基于特征量空间仿射归一化的NDIR气体浓度标定与温度补偿方法与流程

本发明涉及气体检测与传感器算法，更具体的说是涉及基于特征量空间仿射归一化的ndir气体浓度标定与温度补偿方法。

背景技术：

1、非分光红外ndir气体传感器通过检测目标气体对特定波长红外光的吸收实现气体浓度测量。典型ndir气体传感器通常包括红外光源、气室、测量通道探测器和参考通道探测器。目标气体对测量通道对应波段的红外光产生吸收，而参考通道用于反映光源强度、光学系统衰减等非目标吸收因素。通过测量通道信号与参考通道信号之间的关系，可计算目标气体浓度。

2、在实际应用中，ndir气体传感器的输出会受到环境温度影响。温度变化可能导致红外光源辐射强度变化、探测器响应变化、滤光片及光学结构特性变化，以及气体吸收特性的变化。上述因素叠加后，使得不同温度下传感器的响应曲线并不完全一致。

3、现有方法通常采用多点查表、多项式拟合、分段拟合或神经网络等方式进行浓度计算和温度补偿。上述方法虽然能够在一定程度上提高精度，但往往存在以下不足：第一，标定点数量较多；第二，温度补偿与浓度计算耦合，模型不易解释；第三，低温区与高温区的温漂非对称性难以统一处理；第四，多个温度模型之间切换时可能产生不连续；第五，区间外的外推不稳定。

4、尤其对于宽量程、宽温区ndir气体传感器而言，由于其测量范围同时覆盖低浓度高灵敏区和高浓度非线性区，浓度响应曲线在全量程范围内难以由少量点或单一简单函数准确表征。若直接在浓度空间建立多温度补偿模型，或在每一温度点下分别建立查表模型，则通常需要在浓度维度和温度维度上同时增加标定点数量，导致标气消耗大、标定时间长、产线效率低，不利于批量生产。

5、此外，现有方法常直接在浓度空间进行补偿，或者在不同温度下分别建立多个浓度计算模型。该类方法容易导致温度补偿与浓度建模相互耦合，使模型复杂度增加，并且在不同温度模型之间切换时可能出现不连续问题。对于低浓度区间，普通拟合方法还可能由于标定点权重分配不合理而产生较大误差。

6、因此，亟需一种能够在减少标定点数量的同时提高宽温区浓度测量准确度，并兼顾模型连续性、单调性和可嵌入式实现性的ndir气体浓度标定与温度补偿方法。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种基于特征量空间仿射归一化的ndir气体浓度标定与温度补偿方法及系统，以至少部分解决现有ndir气体传感器标定点多、温度补偿模型复杂、低浓度误差较大以及不同温度模型切换不连续的问题。

2、本发明的核心思想是：将温度补偿从浓度空间转移至特征量空间，在特征量空间中建立不同温度响应曲线相对于参考温度响应曲线的仿射关系，通过偏移补偿项和增益补偿项将不同温度下的响应曲线归一化到参考温度曲线，从而使浓度计算能够统一采用参考温度下建立的单一插值模型完成。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供一种基于特征量空间仿射归一化的ndir气体浓度标定与温度补偿方法，包括：

5、标定阶段：

6、获取ndir气体传感器在参考温度下的标定数据，作为参考标定数据，包括参考温度下的各标定浓度、以及标定浓度对应的对数比值特征量，其中所述对数比值特征量是指各标定浓度对应的测量通道信号和参考通道信号之间的对数比值特征量；

7、基于参考标定数据建立能够根据输入的对数比值特征量计算当前气体浓度的浓度关系模型；

8、基于不同温度下的标定数据，建立不同标定温度相对于参考温度的仿射关系模型；

9、根据所述仿射关系模型中的离散仿射参数建立温度与仿射补偿参数之间的温度补偿函数，包括温度偏移补偿函数和温度增益补偿函数；

10、测量阶段：

11、采集ndir气体传感器测量时的当前温度，并计算实时对数比值特征量；

12、根据温度补偿函数计算当前温度下的温度补偿参数，并对实时对数比值特征量进行仿射归一化；

13、根据仿射归一化后的实时对数比值特征量，调用浓度关系模型计算当前气体浓度。

14、进一步地，所述对数比值特征量，具体通过以下公式计算得到：

15、

16、其中，表示参考温度下，通入对应标定浓度的标定气体时得到的测量通道信号；表示参考温度下，通入对应标定浓度的标定气体时得到的参考通道信号；表示对数比值特征量。

17、进一步地，基于参考标定数据建立能够根据输入的对数比值特征量计算当前气体浓度的浓度关系模型步骤中，所述浓度关系模型包括分段三次hermite插值模型或外推模型，具体的，当对数比值特征量的实际值大于等于所述参考标定数据中对数比值特征量的最小值，且小于等于所述参考标定数据中对数比值特征量的最大值时，构建分段三次hermite插值模型计算气体浓度；否则，构建外推模型计算气体浓度。

18、进一步地，构建分段三次hermite插值模型计算气体浓度，具体包括：

19、将每个参考标定数据对应一个插值节点；

20、对于任一相邻插值节点区间内的待计算对数比值特征量r定义归一化区间变量t及插值系数：

21、其中，、、、均表示作为插值系数的不同hermite基函数；和为相邻两个插值节点对应的对数比值特征量；

22、根据所述插值系数得到相邻两个插值节点之间待计算对数比值特征量r对应的浓度关系模型：

23、

24、其中，和为相邻两个插值节点对应的标定浓度，和分别表示插值曲线在节点和处的一阶导数。

25、进一步地，构建外推模型计算气体浓度，具体包括：

26、当对数比值特征量的数值小于所述参考标定数据中对数比值特征量的最小值时，采用插值曲线在低端端点处的一阶导数进行线性外推，得到第一外推模型：

27、

28、当对数比值特征量的数值大于所述参考标定数据中对数比值特征量的时，采用插值曲线在高端端点处的一阶导数进行线性外推，得到第二外推模型：

29、其中，和分别为对数比值特征量的最小值和最大值对应的端点浓度，和分别表示插值曲线在低端端点和高端端点处的一阶导数。

30、进一步地，基于不同温度下的标定数据，建立不同标定温度相对于参考温度的仿射关系模型，具体包括以下步骤：

31、针对参考温度外的其他标定温度，获取其他标定温度下的标定数据，包括多个标定浓度、以及标定浓度对应的对数比值特征量；

32、对于每个其他标定温度，在相同标定浓度下建立不同标定温度相对于参考温度的仿射关系模型：

33、

34、其中，表示参考温度，表示在参考温度下通入标定浓度时计算得到的对数比值特征量；表示在标定温度下通入标定浓度时计算得到的对数比值特征量；表示标定温度对应的比例系数；表示标定温度对应的偏移量，表示第个标定温度、第个标定浓度点对应的仿射拟合残差。

35、进一步地，根据所述仿射关系模型中的离散仿射参数建立温度与仿射补偿参数之间的温度补偿函数，具体包括以下步骤：

36、根据不同标定温度相对于参考温度的仿射关系模型，提取所述仿射关系模型中的离散仿射参数，包括标定温度对应的比例系数和偏移量；

37、根据标定温度对应的比例系数和偏移量定义标定温度的离散温度补偿项，包括温度偏移补偿项和温度增益补偿项：

38、

39、其中，表示标定温度对应的比例系数，表示标定温度对应的偏移量，表示标定温度对应的温度偏移补偿项，表示标定温度对应的温度增益补偿项；

40、以各标定温度及其对应的温度偏移补偿项和温度增益补偿项，作为拟合数据，分别建立温度与仿射补偿参数之间连续的温度偏移补偿函数和连续的温度增益补偿函数。

41、进一步地，分别建立温度与仿射补偿参数之间的连续的温度偏移补偿函数和连续的温度增益补偿函数，具体包括以下步骤：

42、根据参考温度将温度范围划分为低温区和高温区，分别建立低温区偏移补偿函数、低温区增益补偿函数、高温区偏移补偿函数和高温区增益补偿函数；

43、通过温度权重函数对低温区偏移补偿函数和高温区偏移补偿函数进行融合，得到连续的温度偏移补偿函数；

44、通过温度权重函数对低温区增益补偿函数和高温区增益补偿函数进行融合，得到连续的温度增益补偿函数。

45、进一步地，分别建立温度与仿射补偿参数之间连续的温度偏移补偿函数和连续的温度增益补偿函数步骤中，所述连续的温度偏移补偿函数和连续的温度增益补偿函数的具体函数形式包括但不限于：多项式函数、分段插值函数、样条函数或其他可实现温度补偿参数连续变化的函数形式。

46、进一步地，根据温度补偿函数计算当前温度下的温度补偿参数，并对实时对数比值特征量进行仿射归一化，具体包以下步骤：

47、将当前温度分别带入温度偏移补偿函数和温度增益补偿函数得到对应的温度偏移补偿项和温度增益补偿项；

48、基于当前温度得到的温度偏移补偿项和温度增益补偿项对实时对数比值特征量进行仿射归一化：

49、

50、表示仿射归一化后，即温度补偿后的实时对数比值特征量；表示实时对数比值特征量；表示当前温度得到的温度偏移补偿项；表示当前温度得到的温度增益补偿项。

51、第二方面，本发明实施例提供一种ndir气体传感器系统，包括红外光源、气室、测量通道探测器、参考通道探测器、温度传感器和信号处理单元，其中，所述红外光源用于发射红外光；所述气室用于容纳待测目标气体并提供光学路径；所述测量通道探测器用于检测被目标气体吸收后的红外信号，并得到测量通道信号；所述参考通道探测器用于检测参考波段红外信号，并得到参考通道信号；所述温度传感器用于采集当前环境温度；

52、所述信号处理单元存储有可执行的程序，所述程序被执行时能够实现本发明第一方面任一项所述的方法。

53、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了基于特征量空间仿射归一化的ndir气体浓度标定与温度补偿方法，具有以下有益效果：

54、本发明通过在特征量空间进行仿射归一化，将不同温度下的响应曲线映射至统一的参考温度曲线，实现温度补偿与浓度建模的解耦。

55、本发明中浓度关系模型包括分段三次hermite插值模型或外推模型，其中，采用分段三次hermite插值模型，有利于保证浓度输出的单调性和物理合理性；通过端点导数构建线性外推模型，有利于保持模型端点处的连续性和稳定性。

56、本发明可使用单一插值模型完成宽温区浓度计算，降低模型复杂度。

57、本发明通过分段温度补偿模型描述低温区和高温区温漂非对称性，并通过温度权重函数实现连续过渡，避免模型切换导致的输出跳变。

58、经实验验证，以0至5%体积分数范围内的co2传感器为例，在标定浓度点为0 ppm、500 ppm、2000 ppm、5000 ppm、10000 ppm、20000 ppm和50000 ppm，标定温度点为-20℃、0℃、25℃、40℃和60℃的情况下，可达到±50 ppm或±2%读数取较大者的准确度要求，从而显著减少标定点数量、标气消耗和标定时间。