本文方法擬定了光聲腔，從而使其受環(huán)境的干擾較小，能夠更為精準(zhǔn)地探測(cè)到有害氣體的濃度數(shù)值。

在此基礎(chǔ)上，測(cè)試不同方法探測(cè)過程的耗時(shí)情況，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法探測(cè)過程的耗時(shí)對(duì)比

通過圖3能夠看出，實(shí)驗(yàn)過程中，雖然不同方法消耗的時(shí)間均在不斷增加，但本文方法探測(cè)過程消耗的時(shí)間始終少于10s，其時(shí)間消耗值曲線也始終位于2種傳統(tǒng)方法曲線的下方，證明其可以更高效率地探測(cè)出有害氣體的含量。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄊ褂弥鞒煞址治龇ǎ档土颂卣骺臻g的維度，從而提高了探測(cè)效率。

4 結(jié)束語

為了使有害氣體探測(cè)過程的效率更高、探測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度更高，本研究提出了一種光聲光譜技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)下有害氣體探測(cè)方法。該方法主要是在光聲光譜探測(cè)技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持下對(duì)有害氣體的特征進(jìn)行提取，并將氣體映射至特征空間里，進(jìn)而把氣體的探測(cè)問題轉(zhuǎn)換成一種運(yùn)算的問題。然后再通過利用主成分分析降維來降低特征空間的維度，使得后期的探測(cè)效率更快。在此基礎(chǔ)上，通過空間位置反射計(jì)算匹配強(qiáng)度，再憑借匹配強(qiáng)度來完成對(duì)有害氣體的高效、精準(zhǔn)探測(cè)。