光声池中微弱光声信号检测

许雪梅; 戴鹏; 杨兵初; 尹林子; 曹建; 丁一鹏; 曹粲

doi:10.7498/aps.62.204303

摘要

大气中的污染源气体含量很少, 用光声光谱对其进行监测得到的光声信号极其微弱. 本文首先分析微弱信号产生机理, 在分析Holmes Duffing方程的基础上, 提出了适合光声池微弱信号检测的变尺度差分方法. 该方法通过对信号进行尺度变换, 再做差分来检测微弱信号. 理论分析和实验表明, 变尺度差分方法能很好地抑制系统相空间的共模噪声, 而且能很好地凸显混沌状态临界值. 变尺度差分方法测出的信号相对误差都小于5%, 说明其可以用于较高频率、相位和频率都未知的微弱光声信号幅值检测.

关键词:

光声光谱 /
微弱信号 /
幅值 /
Duffing

Abstract

The content of pollution gas in atmosphere is generally small, so the photoacoustic signal detected by photoacoustic spectroscopy to monitor is very weak. In this paper, on the basis of Holmes Duffing equation, we propose a new method i.e. variable scale difference method which is quite suitable for photoacoustic signal detection. This method can be used to detect weak signal by transforming the size of signal and then substracting the resulting signal. Theoretical analysis and experimental measurements show that it can well restrain the common-mode noise of system phase space, and it can also highlight the chaos state of critical value. This method has a relative error less than 5%, indicating that it can be effectively used to detect the amplitude of weak photoacoustic signal that has a higher frequency and unknown phase and frequency.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中南大学物理与电子学院, 长沙 410083

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61172047, 61071025) 资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Physics and Electronics, Central South University, Changsha 410083, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61172047, 61071025).

参考文献

[1]	Meng G, Liu X Y, Yuan C Y, Guo F, Zheng C K, Peng C 2011 Spectrosc. Spect. Anal. 31 1819 (in Chinese) [蒙瑰, 刘先勇, 袁长迎, 郭峰, 郑成坤, 彭琛 2011光谱学与光谱分析 31 1819]
[2]	Li X K, Li T T, Ma T 2011 J. Vib. Shock. 30 225 (in Chinese) [李秀坤, 李婷婷, 马涛 2011振动与冲击 30 225]
[3]	Zhang J L, Wang P, Wang Z B, Li X, Wang Z W 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 1722 (in Chinese) [张记龙, 王鹏, 王志斌, 李晓, 王智文2010光谱学与光谱分析 30 1722]
[4]	Deng H G, Cao W H, Yang B C, Mei W P, Ao B Q 2012 J. Cent. South Univ. (Science and Technoloy). 43 1773 (in Chinese) [邓宏贵, 曹文晖, 杨兵初, 梅卫平, 敖邦乾2012中南大学学报(自然科学版) 43 1773]
[5]	Feng J L, Xu W, Niu Y J 2010 Acta Phys. Sin. 59 157 (in Chinese) [冯进钤, 徐伟, 牛玉俊 2010 59 157]
[6]	Yuan C Y, Liu X Y, Meng G, Zhao L 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 879 (in Chinese) [袁长迎, 刘先勇, 蒙瑰, 赵亮 2010光谱学与光谱分析 30 879]
[7]	Liu H B, Wu D W, Jin W, Wang Y Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 050501 (in Chinese) [刘海波, 吴德伟, 金伟, 王永庆 2013 62 050501]
[8]	Gao S L, Zhong S C, Wei J, Ma H 2012 Acta Phys. Sin. 61 180501 (in Chinese) [高仕龙, 钟苏川, 韦鹍, 马洪 2012 61 180501]
[9]	Qin W Y, Su H, Yang Y F 2008 Acta Phys. Sin. 57 2704 (in Chinese) [秦卫阳, 苏浩, 杨永峰2008 57 2704]
[10]	Lai Z H, Leng Y G, Sun J Q, Fan S B 2012 Acta Phys. Sin. 61 050503 (in Chinese) [赖志慧, 冷永刚, 孙建桥, 范胜波2012 61 050503]
[11]	Wu Y F, Zhang S P, Sun J W 2010 Chin. J. Sci. Instrum. 31 161 (in Chinese) [吴勇峰, 张世平, 孙金玮2010仪器仪表学报 31 161]
[12]	Yang B J, LiY, YuanY, Liu X H 2007 Chin. Phys. 16 1072
[13]	Deng K, Zhang L, Luo M K 2010 Chin. Phys. B 19 030506
[14]	Su L Y, Ma Y J, Li J J 2012 Chin. Phys. B 21 020508
[15]	Wang M, Yan Y, Zhang H F 2010 J. Circuits. Syst. 15 118 (in Chinese) [王玫, 颜勇, 张慧峰2010电路与系统学报 15 118]
[16]	Yan H, Wei P, Xiao X C 2010 Chin. Phys. B 19 090501
[17]	Zhao H, Yin C Q, Shang Q F, Geng Y J 2006 Proceedings of the CSEE. 26 32 (in Chinese) [赵华, 尹成群, 尚秋峰, 耿玉静 2006 中国电机工程学报 26 32]
[18]	Wang G Y, Chen D J, Lin J Y, Chen X 1998 Chin. J. Electron. 26 38 (in Chinese) [王冠宇, 陈大军, 林建亚, 陈行 1998 电子学报 26 38]

施引文献

[1]	Meng G, Liu X Y, Yuan C Y, Guo F, Zheng C K, Peng C 2011 Spectrosc. Spect. Anal. 31 1819 (in Chinese) [蒙瑰, 刘先勇, 袁长迎, 郭峰, 郑成坤, 彭琛 2011光谱学与光谱分析 31 1819]
[2]	Li X K, Li T T, Ma T 2011 J. Vib. Shock. 30 225 (in Chinese) [李秀坤, 李婷婷, 马涛 2011振动与冲击 30 225]
[3]	Zhang J L, Wang P, Wang Z B, Li X, Wang Z W 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 1722 (in Chinese) [张记龙, 王鹏, 王志斌, 李晓, 王智文2010光谱学与光谱分析 30 1722]
[4]	Deng H G, Cao W H, Yang B C, Mei W P, Ao B Q 2012 J. Cent. South Univ. (Science and Technoloy). 43 1773 (in Chinese) [邓宏贵, 曹文晖, 杨兵初, 梅卫平, 敖邦乾2012中南大学学报(自然科学版) 43 1773]
[5]	Feng J L, Xu W, Niu Y J 2010 Acta Phys. Sin. 59 157 (in Chinese) [冯进钤, 徐伟, 牛玉俊 2010 59 157]
[6]	Yuan C Y, Liu X Y, Meng G, Zhao L 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 879 (in Chinese) [袁长迎, 刘先勇, 蒙瑰, 赵亮 2010光谱学与光谱分析 30 879]
[7]	Liu H B, Wu D W, Jin W, Wang Y Q 2013 Acta Phys. Sin. 62 050501 (in Chinese) [刘海波, 吴德伟, 金伟, 王永庆 2013 62 050501]
[8]	Gao S L, Zhong S C, Wei J, Ma H 2012 Acta Phys. Sin. 61 180501 (in Chinese) [高仕龙, 钟苏川, 韦鹍, 马洪 2012 61 180501]
[9]	Qin W Y, Su H, Yang Y F 2008 Acta Phys. Sin. 57 2704 (in Chinese) [秦卫阳, 苏浩, 杨永峰2008 57 2704]
[10]	Lai Z H, Leng Y G, Sun J Q, Fan S B 2012 Acta Phys. Sin. 61 050503 (in Chinese) [赖志慧, 冷永刚, 孙建桥, 范胜波2012 61 050503]
[11]	Wu Y F, Zhang S P, Sun J W 2010 Chin. J. Sci. Instrum. 31 161 (in Chinese) [吴勇峰, 张世平, 孙金玮2010仪器仪表学报 31 161]
[12]	Yang B J, LiY, YuanY, Liu X H 2007 Chin. Phys. 16 1072
[13]	Deng K, Zhang L, Luo M K 2010 Chin. Phys. B 19 030506
[14]	Su L Y, Ma Y J, Li J J 2012 Chin. Phys. B 21 020508
[15]	Wang M, Yan Y, Zhang H F 2010 J. Circuits. Syst. 15 118 (in Chinese) [王玫, 颜勇, 张慧峰2010电路与系统学报 15 118]
[16]	Yan H, Wei P, Xiao X C 2010 Chin. Phys. B 19 090501
[17]	Zhao H, Yin C Q, Shang Q F, Geng Y J 2006 Proceedings of the CSEE. 26 32 (in Chinese) [赵华, 尹成群, 尚秋峰, 耿玉静 2006 中国电机工程学报 26 32]
[18]	Wang G Y, Chen D J, Lin J Y, Chen X 1998 Chin. J. Electron. 26 38 (in Chinese) [王冠宇, 陈大军, 林建亚, 陈行 1998 电子学报 26 38]

[1]	赵华良, 彭红玲, 周旭彦, 张建心, 牛博文, 尚肖, 王天财, 曹澎. InP衬底上的双载流子倍增雪崩光电二极管结构设计. , 2023, 72(19): 198502. doi: 10.7498/aps.72.20230885
[2]	刘丽娴, 陈柏松, 张乐, 章学仕, 宦惠庭, 尹旭坤, 邵晓鹏, 马欲飞, MandelisAndreas. 面向工业园区的多组分痕量气体光声光谱同时检测. , 2022, 71(17): 170701. doi: 10.7498/aps.71.20220613
[3]	尹旭坤, 董磊, 武红鹏, 刘丽娴, 邵晓鹏. 面向SF₆气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化. , 2021, 70(17): 170701. doi: 10.7498/aps.70.20210532
[4]	曹保锋, 李鹏, 李小强, 张雪芹, 宁王师, 梁睿, 李欣, 胡淼, 郑毅. 基于强耦合Duffing振子的微弱脉冲信号检测与参数估计. , 2019, 68(8): 080501. doi: 10.7498/aps.68.20181856
[5]	靳华伟, 胡仁志, 谢品华, 陈浩, 李治艳, 王凤阳, 王怡慧, 林川. 适用于ppb量级NO₂检测的低功率蓝光二极管光声技术研究. , 2019, 68(7): 070703. doi: 10.7498/aps.68.20182262
[6]	程刚, 曹渊, 刘锟, 曹亚南, 陈家金, 高晓明. 光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化. , 2019, 68(7): 074202. doi: 10.7498/aps.68.20182084
[7]	周彧, 曹渊, 朱公栋, 刘锟, 谈图, 王利军, 高晓明. 基于7.6 m量子级联激光的光声光谱探测N2O气体. , 2018, 67(8): 084201. doi: 10.7498/aps.67.20172696
[8]	林莹莹, 李葵英, 单青松, 尹华, 朱瑞苹. ZnSe/ZnS/L-Cys核壳结构量子点光声与表面光伏特性. , 2016, 65(3): 038101. doi: 10.7498/aps.65.038101
[9]	牛德智, 陈长兴, 班斐, 徐浩翔, 李永宾, 王卓, 任晓岳, 陈强. Duffing振子微弱信号检测盲区消除及检测统计量构造. , 2015, 64(6): 060503. doi: 10.7498/aps.64.060503
[10]	张宣妮, 张淳民, 艾晶晶. 四分束风成像偏振干涉仪信噪比的研究. , 2013, 62(3): 030701. doi: 10.7498/aps.62.030701
[11]	田祥友, 冷永刚, 范胜波. 一阶线性系统的调参随机共振研究. , 2013, 62(2): 020505. doi: 10.7498/aps.62.020505
[12]	许雪梅, 李奔荣, 杨兵初, 蒋礼, 尹林子, 丁一鹏, 曹粲. 基于光声光谱技术的NO,NO2气体分析仪研究. , 2013, 62(20): 200704. doi: 10.7498/aps.62.200704
[13]	余荣, 江月松, 余兰, 欧军. 利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征. , 2013, 62(8): 087802. doi: 10.7498/aps.62.087802
[14]	刘海波, 吴德伟, 金伟, 王永庆. Duffing振子微弱信号检测方法研究. , 2013, 62(5): 050501. doi: 10.7498/aps.62.050501
[15]	冷永刚, 赖志慧, 范胜波, 高毓璣. 二维Duffing振子的大参数随机共振及微弱信号检测研究. , 2012, 61(23): 230502. doi: 10.7498/aps.61.230502
[16]	赖志慧, 冷永刚, 孙建桥, 范胜波. 基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法研究. , 2012, 61(5): 050503. doi: 10.7498/aps.61.050503
[17]	唐良瑞, 樊冰, 亢中苗. 利用混沌信号幅值实现混沌同步. , 2012, 61(8): 080508. doi: 10.7498/aps.61.080508
[18]	贺静波, 刘忠, 胡生亮. 基于海杂波散射特性的微弱信号检测方法. , 2011, 60(11): 110208. doi: 10.7498/aps.60.110208
[19]	袁长迎, 炎正馨, 蒙瑰, 李智慧, 尚丽平. 高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究. , 2010, 59(10): 6908-6913. doi: 10.7498/aps.59.6908
[20]	李宜德, 杜英磊, 李纪焕, 吴柏枚. 光声谱研究多孔碳化硅的能带特性. , 2003, 52(5): 1260-1263. doi: 10.7498/aps.52.1260

计量

文章访问数: 6792
PDF下载量: 499
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板