前言

作為人工嗅覺技術的代表，電子鼻能提供比較客觀、準確的氣體評價，被應用于工農業生產、醫療衛生、環境監測等領域。但它的性能與人們期待的還有一定的差距，主要原因是電子鼻的氣體傳感系統仍不完善，表現在響應范圍窄、傳感陣列規模小（最多由幾十個傳感器組成）導致其可檢測氣體種類有限，傳感器響應/恢復速度慢、易中毒等。而以復合光為媒介的光吸收氣體傳感技術，其傳感單元不僅滿足電子鼻所要求的交叉敏感性和廣譜響應性，且數量可達數萬甚至數百萬個，遠遠超過現有電子鼻的傳感陣列規模。另外，光傳感還具有響應/恢復速度快、沒有中毒問題等特點。因此，復合光吸收氣體傳感技術在電子鼻氣體傳感方面具有巨大潛能，但目前這方面的研究多數還缺乏深入的理論分析和方案論證。

本書旨在探索面向電子鼻的復合光氣體傳感方法，引入復合光吸收氣體傳感技術以解決常規電子鼻傳感陣列規模小、響應/恢復速度慢的問題。圍繞這一目標，本書從氣體傳感、干擾抑制、系統優化等方面進行介紹，具體內容如下。

1．基于光柵光譜技術的電子鼻氣體傳感方法

針對現有的問題，本書探索將復合光吸收氣體傳感技術引入電子鼻，提出一種基于光柵光譜技術的電子鼻氣體傳感方法。首先根據分子光譜學原理建立氣體傳感模型，然后利用該模型搭建基于光柵光譜技術的電子鼻氣體傳感系統（簡稱“光學電子鼻”）實驗平臺，最后通過測試獲取不同待測氣體的響應數據，并按照電子鼻的信息處理方法對傳感數據進行分析。結果表明，新型氣體傳感方法的傳感時間僅為36s，傳感陣列規模達到1957×1，傳感數據測試集的平均識別率大于96%，這些參數均優于現有電子鼻，驗證了該方法的可行性和有效性。

2．基于空間外差光譜技術的可視化電子鼻氣體傳感方法

在探索將復合光吸收氣體傳感技術引入電子鼻的過程中，普通光柵光譜技術難以兼顧寬光譜和超高光譜分辨率，限制了傳感系統對精細峰狀光譜的探測。因此，本書首次將空間外差光譜技術（其光譜分辨率是普通光柵光譜儀的數十倍甚至上百倍）引入電子鼻，提出基于空間外差光譜技術的可視化電子鼻氣體傳感方法。首先綜合空間外差光譜技術和分子光譜學原理建立了氣體傳感模型，然后利用該模型構建基于空間外差光譜技術的可視化電子鼻氣體傳感系統（簡稱“可視化空間外差光譜電子鼻”），最后選用合適的器材搭建實驗平臺，并利用其對不同濃度NO₂的測試結果驗證了本方法的可行性和有效性。分析發現：該方法達到的光譜分辨率為0.014mm-1，傳感陣列規模為600×1400，明顯改善了現有氣體傳感方法的傳感光譜分辨率（普通光柵光譜技術的光譜分辨率約為1.5mm-1）和陣列規模。

另外，針對可視化空間外差光譜電子鼻的響應圖譜包含多尺度、多方向分布的特點，本書引入小波包變換的圖像特征提取方法。首先通過仿真實驗獲得不同待測氣體的響應圖譜，然后使用特定的方法分別提取響應圖譜的綜合特征，最后對特征數據進行模式識別分析。結果表明：本方法測試集的平均識別率為85%，高于經典方法77%的識別率。

3．光學電子鼻氣體傳感系統的干擾抑制方法

光學電子鼻氣體傳感系統在實測環境中會受到干擾，如環境溫度、氣壓、雜散光、電子噪聲等會造成系統傳感數據質量降低，針對這類問題，本書提出基于最小二乘支持向量機的光學電子鼻干擾抑制方法。該方法使用最小二乘支持向量機擬合標準數據與測試數據之間由各種干擾引起的非線性變換，并從實測數據中獲得氣體傳感數據的最佳估計，達到干擾抑制的目的。與現有方法的對比表明，此方法不僅保留了原始數據的波形、相對極值和寬度等信息，而且使歸一化相關系數提高到了0.99，有效實現了傳感系統的干擾抑制，增強了系統的穩健性。

4．可視化空間外差光譜電子鼻氣體傳感系統優化方法

作為可視化空間外差光譜電子鼻氣體傳感系統的光譜探測模塊，空間外差光譜儀的性能直接決定系統的傳感性能和應用前景。因此，我們分別從算法和硬件的角度對氣體傳感系統進行優化：算法方面，針對雜散光、電子噪聲等造成的干涉圖畸變問題，提出了一種空間外差光譜技術的干涉圖校正方法，使用該方法對實測干涉圖校正后的光譜分辨率誤差小于0.017mm-1，驗證了方法的有效性；硬件方面，考慮到空間外差光譜儀在實際應用中受光柵衍射效率、探測器光強分辨率的限制，提出了一種交互式寬光譜空間外差光譜電子鼻氣體傳感方法，通過交替使用兩組衍射角相同、刻槽密度不同的中階梯光柵，既保證了傳感系統探測光譜的連續性，又將光柵的臨界衍射效率從40%提高到68%，干涉圖的最低襯比度達0.41，有效降低了空間外差光譜技術對光柵、探測器等設備的要求。

本書是作者多年研究的積累，多個科研項目的支持使研究能夠順利進行，在此對支持方表示感謝，感謝國家自然科學基金青年項目（62201510）、國家自然科學基金項目（61801435）、河南省高等學校青年骨干教師培養計劃項目（2020GGJS172）、河南省高校科技創新人才支持計劃項目（22HASTIT020）、河南省科技攻關計劃項目（232102210151、232102220054、222102320191、222102210237）、河南省杰出外籍科學家工作室項目（GZS2022011）、河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（學位與研究生教育）（2021SJGLX247Y）、鄭州航空工業管理學院科研團隊支持計劃專項（23ZHTD01005），以及航空航天電子信息技術河南省協同創新中心、通用航空技術河南省重點實驗室、航空航天智能工程河南省特需急需特色骨干學科（群）的大力支持。

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作者

2023年8月