CN108827894B - 一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法和装置。本发明装置包括LED、温控模块、光学部件、气路部件、电路部件；电路部件包括光电探测器、LED驱动器、数据采集卡、计算机；光学部件包括平凸透镜、光学谐振腔、高反镜、干涉滤光片；气路部件包括三通气阀、质量流量计、气体过滤器和采样泵。检测方法包括：产生驱动信号；对LED光源进行调制；调制光经过光学谐振腔射出，经光电探测器将光信号转化得到电压信号，由采集卡采集并输入到计算机中；经过软件锁相放大和进行滤波，解调出待测气体的浓度。本发明能够加快运算速度，减小***噪声；提高检测精度、灵敏度和稳定性；且可连续采样，携带方便。
Description
技术领域
本发明属于大气成分检测技术领域，涉及腔衰减相移光谱气体检测，尤其涉及一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法及装置。
背景技术
目前大气污染物的种类很多，根据其存在的状态，可以概括为气态污染物和气溶胶状态污染物。气态污染物的种类多，主要分为5个方面：以SO2为主的含硫化合物、以NO和NO2为主的含氮化合物、碳氢化合物、碳的氧化物和卤素化合物等。大气污染对人体健康有极大危害，人体长期接触低浓度污染物会引起支气管炎、肺癌等，高浓度下会造成急性中毒甚至死亡。大气污染对植物的危害也非常大，高浓度污染下植物会产生急性损害，叶片表面的气孔被损伤，表面出现坏死斑点，光合作用和分泌作用受影响。因此有必要实时准确地检测环境大气中有毒有害气体的浓度。
腔衰减相移光谱技术(CAPS)是将经过调制的宽带非相干光发光二极管(LED)耦合到由两个高反镜形成的光学谐振腔中，光在谐振腔内来回多次反射，从腔***出的光经光电探测器检测，光电探测器将光信号转变为电信号输入到锁相放大器中，腔内若存在与LED光源对应吸收波长的气体，则会引起调制信号的相移变化，且相移大小与气体浓度成正比，由此可以推算出待测气体的浓度值。CAPS方法最初用于测量镜面反射率，随后用于测NO2和气溶胶消光系数。目前国内外对于CAPS技术的实现是通过任意波形发生器和锁相放大器共同构建调制锁相***完成的，但存在的缺陷有：锁相放大器和任意波形发生器体积庞大，使得整套仪器不方便携带。而锁相放大器购买需从海外进口，受相关政策限制较大。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法和装置，能够提高***检出限，运算速度快。
本发明的技术方案是：
一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征在于：软件锁相采用一个通用数据采集卡(以下称“采集卡”)配以软件锁相放大滤波算法，实现任意波形发生器和锁相放大器的功能，以采集卡的模拟输出端口的输出作为信号发生器输出，在锁相放大的基础上采用Savitzky-Golay卷积平滑滤波算法(S-G滤波)，进一步提高***检出限，运算速度快；基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法包括如下步骤：
步骤一、由计算机产生驱动信号驱动采集卡产生电压信号，电压信号加载到LED光源的驱动器，驱动LED光源发射经过调制的光：
采用软件程序开发环境在电脑中产生驱动信号，由采集卡内置的数据采集(dataacquisition，DAQ)DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号，所述电压信号加载到LED光源的驱动器上，用以驱动该LED光源发射经过调制的光；
步骤二、气体吸收及探测；
经过调制的光经过充满待测气体的光学谐振腔，一部分光被待测气体吸收；余下另一部分光携带有待测气体浓度信息，从光学谐振腔中射出，经光电探测器将携带有气体浓度信息的光信号转化成不同吸收系数的电压信号，再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中；
步骤三、软件锁相及解调；
输入到电脑中的电信号，经过软件锁相放大滤波算法(采用Savitzky-Golay卷积平滑滤波算法S-G)，解调出此时光学谐振腔内的气体浓度信息。
进一步地，本发明基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其中：
步骤一中包括：驱动信号的产生，以及驱动信号对LED光源的调制，采集卡在此步骤中具有信号发生器的功能，作为信号发生器；
经调制后入射光强I0(t)表示为式1：
I0(t)＝I0(1+βsin(2πft)) (式1)
式1中，I0是未经调制的光强，β是调制深度，f是调制频率；t是时间。
采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器调制，可用正弦波、方波、三角波等实现，以正弦波为例，加载到LED光源驱动器上的驱动电压V(t)表示为式2：
V(t)＝V0(1+βsin(2πft)) (式2)
其中，V0为电压直流分量，β是调制深度，f是调制频率；t是时间。驱动电压函数由软件生成并通过数据采集卡模拟输出端口输出。
步骤二中，经调制的LED光经光学谐振腔被不同浓度气体吸收或经过空腔透射出谐振腔后，经光电探测器将携带有气体浓度信息的光信号转化成不同吸收系数的电压信号，具体如下：
光经过不含吸收气体的空腔后，透射光强I(t)表示为式3：
其中，
是空腔时入射信号与出射信号的相位差，τ0是空腔时间常数；k0为静态灵敏度，是振幅相关量；I0是未经调制的光强；β是调制深度；f是调制频率；t是时间。
当光学谐振腔内存在吸收气体时，透射光强I(t)表示为式4：
空腔时选择最佳调制频率，使得
(n为整数)，以使得本装置有最佳灵敏度，气体浓度与
呈线性关系，故将
作为气体浓度的衡量。
步骤三中，软件锁相放大滤波算法是将LED调制信号作为第一参考信号，将第一参考信号移相π/2得到第二参考信号，采集卡采集到电脑中的电压信号作为检测信号，利用参考信号(包括第一参考信号和第二参考信号)频率与检测信号频率相关，并与噪声频率不相关的特征，从而从噪声中提取有用信号，即携带待测气体浓度信息的信号。本方法把待测信号中与参考信号同步的信号放大，也就是把交流分量放大并变成相应的直流信号，由软件锁相放大滤波算法输出，作为计算待测气体浓度的数据。
进一步讲，***实际的测量信号表示为式5：
Vs(t)＝x(t)+n(t) (式5)
其中，x(t)是需要检测出来的样品信号，n(t)表示背景噪声；
x(t)表示为式6：
式6中，A为V0k0；
与x(t)同频的第一参考信号Vr(t)表示为式7，第二参考信号与第一参考信号的相位相差π/2，第二参考信号V′r(t)表示为式8：
Vr(t)＝V0(1+βsin(2πft)) (式7)
经过采集卡采集得到的信号是离散时间信号，其与第一参考信号的互相关函数值Rsr(0)、与第二参考信号的互相关函数值R′sr(0)和自相关函数值Rrr(0)分别表示为：
其中，N表示采样点数；i表示第i个采样点。Vs(i)表示采集卡采集到的离散时间信号，Vr(i)表示对应采样点的第一参考信号，V′r(t)表示对应采样点的第二参考信号。
使用上述锁相算法(步骤一～步骤三，式5-式11)可以滤除***噪声，但是由于有很多偶然噪声的存在，单使用锁相算法去噪不足以滤除偶然噪声，因此还需采用S-G滤波，S-G滤波算法相比于巴特沃斯和切比雪夫滤波，其均方差更小，且不会产生相移，不会对测量结果有干扰，使得测量结果更接近真实浓度值，能提高***的检测精度。
样品信号x(t)与第一参考信号Vr(t)的相位差
可表示为：
标定确定浓度的标准气体(包括N2，即浓度为0的标准气体)测得相位差
做出工作曲线，工作曲线为一次线性曲线，软件拟合得到斜率a和截距b，可表示为式13。再测得待测气体的相位差
通过计算机将
带入式13，算出待测气体的浓度值c。
其中，
表示待测气体样品信号与空腔(充满N2)信号的相位差；c表示待测气体浓度；a表示工作曲线的斜率；b表示工作曲线的截距。
一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测装置，其特征在于：包括LED，为LED和光电探测器温控的温控模块，光学部件，气路部件，电路部件；所述光学部件包括平凸透镜、光学谐振腔、高反镜、干涉滤光片；所述气路部件包括三通气阀、两个质量流量计、气体过滤器和采样泵；所述电路部件包括光电探测器、LED驱动器、数据采集卡、电脑。
所述LED和光学部件安装在同一光轴上，光学部件均设置为垂直于光轴。平凸透镜安装在LED与谐振腔之间，使得光斑聚焦在谐振腔中间，另一块平凸透镜安装在谐振腔末端和干涉滤光片之间，光电探测器安装在干涉滤光片之后。平凸透镜、干涉滤光片和光电探测器需安装于严格遮光环境中，使得仅有来自谐振腔的光能通过平凸透镜和干涉滤光片进入光电探测器。
所述其中一个质量流量计与谐振腔两端上部的吹扫气口连接，用于引入N2吹扫高反镜。所述三通气阀分别与标气口、谐振腔进气口和气体过滤器连接，气体过滤器接入采样大气。质量流量计、三通气阀与电脑连接。
所述另一质量流量计与谐振腔出气口和采样泵连接，质量流量计与电脑连接。
所述采集卡与电脑连接，采集卡模拟输出端口与LED驱动器连接，采集卡模拟输入端口与光电探测器连接。
所述LED与LED驱动器连接。所述温控模块包括温度传感器、温控模块基座、温控仪、散热片、半导体制冷片、散热风扇。所述LED和光电探测器置于温控模块基座中，温度传感器***温控模块基座中测量温度，并与温控仪连接，温控模块基座下方设置有半导体制冷片，半导体制冷片下方设置有散热片，所述散热片下方设置有散热风扇。制冷片与温控仪连接，温控仪与电脑连接。散热风扇接电源。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于采用采集卡替代体积庞大的锁相放大器和波形发生器，实现了数据采集、相移计算、驱动波形发生功能，简化***结构，实现仪器小型化、便携化，不仅降低了***成本，还更易于实现***集成，方便现场气体检测使用。锁相算法提高了***检测的精度、灵敏度和稳定性。
2、本发明由于采用质量流量计控制N2吹扫高反镜，延长了高反镜使用寿命，提高整套***使用时间。
3、本发明由于采用气体过滤器，去除进入谐振腔的颗粒物，延长了高反镜的使用寿命，保证高反镜的较高反射率。
4、本发明由于采用温控模块对LED和光电探测器温控，使得LED保持在稳定的温度，提高LED的使用寿命，使得光源稳定，对光电探测器温控，使得电信号稳定，减小了***噪声，提高检测精度、灵敏度和稳定性。
5、本发明由于采用采集卡，无须从国外进口锁相放大器，在国内就能采购所需的所有配件。
6、本发明可针对不同检测气体采用不同波长的光学部件，实现多种气体检测。
7、本发明小巧便携，方便移动检测。
8、本发明可连续采样，携带方便，可实现有效快速在线自动分析。
附图说明
图1是本发明提供的基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测装置的结构示意图；
其中，11—LED；20—为LED和光电探测器温控的温控模块；光学部件包括：12—平凸透镜、133—谐振腔、131—高反镜、132—另一高反镜、14—平凸透镜、15—干涉滤光片；气路部件包括：31—质量流量计(用于控制吹扫气体流量)、321—吹扫进气口、322—另一吹扫进气口、33—三通气阀、34—气体过滤器、37—质量流量计(用于控制进样气体流量)、38—采样泵；电路部件包括：41—光电探测器、42—数据采集卡、43—LED驱动器、44—电脑。
图2是本发明采用的软件锁相算法的流程框图；
其中，421为电脑中产生的LED驱动信号，作为第一参考信号；422为第二参考信息；423和424表示对经采集卡得到的离散时间信号进行互相关计算；425表示S-G滤波算法；426为数据处理模块；427为经光电探测器将光信号转化成电信号得到的样品测量信号。
图3是本发明装置的温控模块部件的结构示意图；
其中，21—温控仪；221—LED温控模块的温度传感器；231—LED温控模块的温控模块基座；241—LED温控模块的半导体制冷片；251—LED温控模块的散热片；261—LED温控模块的散热风扇；222—光电探测器温控模块的温度传感器；232—光电探测器温控模块的温控模块基座；242—光电探测器温控模块的半导体制冷片；252—光电探测器温控模块的散热片；262—光电探测器温控模块的散热风扇。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
如图1所示，本发明实施例中，基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测装置包括LED 11，为LED和光电探测器温控的温控模块20，本发明光学部件包括一平凸透镜12、谐振腔133、一高反镜131、另一高反镜132、一平凸透镜14、一干涉滤光片15；本发明气路部件包括一质量流量计31、一吹扫进气口321、另一吹扫进气口322、一三通气阀33、一气体过滤器34、一质量流量计37、一采样泵38；本发明电路部件包括一光电探测器41、一数据采集卡42、一LED驱动器43、一电脑44。
如图3所示，本发明的温控模块20包括一温控仪21、一LED温控模块和一光电探测器温控模块，LED温控模块包括一温度传感器221、一温控模块基座231、一温控仪21、一散热片251、一半导体制冷片241、一散热风扇261。温度传感器221***温控模块基座231中，温度传感器221与温控仪21连接，温控模块基座231底部设置有一半导体制冷片241，半导体制冷片241热面设置有一散热片251，散热片251另一端设置有一散热风扇261。制冷片241与温控仪21连接，温控仪21与电脑44连接，设置PID调节控制LED 11的温度，散热风扇261配供电电源。光电探测器温控模块包括一温度传感器222、一温控模块基座232、一温控仪21、一散热片252、一半导体制冷片242、一散热风扇262，温度传感器222***温控模块基座232中，温度传感器222与温控仪21连接，温控模块基座232底部设置有一半导体制冷片242，半导体制冷片242热面设置有一散热片252，散热片252另一端设置有一散热风扇262。制冷片242与温控仪21连接，温控仪21与电脑44连接，设置PID调节控制光电探测器41的温度，散热风扇262配供电电源。温控模块基座231、半导体制冷片241、散热片251和散热风扇261用螺丝依次固定构成LED温控模块。温控模块基座232、半导体制冷片242、散热片252和散热风扇262用螺丝依次固定构成光电探测器温控模块。
在本实施例的温控模块中，半导体制冷片241和242为温控模块基座231和232提供低温，散热片251和252和散热风扇261和262使制冷片241和242的热量得以散发，以保证制冷片241和242正常工作。
如图1所示，LED 11、平凸透镜12、高反镜131、高反镜132、平凸透镜14、干涉滤光片15依次安装在同一光轴上，平凸透镜12、高反镜131、高反镜132、平凸透镜14、干涉滤光片15均设置为垂直于光轴。LED 11、平凸透镜12和高反镜131之间的相对距离设置为使得光斑聚焦在谐振腔133中间。平凸透镜14、干涉滤光片15和光电探测器41设置于严格遮光环境中，使得仅有来自谐振腔133的光能通过平凸透镜14和干涉滤光片15进入光电探测器41。
本发明谐振腔133两端分别设置高反镜131和高反镜132，谐振腔133上部有吹扫气入口321和吹扫气入口322，质量流量计31由电脑44设置流量，使得一定流量的N2吹扫气通过321和322吹扫高反镜131和132的表面，对高反镜进行保护。三通气阀33由电脑44控制切换标气和大气，标气或大气通过进气口35进入谐振腔，出气口36与质量流量计37和采样泵38连接，电脑44控制质量流量计37的进气流量。进入谐振腔133的大气经过气体过滤器34过滤颗粒物，保护高反镜131和132，以免影响装置精度。
本发明软件锁相算法流程框图如图2所示，由软件在电脑44中产生驱动信号421，驱动信号421经过采集卡42内置的DAQ驱动模块驱动采集卡42的模拟输出端口产生电压信号，电压信号传送给LED驱动器43，LED驱动器43将电压信号转化成电流信号传送给LED 11，调制后的LED光经过谐振腔，带有待测气体浓度信息的光信号经光电探测器41转化成电信号，再由采集卡42的模拟输入端口采集到电脑44中，由电脑的软件锁相放大滤波算法实现相移计算，解调出气体浓度信息。
进一步地，加载到LED光源驱动器43上的驱动电压421表示为：
Vr(t)＝V0(1+βsin(2πft)) (式7)
驱动电压函数由软件生成并通过数据采集卡42模拟输出端口输出。
LED驱动信号421作为参考信号1，对LED驱动信号421移相π/2，得到参考信号2，即422，表示为：
经光电探测器41将光信号转化成电压信号得到***实际的测量信号427，表示为：
Vs(t)＝x(t)+n(t) (式5)
其中，
是需要检测出来的样品信号，n(t)表示背景噪声。
经过数据采集卡42后得到的信号是离散时间信号，对其进行互相关计算423和424，互相关函数值可以表示为：
使用上述锁相算法(式5-式9)可以滤除***噪声，但是由于有很多偶然噪声的存在，单使用锁相算法去噪不足以滤除偶然噪声，因此还需采用S-G滤波算法425，S-G滤波算法425相比于巴特沃斯和切比雪夫滤波，其均方差更小，且不会产生相移，不会对测量结果有干扰，使得测量结果更接近真实浓度值，能提高***的检测灵敏度。
样品信号427与参考信号421的相位差可表示为：
计算出样品信号427与参考信号421的相位差，标定确定浓度的标准气体(包括N2，即浓度为0的标准气体)测得相位差做出工作曲线，工作曲线为一次线性曲线，软件拟合得到斜率a和截距b，可表示为式13。再测得待测气体的相位差通过计算机将
带入式13，算出待测气体的浓度值c。
其中，表示待测气体样品信号与空腔(充满N2)信号的相位差；c表示待测气体浓度；a表示工作曲线的斜率；b表示工作曲线的截距。
本发明方法的操作步骤如下：
1、标定
打开采样泵38，设置质量流量计37，将三通气阀33切换到标气口通入N2，清洗谐振腔133内残留的其他气体(本处指除N2之外的气体)，使得谐振腔133内充满N2，打开质量流量计31通入N2对高反镜131和132进行吹扫保护。根据所测气体吸收波长选择LED 11和光学部件的波长。LED 11经采集卡42驱动发光，发光稳定后，经过谐振腔133空腔透射出来的光被光电探测器41接收，由软件锁相放大滤波算法解调出空腔时的相位差。将标气口通入的气体换为已知浓度的气体，由计算机的软件锁相放大滤波算法解调出已知浓度气体的相位差，根据浓度和相位差得到工作曲线。
2、检测
打开采样泵38，设置质量流量计37，打开质量流量计31通入N2对高反镜131和132进行吹扫保护，将三通气阀33切换到大气口通入待测大气，待测大气经过气体过滤器34除掉颗粒物后进入谐振腔133。LED 11经采集卡42驱动发光，发光稳定后，经过谐振腔133透射出来的光被光电探测器41接收，由软件锁相放大滤波算法解调出待测气体的相位差，电脑44根据待测气体相位差和工作曲线推算出待测气体浓度，实时显示并记录。
除正常调试维护外，本发明提供的装置可连续不间断工作。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征在于：软件锁相通过数据采集卡和放大滤波算法，实现任意波形发生器和锁相放大器的功能；以数据采集卡的模拟输出端口的输出作为信号发生器输出，进行锁相放大，再进行滤波，进一步提高***检出限，加快运算速度；包括如下步骤：
步骤一、以数据采集卡作为信号发生器，由计算机产生驱动信号；驱动信号对LED光源进行调制，包括：驱动信号驱动采集卡产生电压信号，电压信号加载到LED光源的驱动器，采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器进行调制；驱动LED光源发射经过调制的光；经调制后入射光强I0(t)表示为式1：
I0(t)＝I0(1+βsin(2πft)) (式1)
式1中，I0是未经调制的光强，β是调制深度，f是调制频率；t是时间；
步骤二、气体吸收及探测：经过调制的光经过充满待测气体的光学谐振腔，一部分光被待测气体吸收；余下另一部分光携带有待测气体浓度信息，从光学谐振腔中射出，经光电探测器将光信号转化得到电压信号，由采集卡的模拟输入端口采集并输入到计算机中；
透射出光学谐振腔的光包括被不同浓度气体吸收的携带有待测气体浓度信息的光和经过空腔透射出的光；其中：
光经过不含吸收气体的空腔后的透射光强I(t)表示为式3：
其中，
是光学谐振腔是空腔时入射信号与出射信号的相位差，τ0是空腔时间常数；k0为静态灵敏度，是振幅相关量；I0是未经调制的光强；β是调制深度；f是调制频率；t是时间；
当光学谐振腔内存在吸收气体时的透射光强I(t)表示为式4：
是谐振腔内存在吸收气体时入射信号与出射信号的相位差，τ是时间常数；
步骤三、软件锁相及解调：输入到计算机中的电信号经过软件锁相放大和进行滤波，解调出待测气体的浓度信息；软件锁相放大滤波算法具体执行如下操作：
31)将LED调制信号作为参考信号，包括第一参考信号和第二参考信号；采集卡采集到计算机中的信号作为待测信号；将待测信号中与参考信号同步的信号放大，即把交流分量放大并变成相应的直流信号；
32)利用参考信号频率与检测信号频率相关并与噪声频率不相关的特征，从噪声中提取得到携带待测气体浓度信息的信号；
33)通过锁相算法滤除***噪声，得到实际测量信号；实际测量信号表示为式5：
Vs(t)＝x(t)+n(t) (式5)
其中，x(t)是需要检测出来的样品信号，n(t)表示背景噪声；
x(t)表示为式6：
式6中，A为V0k0；V0为电压直流分量；
与x(t)同频的第一参考信号Vr(t)表示为式7，第二参考信号与第一参考信号的相位相差π/2，第二参考信号V′r(t)表示为式8：
Vr(t)＝V0(1+βsin(2πft)) (式7)
经过采集卡采集得到的信号是离散时间信号，其与第一参考信号的互相关函数值Rsr(0)、与第二参考信号的互相关函数值R′sr(0)和自相关函数值Rrr(0)分别表示为：
其中，N表示采样点数；i表示第i个采样点；Vs(i)表示采集卡采集到的离散时间信号，Vr(i)表示对应采样点的第一参考信号，V′r(i)表示对应采样点的第二参考信号；
34)采用滤波算法滤除偶然噪声，使得测量结果更接近真实浓度值，提高检测精度；执行如下操作：
将样品信号x(t)与第一参考信号Vr(t)的相位差表示为式12：
计算出样品信号与参考信号的相位差，标定确定浓度的标准气体测得相位差得到工作曲线，工作曲线为一次线性曲线，表示为式13：
其中，
表示待测气体样品信号与空腔信号的相位差；c表示待测气体浓度；a表示工作曲线的斜率；b表示工作曲线的截距；
将待测气体的相位差带入工作曲线，即推算出待测气体的浓度值。
2.如权利要求1所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征是，步骤一中，采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器进行调制，包括正弦波、方波、三角波的实现方法。
3.如权利要求2所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征是，采用正弦波实现对LED光源驱动器进行调制，加载到LED光源驱动器上的驱动电压V(t)表示为式2：
V(t)＝V0(1+βsin(2πft)) (式2)
其中，V0为电压直流分量，β是调制深度，f是调制频率；t是时间；生成的驱动电压通过采集卡的模拟输出端口输出。
4.如权利要求1所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征是，步骤二中，当光学谐振腔是空腔时选择最佳调制频率，使得
n为整数，使得灵敏度最佳；
气体浓度与
呈线性关系，将
用于衡量气体浓度。
5.如权利要求1所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征是，步骤34)中，滤波算法采用S-G卷积平滑滤波算法。
6.如权利要求1所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法，其特征是，步骤一中，具体由采集卡内置的数据采集DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号。
7.一种实现权利要求1～6任一项所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法的检测装置，包括LED、用于为LED和光电探测器控制温度的温控模块、光学部件、气路部件、电路部件；
所述光学部件包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、光学谐振腔、高反镜、干涉滤光片；
所述气路部件包括三通气阀、第一质量流量计、第二质量流量计、气体过滤器和采样泵；
所述电路部件包括光电探测器、LED驱动器、数据采集卡、计算机；
所述LED和光学部件安装在同一光轴上，光学部件均设置为垂直于光轴；
第一平凸透镜安装在LED与光学谐振腔之间，使得光斑聚焦在光学谐振腔的中间；
第二平凸透镜安装在谐振腔末端和干涉滤光片之间；光电探测器安装在干涉滤光片之后；
平凸透镜、干涉滤光片和光电探测器均安装于严格遮光环境中，使得仅有来自谐振腔的光能通过平凸透镜和干涉滤光片进入光电探测器；
第一质量流量计与谐振腔两端上部的吹扫气口连接，用于引入N2吹扫高反镜；
三通气阀分别与标气口、谐振腔进气口和气体过滤器连接；气体过滤器接入采样大气；第一质量流量计、三通气阀均与计算机连接；
第二质量流量计与谐振腔出气口和采样泵连接；第二质量流量计与计算机相连接；
数据采集卡与计算机相连接，数据采集卡模拟输出端口与LED驱动器连接，数据采集卡模拟输入端口与光电探测器连接；
LED与LED驱动器连接。
8.如权利要求7所述的检测装置，其特征是，所述温控模块包括温度传感器、温控模块基座、温控仪、散热片、半导体制冷片、散热风扇；
LED和光电探测器置于温控模块基座中；温度传感器***温控模块基座中，并与温控仪连接，用于测量温度；温控模块基座下方设置半导体制冷片；半导体制冷片下方设置散热片；散热片下方设置散热风扇；制冷片与温控仪连接，温控仪与电脑连接。
9.如权利要求8所述的检测装置，其特征是，散热风扇接电源。
10.如权利要求7所述的检测装置，其特征是，所述检测装置工作时，包括标定过程和检测过程；
标定过程执行如下操作：
打开采样泵；
设置第二质量流量计，将三通气阀切换到标气口通入N2，清洗谐振腔内残留的气体；
打开第一质量流量计，通入N2对高反镜进行吹扫保护；
根据待测气体的吸收波长选择LED和光学部件的波长；LED经数据采集卡驱动发光；
发光稳定后，经过谐振腔的空腔透射出来的光被光电探测器接收，由计算机通过软件锁相放大滤波算法解调出空腔时的相位差；
将标气口通入的气体换为已知浓度的气体，由计算机通过软件锁相放大滤波算法解调出已知浓度气体的相位差，根据浓度和相位差得到工作曲线；
检测过程执行如下操作：
打开采样泵；设置第二质量流量计；
打开第一质量流量计，通入N2对高反镜131和132进行吹扫保护；
将三通气阀切换到大气口通入待测大气，待测大气经过气体过滤器除掉颗粒物；然后进入谐振腔；
LED经采集卡驱动发光；
发光稳定后，经过谐振腔透射出来的光被光电探测器接收，由计算机采用软件锁相放大滤波算法解调出待测气体的相位差，在根据待测气体相位差和工作曲线推算出待测气体浓度；
实时显示并记录；
由此实现基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体的检测。
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