周 勝，李勁松，張 磊，蔣童童

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

隨著社會(huì)的發(fā)展，工作崗位對(duì)人才的創(chuàng)新能力的要求越來(lái)越高，本科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵也更加趨向于適應(yīng)創(chuàng)新型社會(huì)發(fā)展。大學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)是一門(mén)集理論基礎(chǔ)與實(shí)踐動(dòng)手能力相結(jié)合的課程，在專業(yè)核心課程教學(xué)中起著重要的作用。傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)往往以老師動(dòng)手演示、學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)完成，這種以老師為中心的教學(xué)模式很難滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求[1]。而大學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)本著學(xué)生動(dòng)手操作為第一位，老師輔助的原則，對(duì)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題有著巨大的幫助作用，是近些年來(lái)的新興教學(xué)模式。

在當(dāng)今社會(huì)中，能源已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展中不可缺少的寶貴資源，是社會(huì)發(fā)展和人類(lèi)進(jìn)步的源泉。伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染對(duì)自然環(huán)境已經(jīng)人體健康造成的負(fù)面效果愈發(fā)嚴(yán)重，以至于人們不得不迫切解決這一生態(tài)問(wèn)題。環(huán)境污染具體包括、水污染、空氣污染等。以二氧化氮為例，中國(guó)是以燃煤、煤氣為主的大國(guó)，燃燒排出的大量二氧化氮?dú)怏w直接進(jìn)入大氣不僅破壞了生存環(huán)境，也嚴(yán)重危害了人們的身體健康。另外隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展和生活水平的提高，私家車(chē)成為了普遍的交通工具，汽車(chē)尾氣中二氧化氮的排放成為大氣中二氧化氮含量過(guò)高的主要來(lái)源之一，導(dǎo)致二氧化氮在空氣中的濃度顯著上升，過(guò)量的二氧化氮?dú)怏w會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成硫酸或硝酸，隨雨水到達(dá)地面形成酸雨，對(duì)農(nóng)作物、建筑物產(chǎn)生破壞、森林衰亡等不良影響。由此可以看出對(duì)大氣中氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)環(huán)境治理有重大作用。

傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)技術(shù)周期長(zhǎng)、測(cè)量組分較單一且測(cè)量范圍小。相比而言，激光光譜測(cè)量技術(shù)具有測(cè)量范圍廣、測(cè)量靈敏度高、快速便捷等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多組分連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，被廣泛應(yīng)用于多種氣體檢測(cè)。綜上所述，開(kāi)發(fā)出選擇性好、靈敏度高、非接觸在線自動(dòng)檢測(cè)氣體濃度傳感系統(tǒng)具有重大意義。激光具有高亮度、高相干性的特點(diǎn)使得光譜測(cè)量技術(shù)在分辨率和靈敏度方面得到了很大的改善。但由于空氣及實(shí)驗(yàn)儀器中存在噪聲干擾，利用激光光譜測(cè)量氣體濃度時(shí)對(duì)吸收譜線的測(cè)量數(shù)據(jù)有影響，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，因此對(duì)吸收譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲部分是必須要進(jìn)行的操作。本文通過(guò)對(duì)不同平臺(tái)的數(shù)字濾波技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹并展開(kāi)具體操作，與書(shū)本上的理論知識(shí)相結(jié)合，可以鞏固記憶且濾波技術(shù)有更清晰的了解。

1 吸收光譜測(cè)量原理

將大氣氣體導(dǎo)入多光程吸收池中，激光器經(jīng)過(guò)輸出調(diào)諧后入射到多光程吸收池中，在吸收池中多次反射后被大氣氣體吸收，由光電探測(cè)器接收吸收后的激光，將攜帶大氣氣體的調(diào)諧激光光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大器放大后，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)部，可用朗伯比爾定律進(jìn)一步分析氣體濃度的大小。

濾波技術(shù)包括軟件濾波和硬件濾波。在考慮較高的時(shí)間分辨率和較低的系統(tǒng)成本時(shí)，采用基于軟件的數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線降噪處理是一種較好的選擇。人們也發(fā)明了許多濾波算法以便于應(yīng)用在各種場(chǎng)合下的數(shù)據(jù)處理。在應(yīng)用數(shù)字信號(hào)濾波技術(shù)時(shí)，關(guān)鍵在于選擇合適的濾波算法和恰當(dāng)?shù)膮?shù)。

多信號(hào)平均法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單且廣泛采用的噪聲濾除方法。選取參照點(diǎn)鄰域范圍內(nèi)的點(diǎn)的值進(jìn)行平均作為參照點(diǎn)的濾波值。

(1)

其中，N為窗口大小，n為取樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)。多信號(hào)平均法的運(yùn)算速度很快，但是容易失去信號(hào)原有的特征，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

小波變換也是一種優(yōu)秀的濾波算法，是對(duì)空間和頻率的局部變換，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能有效獲取信號(hào)中的有用信息。小波變換克服了窗口大小不隨頻率變換的缺點(diǎn)，提供了一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，因此小波變換在很多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用。但小波變換依賴的參數(shù)過(guò)多，例如母小波類(lèi)型、閾值估計(jì)和分解水平等。

卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)輸入輸出的數(shù)據(jù)觀測(cè)，從而對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估算的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中存在系統(tǒng)中噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過(guò)程。卡爾曼濾波理論問(wèn)世以來(lái)，憑借著運(yùn)算速度快、效果好的特點(diǎn)在通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、航空航天等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用并取得了成果。但卡爾曼濾波的應(yīng)用范圍受限，在非線性系統(tǒng)中使用后的偏差較大。

19-G濾波器是一種在時(shí)域內(nèi)基于局域多項(xiàng)式最小二乘法擬合的濾波方法，近些年來(lái)，在傅里葉變換紅外光譜重構(gòu)、地震隨機(jī)噪聲剔除、遙感圖像合并、脈沖波處理等方面都有廣泛應(yīng)用。S-G濾波器如此受歡迎也是由于它相比其他濾波函數(shù)而言，在濾除噪聲時(shí)能夠最大限度的保證信號(hào)形狀、寬度不變，而且只需要設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：平滑窗口的寬度和擬合多項(xiàng)式的階數(shù)。S-G濾波算法的包括以下幾個(gè)步驟：(1)確定數(shù)據(jù)區(qū)間；(2)對(duì)選定的數(shù)據(jù)區(qū)間擬合一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)；(3)根據(jù)多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算選定區(qū)間中心的平滑數(shù)據(jù)點(diǎn)；(4)將數(shù)據(jù)區(qū)間右移一個(gè)采樣區(qū)間后，重復(fù)這個(gè)平滑過(guò)程直到所有數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)擬合，得到S-G濾波后的數(shù)據(jù)譜線。經(jīng)過(guò)S-G濾波的含噪譜線有明顯的平滑作用。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

搭建的用于激光光譜技術(shù)課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

它采用波長(zhǎng)約6.2 μm的中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)作為光源。由于人眼看不見(jiàn)中紅外的激光，為了便于學(xué)生調(diào)整光路，引入了一個(gè)可見(jiàn)的紅光光源作為指引光，使用ZnSe分光鏡將可見(jiàn)的紅光(632.8 nm)與不可見(jiàn)的QCL光束進(jìn)行合束。激光束經(jīng)過(guò)一個(gè)氣體池后，由離軸拋物面鏡聚焦于高速紅外光電探測(cè)器(PVI-4TE-5,Vigo)。激光的輸出波長(zhǎng)調(diào)制是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)的，最大峰值輸出功率為30 mW。激光頻率用一個(gè)典型的三角波掃描吸收線頻率為100 Hz。激光器的線寬小大于0.001 cm-1，激光光源對(duì)氣體吸收譜線的展寬可以被忽視。學(xué)生需要按照激光光譜技術(shù)的理論知識(shí)，模擬出待測(cè)氣體的吸收截面，選擇合理的測(cè)量波長(zhǎng)范圍，以此來(lái)定激光的驅(qū)動(dòng)電流。為了消除學(xué)生給需液氮冷卻的HgCdTe中紅外探測(cè)器過(guò)程中存在的安全隱患，本實(shí)驗(yàn)選用可在在室溫下工作的中紅外探測(cè)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的日常使用，并允許長(zhǎng)期自動(dòng)化操作。未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)隨后使用數(shù)字采集卡(National Instruments,USBFig)獲得。氣體池的壓強(qiáng)通過(guò)壓力控制器和真空泵控制。

2.2 學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

學(xué)習(xí)型實(shí)驗(yàn)主要目的是幫助學(xué)生在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程，利用MATLAB對(duì)均值濾波、S-G濾波函數(shù)等進(jìn)行濾波性能的比較，主要包括以下仿真設(shè)計(jì)：首先對(duì)單一氣體譜線進(jìn)行濾波處理。利用Hitran on the web數(shù)據(jù)庫(kù)獲取氣體在一定溫度和壓強(qiáng)下的標(biāo)準(zhǔn)吸收譜線，通過(guò)MATLAB平臺(tái)對(duì)其加入高斯分布的噪聲形成測(cè)試譜線，隨后利用MATLAB中的均值濾波和S-G濾波函數(shù)等對(duì)測(cè)試譜線進(jìn)行濾波處理。通過(guò)信噪比的大小體現(xiàn)濾波效果。如圖2為均值濾波和S-G濾波處理前后譜線圖。改變加入高斯噪聲的方差大小，進(jìn)一步比較不同濾波函數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，思考不同濾波函數(shù)的應(yīng)用范圍。除了MATLAB平臺(tái)，Origin作為強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件，同時(shí)具備了濾波功能與畫(huà)圖功能。將測(cè)試譜線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin中，便可通過(guò)選項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)FFT變換可以測(cè)得濾波前后的殘差值并繪制成圖形，利用不同的濾波算法濾波后殘差不同的特點(diǎn)可判斷濾波性能的優(yōu)劣。

波長(zhǎng)/nm

熟悉了如何處理擬合譜線后，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作測(cè)量真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的吸收譜線。學(xué)生經(jīng)由2.1中實(shí)驗(yàn)裝置里的采集卡獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)放大電路對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大后傳輸?shù)诫娔X上，通過(guò)濾波函數(shù)進(jìn)行譜線處理。處理后可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中相同壓強(qiáng)與溫度情況下的標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行信噪比的對(duì)比，得出濾波后譜線。通過(guò)具體操作，可鍛煉同學(xué)們的動(dòng)手能力，加深對(duì)大氣數(shù)據(jù)采集的理解。

2.3 探索性實(shí)驗(yàn)

上述實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)濾波算法，而對(duì)于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，還需培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)等外延拓展能力。將學(xué)生分為五人一組，每組自行圍繞數(shù)字濾波技術(shù)選擇一個(gè)研究課題并展開(kāi)后續(xù)的學(xué)習(xí)與探究。課題研究?jī)?nèi)容包括文獻(xiàn)綜述調(diào)研、方案原理分析、方案介紹、實(shí)驗(yàn)以及總結(jié)與展望五個(gè)部分。學(xué)生確定好選題后，以總結(jié)報(bào)告的形式將調(diào)研內(nèi)容以及方案介紹給老師，老師根據(jù)學(xué)生的選題內(nèi)容進(jìn)行討論與探究，確保實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的可行性。確認(rèn)實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行后討論實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的方式以及準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用到的儀器。由學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)手操作獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到最終的結(jié)論。課程的最后，由每組提交一份總結(jié)報(bào)告交給老師并針對(duì)總結(jié)報(bào)告內(nèi)容，準(zhǔn)備結(jié)題PPT并進(jìn)行當(dāng)堂展示。

研究課題可以由老師提供或?qū)W生查找互聯(lián)網(wǎng)資源自行選擇。例如除使用MATLAB軟件自帶濾波外，還可以自行編寫(xiě)算法程序達(dá)到濾波的效果。引導(dǎo)學(xué)生查閱書(shū)籍與互聯(lián)網(wǎng)資源，讓學(xué)生自主編寫(xiě)濾波算法或?qū)ΜF(xiàn)有濾波程序進(jìn)行優(yōu)化。每種濾波都有適用范圍，通過(guò)算法的編寫(xiě)可以將原有濾波算法的參數(shù)選擇進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到性能最優(yōu)、適用范圍更廣的目的。圖3即為不同參數(shù)條件下的濾波效果圖，可以看出最優(yōu)參數(shù)的選取對(duì)濾波結(jié)果有重要的意義。對(duì)基礎(chǔ)算法的優(yōu)化工作可以開(kāi)發(fā)學(xué)生的算法編程能力，該項(xiàng)任務(wù)可由編寫(xiě)算法有特長(zhǎng)的同學(xué)選擇進(jìn)行深入探究。

波長(zhǎng)/nm

3 教學(xué)評(píng)價(jià)

通過(guò)數(shù)字濾波技術(shù)大學(xué)物理實(shí)踐課程，因材施教取得了良好的教學(xué)效果，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生進(jìn)一步探究的積極性，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)良好的創(chuàng)新平臺(tái)，為以后參加各種競(jìng)賽項(xiàng)目打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。學(xué)生們?cè)谡n程過(guò)程中運(yùn)用了科學(xué)的思維方式，不僅可以獨(dú)自完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還通過(guò)組隊(duì)共同完成課題，鍛煉了團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中，化被動(dòng)為主動(dòng)，不僅參照老師給的實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還在基本濾波算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展訓(xùn)練，真正動(dòng)腦思索并完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，教學(xué)思維在于固定的傳授實(shí)驗(yàn)知識(shí)交給同學(xué)們，而此實(shí)驗(yàn)在于主動(dòng)去深入了解濾波技術(shù)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，提高教學(xué)效果。從學(xué)生們的完成情況可以看出，絕大部分學(xué)生面對(duì)實(shí)驗(yàn)態(tài)度認(rèn)真、勤于探索，找到了做實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，激發(fā)出了學(xué)生們的潛能，真正做到學(xué)以致用的教學(xué)目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用S-G濾波、均值濾波等軟件濾波函數(shù)，對(duì)激光吸收光譜的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，加深了學(xué)生對(duì)濾波算法的理解，把書(shū)本上的原理編譯成C語(yǔ)言算法在MATLAB軟件和Origin軟件中進(jìn)行實(shí)際操作，為以后的科研活動(dòng)打下了良好的基礎(chǔ)，鍛煉了學(xué)生的編寫(xiě)算法、處理數(shù)據(jù)及畫(huà)圖能力，可以作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，教學(xué)與科研雙贏的結(jié)果[3]。實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮了重大作用。并且課程也將在不斷的探索中逐步完善，極大促進(jìn)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，具有很好的推廣前景[4]。