[发明专利]一种基于Duffing系统的光声池微弱光声信号检测方法

权利要求书

1.一种基于Duffing微弱光声信号检测方法，包括以下组成部分：

第一部分：收集单元。

第二部分：光声单元。

第三部分：信号检测处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于Duffing微弱光声信号检测方法，其特征在于第二部分。

该部分摒弃传统的色谱柱方法，而是利用光声效应原理，使得灵敏度很高，动态范围广且有利于实时，精确的测定污染源气体的浓度。并且人性化的后台处理数据，使得操作简单，实用性极强。

(1)在光学部分：激光器所发出的光将经过光子晶体光纤光栅分光，将特定频率的单色光入射到对应的子晶体光纤。光子晶体光纤光栅分光器是光学单元的重要组成部分之一，经过分光后，只留下特定频率的单色光，使检测速度大为增加。

(2)在斩波器部分：光束经过斩波器后，沿着光声池纵向轴线射入其中，此时气体受到周期光速调制在光声池腔内产生光声效应。选择由Thorlabs公司生产的S122C/PM100D系列激光功率计探测射出的光束，对入射激光进行修正和记录。

(3)在收集部分：微音器将接收到的声信号转化为电信号，送入Dufing检测系统。选择EK-23024型号的微音器，灵敏度为22mV/Pa。

考虑到红外波段的光容易散射，在入射之前采样内表面镀金的椭圆反射镜和凸透镜进行聚焦。此外斩波器频率设置为光声池共振频率，以保证吸收浓度最大。最后微音器安装在光声池的中部位置，保证收集到的信号为最大。

3.根据权利要求1所述的一种基于Duffing微弱光声信号检测方法，其特征在于第三部分。

该部分不再使用锁相放大器，而是采用基于Dufing系统的混沌振子检测方法，使得成本降低，灵敏度提高，抗噪性能也加强。

第一步：调节系统驱动力f，使得系统进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到阈值f_d；

第二步：加入频率与系统相同的待测信号，系统进入大尺度周期运动状态，这时调节系统驱动f，使系统再次进入混沌运动状态和大尺度周期运动状态的阈值点，得到此时的驱动力f₂。

第三步：计算信号的幅值为A＝f_d-f₂。

为了克服遇到信号频率太大，或者噪声太大的情况，对Duffing系统还需进一步改进

第四步：首先采用变尺度方法，使待测信号频率降至低频区。假设采样频率为f_s，则步长是1/f_s，引入变尺度系数m，则新步长为m/f_s(即将时间间隔增大了m倍，相应的频率减小为原来1/m)。

第五步：然后再将尺度变换后的信号，送入差分方法的双振子模式系统。

x··+kx·-x+x3=fcos(w1t)+As(w2t)+n(t)x··+kx·-x+x3=a*fcos(w1t)+As(w2t)+n(t)]]>

x₁-x₂的差分波形图能很明显的反应混沌状态。有利于判断阈值。

第六步：根据混沌的深度来设定门限R。当大于这个门限R的时候，我们就认定系统进入了混沌状态。经过大量的实验发现一般a取1.001-1.1之间差分结果最好，本系统采用的是1.005。

步骤七：反演气体浓度。

根据光声信号S_PA公式S_PA＝p(r_M，w_j)＝C_cellαP₀反推出气体浓度，再将数据上传到上层服务器，供使用者查看，系统程序流程图如图4所示。