專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝置，尤其涉及的是一 種提高醫(yī)用氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)的醫(yī)用氣體分析儀是專(zhuān)用于病人呼吸監(jiān)控的一種裝置，尤其在病人病重或手術(shù)前后，例如在ICU重癥監(jiān)護(hù)室中，醫(yī)用氣體分析儀通過(guò)監(jiān)測(cè)病人呼吸中的氣體成份和濃度的變化，可以對(duì)病人的生命體征 做出監(jiān)控?，F(xiàn)有醫(yī)用氣體分析儀中，呼吸氣體的分析測(cè)量信號(hào)的頻譜范圍為0 4Hz,在其它噪聲被抑制的情況下，與信號(hào)同頻帶的噪聲會(huì)成為分析 儀的主要噪聲，這部分噪聲限制了氣體分析儀精度的提高，而且采用硬 件電路濾波方法很難消除。目前在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的氣體濃度分析儀測(cè)量原理， 一般都是基于非 色散紅外光譜分析技術(shù)(NDIR， Non-Dispersive Infrared),即根據(jù)被測(cè)氣體 對(duì)某一波段紅外光的吸收特性，選擇特定波段紅外光通過(guò)氣體樣本，利 用紅外光的衰減量與被測(cè)氣體樣本濃度之間的關(guān)系近似符合Beer-Lambert定律的原理可以監(jiān)測(cè)其成份狀態(tài)。氣體濃度分析儀一般采用熱探 測(cè)器檢測(cè)信號(hào)，探測(cè)器會(huì)受環(huán)境溫度變化、自身熱噪聲等影響，且紅外 光源本身的波動(dòng)也會(huì)引入噪聲，各種噪聲疊加在測(cè)量信號(hào)上后，就會(huì)影 響到測(cè)量精度。對(duì)于吸收系數(shù)較低、測(cè)量信號(hào)較弱的氣體，如N20和氟烷等，因其 信號(hào)弱，噪聲對(duì)其測(cè)量精度就有極大的影響?，F(xiàn)有技術(shù)改善測(cè)量精度的
方法是選擇低噪聲的探測(cè)器，提高紅外光源輸出的穩(wěn)定性，采用硬件濾波方法等，請(qǐng)見(jiàn)專(zhuān)利US4914720、 US6326620公開(kāi)的技術(shù)內(nèi)容。但上述這些現(xiàn)有技術(shù)的方法都只能抑制部分噪聲，對(duì)頻譜與信號(hào)頻 譜同頻帶的噪聲不能有很好的抑制作用，而且過(guò)于追求采用低噪聲的放 大電路、探測(cè)器、低波動(dòng)的紅外光源，會(huì)大大增加電路的復(fù)雜度和硬件 成本。對(duì)于某些對(duì)紅外光吸收特性較弱的氣體，如N20、氟烷等，僅僅通 過(guò)硬件方法降低噪聲并不能達(dá)到測(cè)量精度要求，必須采用軟件濾波。而 傳統(tǒng)的軟件濾波方法對(duì)頻譜與信號(hào)頻鐠同頻帶的噪聲也無(wú)良好的抑制作 用，如平均濾波法、FIR(有限沖擊響應(yīng)濾波)等方法?，F(xiàn)有技術(shù)較復(fù)雜的 濾波方法，如Donoho-Johnstone提出的小波閾值濾波法，但因其復(fù)雜性 及運(yùn)算量大，根本無(wú)法直接應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中，也無(wú)法保證儀器的實(shí) 時(shí)性(運(yùn)算時(shí)間太長(zhǎng))。而醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的氣體濃度監(jiān)測(cè)儀從成本及應(yīng) 用角度考慮，通常采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，因此限制了該方法的實(shí)際應(yīng) 用?，F(xiàn)有技術(shù)中的小波分解理論和實(shí)踐都較為成熟，可參見(jiàn)《數(shù)字信號(hào) 處理-時(shí)域離散隨機(jī)信號(hào)處理》(出版社西安電子科技大學(xué)，作者丁 玉美等，2002年12月第1版)第240-241頁(yè)，但因其運(yùn)算量大，現(xiàn)有的小 波分解尚沒(méi)有被應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的氣體分析儀中。因此，現(xiàn)有技術(shù)存在缺陷，而有待于改進(jìn)和發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝 置，針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)算法的優(yōu)化，能夠采用單片機(jī)實(shí) 現(xiàn)，以易于實(shí)現(xiàn)，降低電路的復(fù)雜性，降低測(cè)量裝置的成本。本發(fā)明的技術(shù)方案包括 一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設(shè)置有多個(gè)紅外濾光片；以及一電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述濾光片輪依預(yù)定頻率 旋轉(zhuǎn)； 一紅外穩(wěn)態(tài)光源，通過(guò)所述紅外濾光片，用于照射一檢測(cè)氣室， 并在所述檢測(cè)氣室后設(shè)置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩(wěn)態(tài)光源的 光線；其中，還包括一單片4幾系統(tǒng)，用于控制所迷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)所述紅外傳感器 接收到的信號(hào)進(jìn)行小波收縮閾值濾波處理，以得到被測(cè)量氣體成份的濃 度。所述的裝置，其中，所述紅外濾光片設(shè)置為4個(gè)，其三個(gè)為測(cè)量濾 光片， 一個(gè)為參考濾光片；所述三個(gè)測(cè)量濾光片用于測(cè)量C02氣體、 N20氣體、麻醉氣體。所述的裝置，其中，所述單片機(jī)系統(tǒng)還控制連接有一三通閥控制電 路，連接控制一電磁三通閥，用于控制進(jìn)入所述檢測(cè)氣室的氣體種類(lèi)。所述的裝置，其中，所述紅外傳感器與所述單片機(jī)系統(tǒng)之間還設(shè)置 有一信號(hào)放大電路。所述的裝置，其中，在所述檢測(cè)氣室的出氣通道上還設(shè)置有一氣 泵，以及一流速檢測(cè)電路，通過(guò)所述單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)抽氣速率的控制，用 于實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入所述檢測(cè)氣室的氣路控制以達(dá)到穩(wěn)定采樣的目的。一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法，用于一單片機(jī)系統(tǒng)中，在對(duì) 從紅外傳感器中獲得的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，包括以下步驟A、 選擇預(yù)定段小波，選定小波階數(shù)，并對(duì)所述紅外傳感器輸入的 信號(hào)進(jìn)行該階數(shù)的小波分解；B、 通過(guò)對(duì)所述紅外傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行一階離散小波變換而得 出閾值；
C、 對(duì)于從l到階數(shù)階小波變換，采用所述閾值對(duì)小波分解后各階系數(shù)進(jìn)行閾值收縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于闞值的分重置令；D、 采用修正后小波系數(shù)進(jìn)行小波重建，獲得濾除噪聲后的信號(hào)。 所述的方法，其中，所迷步驟A中的小波采用Haar小波。 所述的方法，其中，所述單片機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置所述步驟C運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)為最低，以在該單片機(jī)系統(tǒng)空閑的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行小波濾波運(yùn)算。所述的方法，其中，所述步驟C還采用分段小波運(yùn)算方式，即每采樣滿^個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次4*點(diǎn)小波運(yùn)算，r為選定的階數(shù)。所述的方法，其中，所述步驟A中的小波選擇為去除邊界點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)。所述的方法，其中，所述步驟C還包括Cl、對(duì)于一階Haar小波分為低通分解濾波器和高通分解濾波器，采 用信號(hào)與低通濾波器及高通濾波器分別巻積，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到分解后的lt據(jù)，用于小波閾值收縮濾波。 所述的方法，其中，所述步驟C還包括 C2、對(duì)Haar小波提取系數(shù)，將Haar小波變?yōu)檎麛?shù)型； C3、將對(duì)測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)的比值放大若干倍變?yōu)檎麛?shù)，作為小波閾值收縮濾波器的輸入，從而減小其運(yùn)算量。所述的方法，其中，所述階數(shù)在3、 4或5中選擇。 ' 本發(fā)明所提供的一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝置，通過(guò)對(duì)Haar小波分解和小波重建進(jìn)行優(yōu)化，將小波變換中的乘法轉(zhuǎn)換為了加法，降低了運(yùn)算量，使得本發(fā)明方法可應(yīng)用于單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，從而減少了系統(tǒng)的成本，保證了系統(tǒng)運(yùn)算實(shí)時(shí)性。
圖1為本發(fā)明的氣體分析儀測(cè)量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的信號(hào)處理流程示意圖；圖3為本發(fā)明方法的小波閾值收縮濾波流程圖；圖4為本發(fā)明裝置的通用單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明方法及裝置的小波分段運(yùn)算流程圖。其中，圖1中各標(biāo)號(hào)如下l.紅外穩(wěn)態(tài)光源；2.電機(jī)；3.濾光片輪；4. 紅外濾光片；5檢測(cè)氣室；6.紅外傳感器；7.信號(hào)放大處理電路；8.單片 機(jī)系統(tǒng)；9.電磁三通閥；IO.氣泵；ll.電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路；12.三通閥控 制電路；13.流速檢測(cè)電路；14.氣泵控制電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，將對(duì)本發(fā)明的各較佳實(shí)施例進(jìn)行更為詳細(xì)的說(shuō)明。 本發(fā)明的 一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法和裝置，如圖1所示， 該裝置采用了 3個(gè)測(cè)量濾光片和一個(gè)參考濾光片，可得到3個(gè)測(cè)量信號(hào)和 一個(gè)參考信號(hào)；然后采用小波閾值收縮濾波法對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比值進(jìn)行濾波，并采用并行方法實(shí)現(xiàn)小波濾波。
本發(fā)明的該濾波方法如下首先將信號(hào)采用Haar小波分解，得到N階 分解后的小波系數(shù)；然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行一階離散小波變換得到具有自適應(yīng) 特性的噪聲閾值，釆用噪聲閾值對(duì)分解后的各階進(jìn)行閾值收縮濾波；最 后，采用各階濾波后的系數(shù)，運(yùn)用小波重建重建信號(hào)。本發(fā)明方法和裝 置通過(guò)對(duì)Haar小波分解和小波重建進(jìn)行優(yōu)化，將小波變換中的乘法轉(zhuǎn)換 為加法，大大降低了運(yùn)算量，從而使得本發(fā)明方法可應(yīng)用于單片機(jī)或嵌 入式系統(tǒng)。本發(fā)明的氣體濃度分析測(cè)量裝置基本結(jié)構(gòu)包括 一紅外穩(wěn)態(tài)光源1, 以及一電機(jī)2，由電源驅(qū)動(dòng)； 一濾光片輪3，由所述電機(jī)2帶動(dòng)按預(yù)定頻 率旋轉(zhuǎn)；在所述濾光片輪3上設(shè)置有多個(gè)紅外濾光片4，如圖l所示的本
實(shí)施例中為三個(gè)測(cè)量濾光片和一個(gè)參考濾光片，可以依次將從所述紅外 穩(wěn)態(tài)光源l發(fā)出的紅外光線進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的紅外光線將穿過(guò)一檢測(cè)氣室5，然后由在所述檢測(cè)氣室5后的紅外傳感器6接收，并經(jīng)過(guò)一信號(hào) 放大處理電路7進(jìn)行信號(hào)的放大處理，然后經(jīng)過(guò)本發(fā)明的單片機(jī)系統(tǒng)8， 進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理。本發(fā)明單片機(jī)系統(tǒng)還連接控制了 一三通閥控制電 路12， 一氣泵控制電路14， 一流速檢測(cè)電路13,以及一電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電 路ll，通過(guò)所述三通閥控制電路12實(shí)現(xiàn)對(duì)一電^F茲三通閥9的通斷控制， 所述氣泵控制電路用于控制一氣泵IO,所述電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路ll用于對(duì) 所述電機(jī)2進(jìn)行控制，參見(jiàn)圖l所示的氣體濃度分析測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明裝置中的紅外光源1發(fā)出寬光鐠的紅外光照射檢測(cè)氣室5中的被 測(cè)氣體樣本，四個(gè)特別選擇的紅外濾光片4均勻分布地放置在所述濾光 片輪3上，濾光片輪3放置在光源和檢測(cè)氣室之間，由所述電機(jī)2帶動(dòng)以 一定頻率旋轉(zhuǎn)，四個(gè)紅外帶通濾光片的中心波長(zhǎng)分別為C02氣體、N20 氣體、麻醉氣體所對(duì)應(yīng)的吸收波段，其中心波長(zhǎng)分別為4.26nm、 3.90pm 和8.55iim以及對(duì)上述三種氣體皆無(wú)任何吸收的波段(即參考波段)，其 中心波長(zhǎng)為3.7^)Lim。通過(guò)四個(gè)濾光片得到的四個(gè)波段的紅外光中4.26|iim 、 3.90pm和 8.55jam三個(gè)做為測(cè)量波段，3.75lim做為參考波段。測(cè)量波段和參考波段 穿過(guò)檢測(cè)氣室中的被測(cè)氣體后，被紅外傳感器6探測(cè)，分別得到測(cè)量信 號(hào)和參考信號(hào)。其中三個(gè)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度分別隨著被測(cè)氣體中C02、 N20、麻醉氣體濃度變化而變化，參考信號(hào)不隨C02、 N20和麻醉氣體 濃度變化而變化。將測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大處理電路7送入單 片機(jī)系統(tǒng)8進(jìn)行處理，通過(guò)軟件對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的比值進(jìn)行小波 閾值收縮濾波，最后進(jìn)行相應(yīng)的處理得到C02、 N20和麻醉氣體濃度。本發(fā)明所述檢測(cè)氣室5中的氣體由氣泵10從病人呼吸氣體中連續(xù)抽取 小樣本的采樣氣體，并送入所述檢測(cè)氣室5中。在氣體進(jìn)入采樣氣室的
氣路中通過(guò)流速檢測(cè)電路13檢測(cè)實(shí)時(shí)的抽氣速率，并由單片機(jī)系統(tǒng)8通 過(guò)氣泵控制電路14控制氣泵10的抽氣速度，達(dá)到穩(wěn)定采樣氣體抽氣速度 的目的。本發(fā)明利用測(cè)量裝置得到四個(gè)通道的信號(hào)，四個(gè)信號(hào)分別為3.75nm 參考波段信號(hào)、4.26lam測(cè)量波段信號(hào)、3.90pm測(cè)量波段信號(hào)、8.55pm測(cè) 量波段信號(hào)。為了消除光源發(fā)光效率、光路通光效率以及溫度漂移等因 素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，取各測(cè)量波段信號(hào)與參考波段信號(hào)相比作為小波 閾值收縮濾波的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后，得到提高了信噪比的信號(hào)，整 個(gè)信號(hào)處理的流程圖如圖2所述。本發(fā)明方法的測(cè)量信號(hào)經(jīng)硬件檢波、濾波并與參考信號(hào)相比后，得 到待處理信號(hào)，其噪聲的簡(jiǎn)單模型這里n為表示參比值的時(shí)間序列，eW假定為頻傳與信號(hào)頻鐠同頻帶 的噪聲，假定其噪聲水平"為l，此處^n)表示測(cè)量信號(hào)與參考波段信號(hào)的比值，/r")為不包含噪聲的有用信號(hào)，噪聲與信號(hào)為線性疊加。本發(fā)明中去噪聲的目的是抑制信號(hào)V"卩的噪聲部分，并采用抑制噪 聲后的信號(hào)進(jìn)行重建，本發(fā)明的氣體分析儀采用的小波收縮閾值濾波流 程見(jiàn)圖3所示，其步驟如下1、小波分解；首先選擇恰當(dāng)?shù)男〔ǎ瑢?duì)于氣體分析儀，采用Haar小波進(jìn)行小波分 解，因Haar小波的幅值為0.7071，通過(guò)提取公因數(shù)，可將Haar小波轉(zhuǎn)換 為幅度為l的整型。然后選定小波階數(shù)N,第N階小波為長(zhǎng)度為2"的數(shù) 組，第N階小波分解的過(guò)程為將N階小波與信號(hào)s(n)中的長(zhǎng)度為2W的序列 進(jìn)行巻積，由此可見(jiàn)，隨著階數(shù)的增加，運(yùn)算量是以指數(shù)形式遞增的， 因此，實(shí)際上常采用3、 4或5階，如此可適應(yīng)于普通單片機(jī)處理。最后 對(duì)信號(hào)sf"卩進(jìn)行N階小波分解。 對(duì)于一階Haar小波分為低通分解濾波器Lo—D和高通分解濾波器 Hi—D, LO-D和Hi—D為一維數(shù)組，見(jiàn)公式(1)和公式(2)。采用信號(hào)s(n)與低 通濾波器Lo一D及高通濾波器Hi—D分別巻積，即對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，得 到分解后的數(shù)據(jù)，用于小波閾值收縮濾波，其它階數(shù)的小波變換與此類(lèi)似。Lo—D =
(1) Hi—D = [-0.7071 0.7071] (2)2、 闊值的選擇；閾值通過(guò)對(duì)信號(hào)^^進(jìn)行一階離散小波變換而得出，此閾值是對(duì)各階 小波分解后系數(shù)噪聲水平的估計(jì)，此處閾值f采用Donoho-Johnstone提出 的軟閾值/-CT^logCm)這里m為信號(hào)長(zhǎng)度，"為噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差，其值由信號(hào)^")的一階haar 小波變換通過(guò)求中值而得到。3、 閾值收縮濾波；對(duì)于l N階小波變換，采用閾值對(duì)小波分解后各階系數(shù)進(jìn)行閾值收 縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于閾值的分量置零。4、 信號(hào)重建；采用N階閾值收縮濾波后的小波系數(shù)進(jìn)行小波重建，獲得濾除噪聲 后的信號(hào)。信號(hào)重建采用的一階Haar小波為L(zhǎng)o—R =
(3) Hi_R =
(4) 這里L(fēng)o—R為重建低通濾波器，Hi—R為重建高通濾波器。 經(jīng)'J、波閾值收縮濾波后，將濾波后的信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理、轉(zhuǎn)換，得到各測(cè)量信號(hào)對(duì)應(yīng)的氣體濃度信號(hào)。本發(fā)明上述小波分 解以及信號(hào)重建的過(guò)程為現(xiàn)有技術(shù)所公知，因此，不再贅述。
對(duì)于小波鬧值收縮濾波，現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)過(guò)程運(yùn)算量太大，根本無(wú)法 直接應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)，更無(wú)法保證用于氣體分析儀的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明方法中采用的Haar小波為一組互相正交歸一的小波，為最簡(jiǎn)單的正交歸 一小波族，且相對(duì)其它小波族，其計(jì)算簡(jiǎn)單。本發(fā)明方法還對(duì)Haar小波 變換的過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，首先對(duì)Haar小波提取系數(shù)，將Haar小波變?yōu)檎?數(shù)型，即對(duì)公式(1)和公式(2)提取公因數(shù)0.7071， Haar小波即變換為公式 (3)和公式(4);再將對(duì)測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)的比值放大若干倍變?yōu)檎麛?shù)， 如公式(5),作為小波閾值收縮濾波器的輸入，從而將小波閾值收縮濾波 運(yùn)算中的大多數(shù)乘法轉(zhuǎn)換為加法，同時(shí)控制小波分解的階數(shù)，這樣就大 大減小了其運(yùn)算量，從而可以在氣體分析儀等單片機(jī)系統(tǒng)中滿足實(shí)時(shí)性 的要求。Lo—D = 0.707 l[l 1] (5) Hi—D = 0.707 l[-l 1] (6) F(n) = M*Mea(n)/Ref(n) (7) 公式(7)中，Mea(n)為測(cè)量信號(hào)序列，Ref(n)為參考信號(hào)序列，M為放大倍數(shù)， 一般選2000, F(n)為經(jīng)放大后，待處理的小波閾值收縮濾波器的輸入，為整數(shù)。一階小波分解中，對(duì)于公式(5)或(6)與公式(7)的巻積，提取公因數(shù) 0.7071后，可將巻積中的乘法轉(zhuǎn)換為加法；對(duì)于小波重建及其它階小波 變換，有類(lèi)似的處理。本發(fā)明的通用單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖4所示，通過(guò)采用通用單片機(jī) 的定時(shí)及中斷功能，將本發(fā)明的處理流程預(yù)先設(shè)置在該單片機(jī)系統(tǒng)中， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的控制和處理。本發(fā)明方法將小波濾波運(yùn)算的優(yōu)先 級(jí)設(shè)置為最低的任務(wù)，從而可在單片機(jī)空閑的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行小波運(yùn)算，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)控制與小波濾波并行進(jìn)行，因此充分利用了單片機(jī)的運(yùn)算能力， 其程序處理流程圖見(jiàn)圖2所示。 為進(jìn)一步降低小波運(yùn)算量，并避免小波濾波邊界不連續(xù)效應(yīng)，本發(fā)明方法還采用分段小波運(yùn)算方式，即每采樣滿2「?jìng)€(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次4*27、小波 運(yùn)算，其計(jì)算流程如圖5所示，使其運(yùn)算量?jī)H為逐點(diǎn)小波運(yùn)算的1/2 r為 選定的階數(shù)。如圖5中所示，其上層示意的是輸入的數(shù)據(jù)，下層示意的 輸出的數(shù)據(jù)；由于邊界的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)一般都會(huì)有畸變，如采集64 點(diǎn)為一段小波數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，第1點(diǎn)和第64點(diǎn)會(huì)有畸變，因此，假如采集 64點(diǎn)運(yùn)算，本發(fā)明方法則可分段處理，每采集完32個(gè)點(diǎn)，即進(jìn)行一次64 點(diǎn)小波運(yùn)算，例如采集從第17點(diǎn)到第49點(diǎn)的中間一段，如此，只需每32 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次小波濾波運(yùn)算，這樣就進(jìn)一步減小了小波濾波算法的運(yùn)算 量，完全可以適用于單片機(jī)運(yùn)算，并解決了小波邊界效應(yīng)，處理后的波 形顯示更為平滑，信噪比高。本發(fā)明方法將上述處理方法結(jié)合起來(lái)，就在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)了此濾波 方法，并提高了信噪比，保證了氣體分析儀的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明方法將小 波閾值收縮濾波應(yīng)用于氣體分析儀，很好的抑制了頻譜與信號(hào)頻譜同頻 帶的噪聲，提高了氣體分析儀的測(cè)量精度；同時(shí)由于采用分段小波濾波 法，降低了運(yùn)算量，可應(yīng)用于單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，減低了對(duì)硬件電路 濾波和選型的依賴。而且，由于能夠應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)，本發(fā)明方法和 裝置降低了產(chǎn)品成本。本發(fā)明的小波閾值收縮濾波方法及裝置，可有效抑制與信號(hào)同頻帶 的噪聲，提高信噪比，從而大大提高氣體分析儀器精度。本發(fā)明的氣體 分析測(cè)量裝置中，所采用的3個(gè)測(cè)量濾光片和一個(gè)參考濾光片，得到了3 個(gè)測(cè)量信號(hào)和一個(gè)參考信號(hào)，分別用于C02、 N20和一種麻醉氣體的檢 測(cè)，其中麻醉氣體為臨床常用五種麻醉氣體任一種，分別為地氟醚 (Desflurane)、異氟醚(Isoflurane)、氟烷(Halothane)、七氟醚(Sevoflurane) 、氨氟醚(Enflurane)。當(dāng)然也可以適用于其它氣體成份的監(jiān)測(cè)過(guò)程，只 需對(duì)應(yīng)修改設(shè)置不同的濾光片和具體的處理參數(shù)即可。
因此，本發(fā)明方法和裝置，由于采用小波閾值收縮濾波法抑制分析 儀的噪聲，并采用并行方法實(shí)現(xiàn)小波濾波，通過(guò)算法優(yōu)化，本發(fā)明濾波 方法能夠在單片機(jī)中運(yùn)行，提高了算法適用性，并能快速實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)處 理，降低了實(shí)現(xiàn)成本。但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)具體實(shí)施例的描迷較為詳細(xì)，并不能因 此而理解為對(duì)本發(fā)明裝置保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)以 所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設(shè)置有多個(gè)紅外濾光片；以及一電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述濾光片輪依預(yù)定頻率旋轉(zhuǎn)；一紅外穩(wěn)態(tài)光源，通過(guò)所述紅外濾光片，用于照射一檢測(cè)氣室，并在所述檢測(cè)氣室后設(shè)置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩(wěn)態(tài)光源的光線；其特征在于，還包括一單片機(jī)系統(tǒng)，用于控制所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)所述紅外傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行小波收縮閾值濾波處理，以得到被測(cè)量氣體成份的濃度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述紅外濾光片設(shè)置 為4個(gè)，其三個(gè)為測(cè)量濾光片， 一個(gè)為參考濾光片；所述三個(gè)測(cè)量濾光 片用于測(cè)量C02氣體、N20氣體、麻醉氣體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述單片機(jī)系統(tǒng)還控 制連接有一三通閥控制電路，連接控制一電磁三通閥，用于控制進(jìn)入所 述檢測(cè)氣室的氣體種類(lèi)。
4、 根椐權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述紅外傳感器與所 述單片機(jī)系統(tǒng)之間還設(shè)置有一信號(hào)放大電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，在所迷^f企測(cè)氣室的出 氣通道上還設(shè)置有一氣泵，以及一流速檢測(cè)電路，通過(guò)所述單片機(jī)系統(tǒng) 對(duì)抽氣速率的控制，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入所述檢測(cè)氣室的氣路控制以達(dá)到穩(wěn) 定采樣的目的。
6、 一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的方法，用于一單片機(jī)系統(tǒng)中， 在對(duì)從紅外傳感器中獲得的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，包括以下步驟A、選擇預(yù)定段小波，選定小波階數(shù)，并對(duì)所述紅外傳感器輸入的 信號(hào)進(jìn)行該階數(shù)的小波分解； B、 通過(guò)對(duì)所述紅外傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行一階離散小波變換而得 出閾值；C、 對(duì)于從l到階數(shù)階小波變換，采用所述閾值對(duì)小波分解后各階系 數(shù)進(jìn)行閾值收縮濾波，即各階小波大于閾值的分量不變，小于閾值的分 量置零；D、 采用修正后小波系數(shù)進(jìn)行小波重建，獲得濾除噪聲后的信號(hào)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟A中的小波 采用Haar小波。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述單片機(jī)系統(tǒng)中設(shè) 置所述步驟C運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)為最低，以在該單片機(jī)系統(tǒng)空閑的時(shí)間內(nèi)進(jìn) 行小波濾波運(yùn)算。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所迷的方法，其特征在于，所述步驟C還采用分 段小波運(yùn)算方式，即每采樣滿^個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次4*2^、小波運(yùn)算，r為選定 的階數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步驟A中的 'J 、波選擇為去除邊界點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟C還包括 Cl、對(duì)于一階Haar小波分為低通分解濾波器和高通分解濾波器，采用信號(hào)與低通濾波器及高通濾波器分別巻積，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，得 到分解后的數(shù)據(jù)，用于小波閾值收縮濾波。
12、 根椐權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，所述步驟C還包括C2、對(duì)Haar小波提取系數(shù)，將Haar小波變?yōu)檎麛?shù)型； C3、將對(duì)測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)的比值放大若干倍變?yōu)檎麛?shù)，作為小 波閾值收縮濾波器的輸入，從而減小其運(yùn)算量。
13、根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述階數(shù)在3、 4或5中選擇。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高氣體分析儀測(cè)量精度的裝置，其包括一濾光片輪，其上設(shè)置有多個(gè)紅外濾光片；以及一電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述濾光片輪依預(yù)定頻率旋轉(zhuǎn)；一紅外穩(wěn)態(tài)光源，通過(guò)所述紅外濾光片，用于照射一檢測(cè)氣室，并在所述檢測(cè)氣室后設(shè)置一紅外傳感器，用于接收所述紅外穩(wěn)態(tài)光源的光線；一單片機(jī)系統(tǒng)，用于控制所述電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并對(duì)所述紅外傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行小波收縮閾值濾波。本發(fā)明方法和裝置通過(guò)對(duì)Haar小波分解和小波重建進(jìn)行優(yōu)化，將小波變換中的乘法轉(zhuǎn)換為了加法，并同時(shí)采用分段小波濾波法，降低了運(yùn)算量，可應(yīng)用于單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)，并有效降低了氣體分析儀裝置的噪聲信號(hào)，提高了測(cè)量精度，減低了對(duì)硬件電路濾波和選型的依賴。
文檔編號(hào)G01N21/25GK101153840SQ20061006296
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者周慧玲, 武志剛 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司