技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于cvafs法測(cè)量火電廠煙氣汞濃度的信號(hào)處理方法，屬于信號(hào)處理
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：：汞作為一種劇毒的痕量重金屬元素，在環(huán)境污染中顯示出的潛在持久危害性越來越受到國內(nèi)外的重視。2011年，我國環(huán)保部發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(gb13223-2011)將汞納入了控制范疇，規(guī)定燃煤電廠汞及其化合物最大排放量為0.05mg/m3，2015年又將此標(biāo)準(zhǔn)提高到0.03mg/m3。雖然目前我國限制新建燃煤電廠，但其仍然是我國發(fā)電主力，所以對(duì)燃煤電廠汞污染物排放的監(jiān)測(cè)與控制顯得尤為重要。目前對(duì)煙氣汞濃度的監(jiān)測(cè)主要采用在線連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)hg-cem，而在該系統(tǒng)中主要通過冷蒸氣原子吸收光譜法(cvaas)和冷蒸氣原子熒光光譜法(cvafs)來測(cè)定煙氣中汞的濃度。其中cvafs是最常用的方法，它是一種特定的基態(tài)原子因吸收特定波長(zhǎng)的輻射而被激發(fā)，激發(fā)態(tài)原子在去激發(fā)過程中以光輻射的形式發(fā)射出特征波長(zhǎng)的熒光，通過檢測(cè)器測(cè)定原子發(fā)出的熒光強(qiáng)度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)元素濃度測(cè)定的痕量分析方法。相對(duì)于cvaas，cvafs具有靈敏度更高、線性范圍更廣、檢出限更低、光譜干擾更小、設(shè)備更簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前國外主流汞在線監(jiān)測(cè)儀器有tekran和thermoscientific，其設(shè)備價(jià)格十分昂貴，相關(guān)技術(shù)保密。而國內(nèi)煙氣汞在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究起步較晚，不夠成熟，可靠性和準(zhǔn)確性都有待提高。為了制造出適應(yīng)我國燃煤電廠運(yùn)行特點(diǎn)、測(cè)量精度高、價(jià)格低廉和具有我國獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汞形態(tài)/濃度在線監(jiān)測(cè)儀器。本發(fā)明從汞分析儀的輸出電壓信號(hào)入手，針對(duì)含有噪聲的電壓信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理，從而保證最終獲得的汞濃度值準(zhǔn)確可靠。汞分析儀測(cè)定煙氣汞濃度的基本原理為，汞冷蒸氣在光源的照射下被激發(fā)，被激發(fā)后的汞原子返回到基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出熒光，該熒光強(qiáng)度通過光電倍增管來檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)汞濃度。因此，要保證測(cè)定的濃度準(zhǔn)確性及精確性，必須要對(duì)光電倍增管及其相關(guān)電路的特性及其噪聲進(jìn)行分析。郭從良等在分析光電倍增管總體噪聲的基礎(chǔ)上建立了光子噪聲、光陰極噪聲、二次發(fā)射噪聲、打拿極串噪聲和整體噪聲的數(shù)學(xué)模型，為光電倍增管的去噪分析和相關(guān)匹配電路的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。針對(duì)上述噪聲，目前主要采取如下步驟來降低該噪聲，首先規(guī)范光電倍增管的設(shè)計(jì)制造以及工作條件，其次設(shè)計(jì)一系列電路來對(duì)光電倍增管輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行硬件濾波，其最終處理得到的信號(hào)較為理想。通過對(duì)上述方法分析，其并未涉及軟件濾波，而且在硬件電路的設(shè)計(jì)上相對(duì)復(fù)雜繁瑣。本發(fā)明將多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波方法應(yīng)用于該非線性系統(tǒng)中，為汞分析儀的信號(hào)處理提供新方法和新思路。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理之前首先要獲得相應(yīng)的狀態(tài)空間方程，而目前常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楦咚剐?，通過將此模型與實(shí)際曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)該模型的誤差較大，這勢(shì)必會(huì)影響最終的濾波效果。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在的問題，提供一種基于cvafs法測(cè)量火電廠煙氣汞濃度的信號(hào)處理方法，采用多模型卡爾曼濾波算法來進(jìn)行濾波處理，從而保證最終獲得的汞濃度值準(zhǔn)確可靠。上述的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：基于cvafs法測(cè)量火電廠煙氣汞濃度的信號(hào)處理方法，該方法包括：汞分析儀輸出電壓信號(hào)的獲?。浑妷盒盘?hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理；電壓曲線進(jìn)行分段多項(xiàng)式擬合；針對(duì)擬合出的多項(xiàng)式建立對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程；對(duì)于含噪信號(hào)進(jìn)行多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波處理。進(jìn)一步地，所述汞分析儀輸出電壓信號(hào)的獲取來自于用于檢測(cè)痕量汞所產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度的光電倍增管的硬件濾波處理后的輸出電壓信號(hào)。進(jìn)一步地，所述電壓信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理包括如下步驟：s11、從獲取的幾個(gè)波峰中，隨機(jī)找一個(gè)峰，在滿足香農(nóng)采樣定理的前提下，獲取電壓樣本值；s12、根據(jù)獲取的電壓樣本值繪制出對(duì)應(yīng)的電壓曲線。進(jìn)一步地，所述電壓曲線分段多項(xiàng)式擬合包括如下步驟：s21、根據(jù)電壓曲線的特性，對(duì)電壓曲線進(jìn)行分段處理，分界點(diǎn)為峰值處，將峰分為上升峰和下降峰；s22、針對(duì)上升峰和下降峰分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合的階數(shù)從1到6，通過對(duì)擬合曲線函數(shù)的復(fù)雜度及擬合精度二者綜合考慮，確定恰當(dāng)?shù)碾A數(shù)，其中多項(xiàng)式擬合方法通過matlab中polyfit函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，用均方根誤差rmse和平均絕對(duì)誤差mae來檢驗(yàn)整體的擬合效果，rmse和mae的表達(dá)式如下：其中，n為樣本個(gè)數(shù)，yi為第i個(gè)擬合后的電壓值，為第i個(gè)樣本電壓真實(shí)值。進(jìn)一步地，所述建立系統(tǒng)狀態(tài)空間方程包括如下步驟：s31、根據(jù)擬合的多項(xiàng)式，確定狀態(tài)空間方程中的狀態(tài)量、狀態(tài)矩陣、觀測(cè)量和觀測(cè)矩陣；s32、通過對(duì)汞分析儀進(jìn)行分析，確定電壓信號(hào)中噪聲的特性，從而在電壓信號(hào)中添加此類噪聲。進(jìn)一步地，所述多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波具體是針對(duì)所建立的兩個(gè)狀態(tài)空間方程，采用兩個(gè)原理相同的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，通過均方根誤差rmse和平均絕對(duì)誤差mae來檢驗(yàn)整體的濾波效果，rmse和mae的表達(dá)式如下：其中，n為樣本個(gè)數(shù)，zi為第i個(gè)濾波處理后的電壓值。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1.適用于機(jī)理模型難以確定的系統(tǒng)；2.分段多項(xiàng)式擬合的效果不僅高于整體多項(xiàng)式擬合，而且還高于現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?.分段多項(xiàng)式擬合不僅簡(jiǎn)單，而且任意階導(dǎo)數(shù)可求，與擴(kuò)展卡爾曼濾波的切合度高，不會(huì)出現(xiàn)在求取觀測(cè)矩陣時(shí)其雅可比矩陣不存在的問題；4.相比于慣性濾波，把多模型擴(kuò)展卡爾曼應(yīng)用于汞分析儀信號(hào)處理中，其濾波效果更好。5.相對(duì)于常規(guī)的硬件濾波方法，在滿足一定濾波要求的條件下，本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟件濾波方法更簡(jiǎn)單，更方便，更容易實(shí)施。附圖說明圖1來自于tekran2600mercuryanalysissystem中tekranmercurydatasystem中給出的某時(shí)段監(jiān)測(cè)燃煤電廠煙氣中汞含量時(shí)產(chǎn)生的處理后的波峰圖；圖2為本發(fā)明電壓波峰在matlab中的仿真曲線；圖3為本發(fā)明的分段多項(xiàng)式與整體多項(xiàng)式、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合效果對(duì)比圖；圖4為本發(fā)明的多模型卡爾曼濾波的流程圖；圖5為本發(fā)明的多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波對(duì)含噪電壓信號(hào)的濾波效果圖；圖6為本發(fā)明的慣性濾波對(duì)含噪電壓信號(hào)的濾波效果圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解下述具體實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下面通過結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。一種基于cvafs法測(cè)量火電廠煙氣汞濃度的信號(hào)處理方法，包括汞分析儀輸出電壓信號(hào)的獲取；電壓信號(hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理；電壓曲線進(jìn)行分段多項(xiàng)式擬合；針對(duì)擬合出的多項(xiàng)式建立對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程；對(duì)于含噪信號(hào)進(jìn)行多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波處理。實(shí)施例1：所述汞分析儀電壓信號(hào)來自于tekran2600mercuryanalysissystem中tekranmercurydatasystem中給出的某時(shí)段監(jiān)測(cè)燃煤電廠煙氣中汞含量時(shí)汞分析儀產(chǎn)生的硬件濾波處理后的波峰，如圖1所示。進(jìn)一步地，所述電壓信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理包括如下步驟：s11、從獲取的幾個(gè)波峰中，隨機(jī)找一個(gè)峰，本發(fā)明取第二個(gè)峰，在滿足香農(nóng)采樣定理的前提下，獲取23組電壓值；s12、將獲取的23組電壓值導(dǎo)入matlab中，繪制出如圖3所示的電壓峰曲線。進(jìn)一步地，所述電壓曲線分段多項(xiàng)式擬合包括如下步驟：s21、根據(jù)電壓曲線的特性，對(duì)電壓曲線進(jìn)行分段處理，分隔點(diǎn)為峰值處，這樣將峰分為上升峰和下降峰；s22、針對(duì)上升峰和下降峰分別進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合的階數(shù)從1到6，通過對(duì)擬合曲線函數(shù)的復(fù)雜度及擬合精度二者綜合考慮，確定恰當(dāng)?shù)碾A數(shù)。其中多項(xiàng)式擬合方法通過matlab中polyfit函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明確定的上升峰和下降峰的擬合多項(xiàng)式的階數(shù)均為4階，記上升峰和下降峰擬合多項(xiàng)式分別為ya和yb，具體表達(dá)式為：ya＝a1x4+a2x3+a3x2+a4x+a5yb＝b1x4+b2x3+b3x2+b4x+b5分段多項(xiàng)式擬合效果圖如圖4所示，分段多項(xiàng)式與整體多項(xiàng)式、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合的均方根誤差rmse和平均絕對(duì)誤差mae如表1所示。表1擬合效果誤差對(duì)比擬合效果衡量標(biāo)準(zhǔn)分段擬合整體擬合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛂mse0.74301.43478.2549mae0.54471.02534.7585從表1可以看出：相對(duì)于整體擬合和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分段擬合的rmse和mae最小，即擬合效果最好。進(jìn)一步地，所述建立系統(tǒng)狀態(tài)空間方程包括如下步驟：s31、根據(jù)擬合的多項(xiàng)式，確定狀態(tài)空間方程中的狀態(tài)量、狀態(tài)矩陣、觀測(cè)量和觀測(cè)矩陣。其中狀態(tài)量分別為xa＝[a1,a2,a3,a4,a5]t，xb＝[b1,b2,b3,b4,b5]t；狀態(tài)矩陣φ分別為：觀測(cè)量分別為za＝a1x4+a2x3+a3x2+a4x+a5，zb＝b1x4+b2x3+b3x2+b4x+b5；觀測(cè)矩陣分別為：s32、通過對(duì)汞分析儀進(jìn)行分析，確定電壓信號(hào)中噪聲的特性，確定系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲，從而在電壓信號(hào)中添加此類噪聲。針對(duì)觀測(cè)噪聲，根據(jù)郭從良等建立的光電倍增管相關(guān)噪聲的數(shù)學(xué)模型，可以把汞分析儀電壓信號(hào)中存在的噪聲近似為高斯白噪聲。本發(fā)明在matlab仿真中添加的是方差為5的高斯白噪聲。而由于一旦熒光被檢測(cè)到，其狀態(tài)就已經(jīng)確定，且理論模型不會(huì)隨時(shí)間變化，所以此處系統(tǒng)噪聲為0。通過上述兩個(gè)步驟，最終獲得的兩個(gè)狀態(tài)空間方程為：(1)上升峰系統(tǒng)方程為：觀測(cè)方程為：za(k)＝a1(k)x4+a2(k)x3+a3(k)x2+a4(k)x+a5(k)+v(k)，(2)下降峰系統(tǒng)方程為：觀測(cè)方程為：zb(k)＝b1(k)x4+b2(k)x3+b3(k)x2+b4(k)x+b5(k)+v(k)，其中w為0，v為均值為0，方差為5的高斯白噪聲。進(jìn)一步地，所述多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波具體是針對(duì)所建立的兩個(gè)狀態(tài)空間方程，采用兩個(gè)原理相同的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波處理，具體濾波流程如圖4所示，該圖中n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)，為了充分體現(xiàn)濾波效果，本采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)取200個(gè)，其中上升峰為50個(gè)，下降峰為150個(gè)。上升峰擴(kuò)展卡爾曼濾波的循環(huán)次數(shù)為6000，下降峰擴(kuò)展卡爾曼濾波的循環(huán)次數(shù)為5000。多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波效果圖如圖6所示。為了驗(yàn)證本發(fā)明算法的優(yōu)越性，對(duì)含有相同噪聲的電壓信號(hào)進(jìn)行慣性濾波處理，慣性濾波系數(shù)為0.5，其濾波效果圖如圖6所示。多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波與慣性濾波后的均方根誤差rmse和平均絕對(duì)誤差mae如表2所示。表2濾波效果對(duì)比濾波效果衡量標(biāo)準(zhǔn)多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波慣性濾波rmse0.75021.8308mae0.60561.4633從表2可以看出：基于分段多項(xiàng)式模型的多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波后的rmse和mae均小于慣性濾波，說明基于分段多項(xiàng)式模型的多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波效果更好。當(dāng)前第1頁12