基于TDLAS直接吸收信号的烟雾减光率鲁棒解耦方法及系统与流程
本发明涉及火灾探测及开放光路可调谐二极管激光吸收光谱信号处理，尤其是一种面向火灾探测的开放光路一氧化碳tdlas直接吸收信号的烟雾减光率鲁棒解耦方法及系统。
背景技术：
1、高大空间场所（如大型厂房、会展中心、体育馆、机场/车站候车大厅、立体仓库与物流分拣中心等）通常具有空间体积大、层高高、气流组织复杂、局部热源与扰动源多、人员与设备活动频繁等特点。火灾早期阶段的烟雾与燃烧产物在此类空间中往往呈现生成量小、稀释快、扩散路径长的传播特性：火灾烟雾羽流在上升和扩散过程中迅速稀释，导致到达常规点型探测器（点型感烟火灾探测器、点型可燃气体探测器等）的时间滞后，且单点测量对空间代表性不足，难以实现对大范围区域的早期覆盖。因此，工程上通常采用吸气式感烟火灾探测器和线型光束感烟火灾探测器来提高对早期烟雾的响应能力，并扩大监测保护范围。其中吸气式感烟火灾探测器虽然可通过管网扩展覆盖，但在超大空间中吸气管路布设复杂、阻力与采样时延增大、维护成本高，工程可实施性受到一定限制。而线型光束感烟火灾探测器这类长距离开放光路探测原理的探测器，可通过跨越几十米至上百米的光程实现对目标区域的路径平均观测，提升早期响应能力与覆盖一致性。然而，高大空间的日常运行环境通常伴随粉尘扬尘、水雾/蒸汽、车辆尾气或工艺挥发物、频繁开关门与空调系统引起的气流扰动、太阳直射及强照明等非火灾因素，这些因素会在光学强度或气体指示上引入类似火灾的变化特征，从而显著增加线型光束感烟火灾探测器的误报与漏报风险。由此，高大空间火灾探测的核心矛盾在于：既要实现大范围、长距离、早期覆盖，又要在复杂工况下保持低误报、可长期在线运行的稳定性。
2、火灾早期烟雾会对光束产生散射与吸收，使接收光强发生减光/消光，这也正是线型光束感烟火灾探测器的工作原理，并且燃烧过程会产生一氧化碳（co），一氧化碳在特定近红外/中红外波段具有窄带吸收谱线，可通过可调谐二极管激光吸收光谱（tdlas）在开放光路条件下实现实时、定量的路径积分浓度测量。因此，在火灾探测应用中，烟雾减光与co产物具有互补性，二者指标的同步上升更意味着燃烧的发生，二者联合可显著增强光束型火灾探测器对粉尘、水雾、尾气等非火灾干扰的判别能力。
3、从工程集成角度看，若分别部署独立的线型光束感烟探测器与一氧化碳tdlas气体探测器，虽然可实现多指标融合，但会带来设备体积与成本增加、安装与对准复杂、维护工作量上升、系统间时间同步与空间光路一致性不足等问题。因此，业主更希望能够基于同一套光束收发硬件同时获得co测量结果及可用于火灾判据的烟雾减光率。由于常规线型光束感烟火灾探测器并未显著耦合气体吸收信号，因此耦合了烟雾减光的一氧化碳tdlas直接吸收信号是实现解耦探测的可探索方向，但此问题仍然属于一个开放性工程问题。因为除了烟雾减光与co特征吸收的耦合外，与基于气体吸收池的探测器不同，光束型火灾探测系统的开放光路特点，更导致直接吸收信号不可避免叠加多源强扰动并导致显著的基线起伏、漂移与畸变，包括但不限于：大气湍流闪烁引起的随机强度起伏、光束漂移及耦合效率变化、反射目标或角锥反射器姿态变化导致的回波能量与波形变化、光学多径干涉条纹（etalon）与散斑效应引起的随波长变化的波浪型基线振荡、器件功率漂移与剩余幅度调制（ram）带来的波形非理想性，以及环境背景光与杂散光的加性变化等。这些扰动既可能在在线吸收区造成伪凹陷/伪增强，也可能在非co吸收区引入与烟雾减光相似的整体凹陷或起伏，从而使得从tdlas直接吸收信号中难以稳定、准确地区分真实烟雾减光与光路扰动畸变，进而难以形成可工程部署的定量减光率输出。
4、因此，面向火灾探测的一氧化碳tdlas应用亟需一种不依赖额外独立烟雾传感光路，而是仅基于一氧化碳tdlas直接吸收波形，在强扰动环境中实现对烟雾减光效应的鲁棒分离估计与定量输出的方法，使该减光率结果能够与co浓度结果共同构成火灾探测的联合判据，并满足嵌入式在线实时计算与工程长期运行的要求。
5、针对长距离开放光路条件下，利用一氧化碳tdlas直接吸收信号，在多源强扰动环境中鲁棒解耦并定量获得火灾烟雾减光率的技术问题，公开文献与专利中直接以该问题为目标并给出实现路径的方案相对有限。现有公开方案中，仅有少数专利明确提出在气体tdlas/wms测量的同时，从光电信号构造烟雾消光量并输出烟雾参数；其余相关方案多以提升气体反演稳定性、补偿颗粒污染对气体测量影响或抑制干涉条纹/噪声为目的，虽与本发明背景相同或相近，但针对的问题需求不同。基于对相关性与潜在影响的评估，现将与本发明最相关或相近的现有技术方案归纳如下。
6、一、气体-烟雾复合探测方案（在气体tdlas信号中构造烟雾消光量），其目的在同一套气体tdlas测量光路中，除输出目标气体浓度外，同时构造与烟雾相关的消光量，并通过标定关系输出烟雾参数，实现气体与烟雾的复合探测。
7、该类方案通常在完成气体浓度反演的同时，利用光电探测器输出信号中与强度相关的波形特征构造消光信号/消光系数。典型实现流程包括：在扫描周期内选取信号特定区段，进行统计量计算与归一化处理，并与无烟雾基准信号作比值得到消光信号；随后建立消光信号与烟雾浓度之间的标定关系，实现烟雾参数输出。
8、该类方案针对环境封闭可控的采样式光路（如多通池）中的气体与烟雾复合测量问题，此类环境信号扰动机理与长距离开放光路不同，难以覆盖开放光路中普遍存在的湍流闪烁、光束漂移与耦合变化、反射回波形变、强背景光变化等扰动，应用边界与本发明目标场景存在差异。如中国专利申请cn118641504a提出的一种基于波长调制光谱的烟雾与甲烷复合探测装置及方法。
9、该类方案通常在单个扫描周期内，仅选取某一小时间窗口（例如最大电压取值区域对应的局部片段）进行统计与归一化，从而构造消光量。对于开放光路中的强扰动（湍流闪烁导致的快速强度起伏、耦合瞬态变化、回波波形突变等），小窗口统计对瞬态波动高度敏感，难以抑制短时强波动，方法并未考虑通过时间冗余平均抑制短时极值与离群扰动对消光估计的影响。
10、该类方案提取烟雾减光率的核心办法是基于局部片段振幅/均值归一化，这种方法对加性干扰敏感，在存在加性背景或加性干扰（如背景光、杂散光、探测器偏置变化）时，强度信号不再满足纯乘性缩放假设，局部统计量与归一化过程会被加性项显著影响，从而导致消光量与真实烟雾减光之间的对应关系失真，且难以在算法层面自动分离与补偿。
11、二、基于wms归一化的气体测量稳健反演方案（抑制强度起伏与非吸收损耗影响），其目的在气体吸收测量中抑制激光强度漂移、探测器增益变化、调制深度变化及非吸收传输损耗变化对谐波特征的影响，实现更稳定的气体浓度反演。
12、该类方案采用wms获取1f、2f等谐波信号，通过谱线拟合或标定输出气体浓度，并常采用一次谐波作为激光功率相关参考量对二次谐波进行归一化（如2f/1f），或采用扣除背景后的谐波信号与归一化特征进行反演，以减弱非吸收损耗与强度起伏对气体测量的影响。如国外专利申请us9939376b2、wo2013096396a1以及中国专利申请cn107063553a。
13、该类方案的核心目的是提升气体浓度反演的稳定性与准确性，烟雾多被视为非吸收损耗或干扰项用于补偿或抑制，并不以独立输出烟雾减光率作为目标，因此缺少将烟雾减光率作为火灾判据量的定义、估计与置信度输出机制。在此类方案中，2f/1f等归一化并未提供从中定量提取烟雾减光率的闭环算法。
14、三、颗粒散射显式项建模并与吸收测量联立求解方案（颗粒环境下气体测量），其旨在于在存在烟雾干扰的环境中，通过显式估计颗粒散射影响项并参与吸收反演，消除或降低颗粒物对红外吸收测量的影响，从而提高气体组分浓度测量的准确性与环境适应性。
15、该类方案通常在红外吸收测量之外，引入颗粒散射相关观测量（例如多波长脉冲照射并在预定散射角度接收散射光信号），由散射信号反演颗粒粒度、浓度等信息，进而得到散射系数或等效散射项，并构建散射系数方程；随后将散射项与红外光谱测量方程组联立求解，或先确定散射项大小再代回吸收方程组，以获得更准确的气体浓度结果。另外，尽管该类方案公开实现通常以散射系数/散射项用于气体补偿为止，但在获得散射系数（及颗粒信息）后，亦可在引入一定颗粒光学参数假设（如折射率、粒径分布及散射/吸收份额关系等）的条件下，进一步推导等效消光系数，从而间接计算烟雾减光率。如中国专利申请cn113588585a和cn113884417a。
16、该类方案为了获得颗粒物相关信息，通常通过多波长脉冲光或多波段光源照射待测区域，并在检测端配置对应的散射光接收结构（例如特定散射角度的光学接收通道及探测器/前端电路），以测得散射光信号并反演散射项或颗粒粒径、浓度等参数。相较于仅依赖单一路径吸收测量链路的方案，这种多波长+多通道散射测量的结构会带来硬件数量增加、光机装调与标定流程复杂化、长期稳定性与维护成本上升，从工程部署角度将显著提高系统成本。
17、该类方案的直接输出多为散射相关量（如散射项/散射系数）或由散射观测反演得到的颗粒粒径与浓度。若要进一步得到沿光路的减光率/消光率，一般需要将散射量转换为减光率，从而不可避免引入对颗粒光学参数的假设，例如颗粒复折射率、粒径分布形态、颗粒形貌等假设。然而上述假设参数在实际火灾场景中往往难以预先准确给定或保持恒定，如油类火烟雾与木材阴燃烟雾光学参数差异显著，从而可能导致由散射系数推导减光率时产生系统偏差，影响减光率结果的通用性与可解释性。
18、四、面向干涉条纹、噪声与多谐波的信号稳健化方案，其旨在于降低wms/tdlas测量中由干涉条纹、噪声、谱形畸变等引起的偏置与不稳定，增强谐波提取与谱线拟合的可靠性。
19、该方案主要针对干涉条纹的去噪/小波类抑制方法；利用多谐波检测、联合拟合或由谐波系数重构传输的处理路线；以及通过双频调制与参数全局寻优提升谐波信噪比与稳定性的方案；同时也存在利用先验统计特征（如幅值离散度）选取高置信区域并加权拟合二次谐波的拟合增强方案。如文献“w.liang, interference fringes suppression forwavelength modulation spectroscopy based on maximal overlap discrete wavelettransformation (modwt), measurement, 2025”以及“a. hangauer et al., multi-harmonic detection in wavelength modulation spectroscopy systems, appliedphysics b, 2013”。
20、此类方案属于对信号质量的提升方法，而非烟雾减光率解耦估计方法，主要用于改善谐波提取与谱线拟合条件，其处理结果无法转化为烟雾减光率。
技术实现思路
1、针对现有技术在长距离开放光路条件下难以在多源强扰动环境中稳定、准确获得烟雾减光信息的不足，本发明的目的在于提供一种面向火灾探测应用的烟雾减光率定量获取方法，能够在同一套co-tdlas收发硬件、同一条开放光路路径上输出可用于火灾判据融合的烟雾减光率估计值，为高大空间早期火灾探测提供与co指标互补的研判信息。
2、本发明提供了一种基于tdlas直接吸收信号的烟雾减光率鲁棒解耦方法，包括：
3、获取各扫描周期的tdlas原始电压采样信号，对所述原始电压采样信号进行预处理和重采样，得到直接吸收信号；
4、根据所采用的吸收线波长以及环境参数确定吸收区边界并生成掩模和非吸收采样点集合，利用所述掩模将吸收区采样点从烟雾减光率估计中剔除，仅保留非吸收采样点集合上的采样点参与后续估计；
5、建立无烟基准信号，所述无烟基准信号表示无烟雾状态下扫描周期的各采样点处的信号强度基准值；
6、构建形态子空间，所述形态子空间用于表征直接吸收信号中结构性形态扰动随相位变化的部分；
7、在覆盖多个连续扫描周期的滚动分析时窗内，利用跨周期时间冗余，对非吸收采样点集合上的采样点建立包含烟雾乘性透射率项、加性背景项和形态子空间项的增广模型，采用带正则的鲁棒回归对所述增广模型进行联合估计，得到烟雾乘性透射率因子估计值；
8、根据所述烟雾乘性透射率因子估计值计算当前光程路径上的烟雾透过率和/或烟雾减光率并输出。
9、可选地，建立无烟基准信号包括：
10、在滚动分析时窗内，对所述非吸收采样点集合上的采样点进行同相位跨周期中值滤波，得到非吸收区基准值；对所述非吸收区基准值进行插值以补齐吸收区位置的基准值，并通过周期延拓得到各扫描周期的无烟基准信号候选值；或，
11、先对各扫描周期在非吸收区的信号进行整体缩放和加性偏置的拟合估计，利用拟合系数对信号进行归一化；再对所有周期进行中值滤波，经插值和周期延拓后得到无烟基准信号候选值；
12、利用所述无烟基准信号候选值建立或更新所述无烟基准信号。
13、可选地，在满足预设更新条件时对所述无烟基准信号进行递推更新；在烟雾期间或估计结果不可信时冻结所述无烟基准信号的更新。
14、可选地，根据所采用的吸收线波长以及环境参数确定吸收区边界并生成掩模和非吸收采样点集合包括：
15、根据所采用的吸收线波长、环境温度和气压上界，基于谱线展宽理论和光谱数据库确定吸收区边界；
16、以吸收线峰值位置为中心，将所述吸收区边界范围内的采样点划定为吸收区，掩模在吸收区取值为0、在非吸收区取值为1，得到掩模和非吸收采样点集合。
17、可选地，构建形态子空间包括：
18、在无烟稳定状态下，对所述非吸收采样点集合上的采样点执行去趋势拟合，消除整体缩放与加性偏置的影响后，构造各扫描周期的形态残差；
19、将多个扫描周期的形态残差堆叠形成残差矩阵，对所述残差矩阵执行主成分分析或奇异值分解，提取若干个主成分作为数据驱动基向量；
20、构造先验形态干扰项，所述先验形态干扰项根据直接吸收信号的形态结构畸变特征预设；
21、将所述数据驱动基向量和所述先验形态干扰项合并，得到形态子空间。
22、可选地，将所述数据驱动基向量和所述先验形态干扰项合并，得到形态子空间包括：
23、对常数项正交处理；
24、对所述无烟基准信号进行去相关处理；
25、对已入库的形态子空间基向量逐一进行正交化处理；
26、归一化处理，并舍弃范数低于预设阈值的退化向量；
27、可选地，所述形态子空间项包括形态子空间基向量、时间基函数和对应系数组合；
28、所述时间基函数包括以下类型中的一者或多者：常数型、线性型、二次型、三次型、以及以分析时窗内局部时间位置为中心的高斯型时间基函数。
29、可选地，在得到烟雾乘性透射率因子估计值之后，所述方法还包括拟合质量评估：
30、计算所述滚动分析时窗内非吸收采样点集合上的残差能量和/或鲁棒离散度；
31、计算残差在相位维度上的结构占比和/或在扫描周期维度上的结构占比；
32、计算形态子空间项系数的范数和/或形态子空间项的解释能量占比；
33、计算烟雾乘性透射率因子估计值的短时稳定性指标；
34、根据上述指标中的一者或多者与对应阈值条件的比较结果，生成可信标记。
35、可选地，所述方法还包括：
36、若所述可信标记为可信，允许输出当前的烟雾透过率和/或烟雾减光率估计值，并允许对所述无烟基准信号和所述形态子空间进行更新；
37、若所述可信标记为不可信，冻结所述无烟基准信号和所述形态子空间的更新，并对当前烟雾减光率输出执行以下策略中的任一种：保持上一次可信输出值、输出空值或无效标志、输出带有不可信标记的估计值。
38、本发明还提供了一种基于tdlas直接吸收信号的烟雾减光率鲁棒解耦系统，用于执行上述任一项所述的基于tdlas直接吸收信号的烟雾减光率鲁棒解耦方法，该系统包括：
39、信号采集与预处理模块，用于获取各扫描周期的tdlas原始电压采样信号并进行预处理和重采样；
40、掩模生成模块，用于根据所采用的吸收线波长以及环境参数确定吸收区边界并生成掩模和非吸收采样点集合；
41、无烟基准信号维护模块，用于建立和维护无烟基准信号；
42、形态子空间构建与维护模块，用于构建和维护形态子空间；
43、联合估计模块，用于在覆盖多个连续扫描周期的滚动分析时窗内，利用跨周期时间冗余，对非吸收采样点集合上的采样点建立包含烟雾乘性透射率项、加性背景项和形态子空间项的增广模型，采用带正则的鲁棒回归对所述增广模型进行联合估计，得到烟雾乘性透射率因子估计值；
44、输出模块，用于根据所述烟雾乘性透射率因子估计值计算并输出烟雾透过率和/或烟雾减光率。
45、本发明提供的方法能够提升烟雾减光率估计在复杂开放光路环境下的鲁棒性与可信度，使其在湍流闪烁、光束漂移与耦合变化、反射回波波形变化、光学干涉条纹与散斑效应、器件功率漂移与剩余幅度调制、以及背景光与杂散光变化等多源扰动与吸收特征叠加条件下仍能保持稳定、可用的定量输出，降低误判与漂移风险。
46、同时能够满足工程在线部署与长期运行需求，使所述烟雾减光率输出具备实时性与可维护性，适用于嵌入式在线运行与高大空间长期连续监测应用，从而降低系统部署与维护复杂度并提升工程可用性。
47、根据下文对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。