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环境监测系统若干关键问题研究

戴庞达  
【摘要】: 多种环境污染物、军事和工业中的化学有机物在红外区存在可以被识别和计量的特征。傅立叶变换红外光谱技术是一种有效的远距离未知气体探测手段,可以用于有害气体预警、环境监测等领域。 本论文围绕有害气体FTIR技术,开展了三方面的研究工作:FTIR系统架构分析和数据处理单元的设计,基于LXI总线技术的分布式FTIR自动测试系统的构建,以及红外光谱信号处理算法的研究。 (1)FTIR系统通过分析污染气体红外光谱特性,对污染气体进行定性和定量研究。数据处理单元则承载高效处理和识别算法,实时处理FTIR系统中的大量干涉图信息。本论文在对FITR技术和数据处理单元工作特性深入分析的基础上,提出以嵌入式高速浮点型数字信号处理器为中央处理器,协同其它高速外设,设计了数据处理单元的处理平台。并将高速电子学技术、电磁兼容技术应用于设计中,用于实现具有运算速度快、承载算法负载、通信能力强、可靠性高的特点的FTIR系统。 (2)基于LXI总线技术的测试系统是自动测试系统的发展趋势,利用LXI技术可以提高FTIR系统与其它环境监测系统的协调能力,实现更加多样化和精确化的测量。本论文深入分析了LXI技术标准,构建LXI硬件平台,嵌入精简的TCP/IP协议,实现大量光谱数据的实时传输,通过精确时钟协议实现分布式测试模块的同步触发。表明基于LXI的FTIR系统可以实现大量监测数据的实时传输,完成同步测试的要求,并可以推广到其它各种环境测试系统。 (3)污染气体红外光谱预处理的效果好坏,是能否进行精确的模式识别,得到污染气体种类和浓度的前提。本文利用小波变换在时域和频率中的多分辨能力分解预处理的差谱信号,实现对噪声和基线的同时去除。选用合适的小波基函数,把差谱信号进行小波分解,通过阈值去噪消除高频噪声,并将低频小波系数置零,实现基线去除。进一步提出了以“小波系数能量比”来确定最佳分解层数的方法。 纵观全文,在全面深入分析FTIR技术的基础上、设计FTIR系统,构建嵌入式数据处理单元,使用LXI总线技术实现FTIR系统的网络接入,并利用小波变换对红外差谱信号预处理,成功的解决了其中的部分关键问题。


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