书名：面向电子鼻的复合光气体传感方法
ISBN：978-7-115-62711-7
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著 张文理 王 毅 陈柯帆
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电子鼻是人工嗅觉技术的代表产品，能对不少气体的种类和浓度进行判决，被用于工农业生产、医疗卫生、环境监测等领域。如何提升判决精度，是目前相关研究人员关注的焦点。
本书旨在探索面向电子鼻的复合光气体传感方法，以解决现有电子鼻传感阵列规模小、响应/恢复速度慢的问题。全书共分6章，第1章和第6章分别为绪论和总结与展望，第2～5章分别介绍了基于光栅光谱技术的电子鼻气体传感方法、基于空间外差光谱技术的可视化电子鼻气体传感方法、光学电子鼻气体传感系统的干扰抑制方法，以及可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统优化方法。
本书论述清晰，图文并茂，适合从事电子鼻传感系统研究的相关读者阅读，也适合作为高校相关专业学生的参考书。
作为人工嗅觉技术的代表，电子鼻能提供比较客观、准确的气体评价，被应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测等领域。但它的性能与人们期待的还有一定的差距，主要原因是电子鼻的气体传感系统仍不完善，表现在响应范围窄、传感阵列规模小（最多由几十个传感器组成）导致其可检测气体种类有限，传感器响应/恢复速度慢、易中毒等。而以复合光为媒介的光吸收气体传感技术，其传感单元不仅满足电子鼻所要求的交叉敏感性和广谱响应性，且数量可达数万甚至数百万个，远远超过现有电子鼻的传感阵列规模。另外，光传感还具有响应/恢复速度快、没有中毒问题等特点。因此，复合光吸收气体传感技术在电子鼻气体传感方面具有巨大潜能，但目前这方面的研究多数还缺乏深入的理论分析和方案论证。
本书旨在探索面向电子鼻的复合光气体传感方法，引入复合光吸收气体传感技术以解决常规电子鼻传感阵列规模小、响应/恢复速度慢的问题。围绕这一目标，本书从气体传感、干扰抑制、系统优化等方面进行介绍，具体内容如下。
针对现有的问题，本书探索将复合光吸收气体传感技术引入电子鼻，提出一种基于光栅光谱技术的电子鼻气体传感方法。首先根据分子光谱学原理建立气体传感模型，然后利用该模型搭建基于光栅光谱技术的电子鼻气体传感系统（简称“光学电子鼻”）实验平台，最后通过测试获取不同待测气体的响应数据，并按照电子鼻的信息处理方法对传感数据进行分析。结果表明，新型气体传感方法的传感时间仅为36s，传感阵列规模达到1957×1，传感数据测试集的平均识别率大于96%，这些参数均优于现有电子鼻，验证了该方法的可行性和有效性。
在探索将复合光吸收气体传感技术引入电子鼻的过程中，普通光栅光谱技术难以兼顾宽光谱和超高光谱分辨率，限制了传感系统对精细峰状光谱的探测。因此，本书首次将空间外差光谱技术（其光谱分辨率是普通光栅光谱仪的数十倍甚至上百倍）引入电子鼻，提出基于空间外差光谱技术的可视化电子鼻气体传感方法。首先综合空间外差光谱技术和分子光谱学原理建立了气体传感模型，然后利用该模型构建基于空间外差光谱技术的可视化电子鼻气体传感系统（简称“可视化空间外差光谱电子鼻”），最后选用合适的器材搭建实验平台，并利用其对不同浓度NO2的测试结果验证了本方法的可行性和有效性。分析发现：该方法达到的光谱分辨率为0.014mm-1，传感阵列规模为600×1400，明显改善了现有气体传感方法的传感光谱分辨率（普通光栅光谱技术的光谱分辨率约为1.5mm-1）和阵列规模。
另外，针对可视化空间外差光谱电子鼻的响应图谱包含多尺度、多方向分布的特点，本书引入小波包变换的图像特征提取方法。首先通过仿真实验获得不同待测气体的响应图谱，然后使用特定的方法分别提取响应图谱的综合特征，最后对特征数据进行模式识别分析。结果表明：本方法测试集的平均识别率为85%，高于经典方法77%的识别率。
光学电子鼻气体传感系统在实测环境中会受到干扰，如环境温度、气压、杂散光、电子噪声等会造成系统传感数据质量降低，针对这类问题，本书提出基于最小二乘支持向量机的光学电子鼻干扰抑制方法。该方法使用最小二乘支持向量机拟合标准数据与测试数据之间由各种干扰引起的非线性变换，并从实测数据中获得气体传感数据的最佳估计，达到干扰抑制的目的。与现有方法的对比表明，此方法不仅保留了原始数据的波形、相对极值和宽度等信息，而且使归一化相关系数提高到了0.99，有效实现了传感系统的干扰抑制，增强了系统的稳健性。
作为可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统的光谱探测模块，空间外差光谱仪的性能直接决定系统的传感性能和应用前景。因此，我们分别从算法和硬件的角度对气体传感系统进行优化：算法方面，针对杂散光、电子噪声等造成的干涉图畸变问题，提出了一种空间外差光谱技术的干涉图校正方法，使用该方法对实测干涉图校正后的光谱分辨率误差小于0.017mm-1，验证了方法的有效性；硬件方面，考虑到空间外差光谱仪在实际应用中受光栅衍射效率、探测器光强分辨率的限制，提出了一种交互式宽光谱空间外差光谱电子鼻气体传感方法，通过交替使用两组衍射角相同、刻槽密度不同的中阶梯光栅，既保证了传感系统探测光谱的连续性，又将光栅的临界衍射效率从40%提高到68%，干涉图的最低衬比度达0.41，有效降低了空间外差光谱技术对光栅、探测器等设备的要求。
本书是作者多年研究的积累，多个科研项目的支持使研究能够顺利进行，在此对支持方表示感谢，感谢国家自然科学基金青年项目（62201510）、国家自然科学基金项目（61801435）、河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（2020GGJS172）、河南省高校科技创新人才支持计划项目（22HASTIT020）、河南省科技攻关计划项目（232102210151、232102220054、222102320191、222102210237）、河南省杰出外籍科学家工作室项目（GZS2022011）、河南省高等教育教学改革研究与实践项目（学位与研究生教育）（2021SJGLX247Y）、郑州航空工业管理学院科研团队支持计划专项（23ZHTD01005），以及航空航天电子信息技术河南省协同创新中心、通用航空技术河南省重点实验室、航空航天智能工程河南省特需急需特色骨干学科（群）的大力支持。
由于作者水平有限，书中难免存在不妥或谬误之处。读者可以将发现的问题反馈给我们，也可以就其他问题发表宝贵意见，我们的邮箱地址为jiahongfei@ptpress.com.cn。
作者
2023年8月
对人类来说，嗅觉是嗅觉系统对某种气体产生感知的一种生理反应，其大致的响应过程如图1.1所示[1]：气味分子进入鼻腔后与嗅觉受体接触，嗅觉受体受到刺激而产生的信号经过嗅觉神经传递至嗅球，在这里大量的气体信息经历筛选、抑制处理后，经由僧帽细胞传至梨状细胞，最后传导至大脑中枢的嗅觉区域，嗅觉中枢根据经验给出判决[2]。由人类嗅觉系统的传感机理可知，在感知气体的过程中，与气味分子直接接触的嗅觉受体起着十分重要的作用，它直接承担着获取气体特征信息的任务。研究发现，人类嗅觉系统中的嗅觉受体既能同时感受多种气体又能对不同的气体表现出不同的灵敏度，即同时具有广泛响应性和交叉敏感性[1]。
图1.1 人类嗅觉系统传感示意
实际生活中，某些气体可以使人类产生强烈的反应，如有人闻到浓郁的花香会剧烈地打喷嚏；有些气体不能使人类嗅觉系统产生响应，如氧气、氮气等，这些气体对人类来说是无味的，人类也就不会有响应。一般来讲，人们对有味的气体关注度更高，经常忽略无味或对人类嗅觉器官刺激较弱的气体，而这些无味或者刺激性较弱的气体往往对人体有巨大的危害。如标准状态下呈无色无味的一氧化碳极易与血液中的血红蛋白结合形成碳氧蛋白，而碳氧蛋白不具有携带氧气的能力，这会使人因缺氧而窒息；又如室内建材挥发的一些气体（如醛、苯类化合物等）具有刺激性，但刺激性小且释放缓慢，人们往往放松对它们的警惕，最终出现头疼、头晕、四肢乏力，甚至免疫力下降、呼吸困难等症状。综上可见，人类嗅觉系统并不是万能的，也存在一些缺陷，例如：
① 不能对所有气体产生响应；
② 嗅觉器官的敏感性存在个体差异，无法形成统一的气体鉴别标准；
③ 对危险气体没有预测、报警能力等。
但是，人类并没有因此切断通过气味认知事物的路径。相反，随着科技的发展，研究人员投入了更大的精力来探索对气体的感知。1982年，英国华威大学的K. Persaud等模仿人类嗅觉系统的结构和机理提出了一种用于气体检测、分析和识别的电子系统[3]，简称人工嗅觉系统，又称电子鼻（electronic nose）。1994年，同样在华威大学工作的J.W. Gardner和P.N. Bartlett给出了电子鼻的具体定义，即电子鼻是由多个性能各异的化学传感器和适当的模式识别系统组成的、能识别单一或复杂气体的装置（An electronic nose is an instrument, which comprises an array of electronic chemical sensors with partial specificity and an appropriate pattern-recognition system, capable of recognizing simple or complex odors）[4]。作为一种仿生嗅觉系统，电子鼻的基本结构包括气体传感阵列、信号预处理单元和模式识别单元[5]。图1.2所示为电子鼻系统与人类嗅觉系统的对比。
图1.2 电子鼻系统与人类嗅觉系统对比
对比电子鼻系统和人类嗅觉系统的传感机理可以发现：电子鼻系统中的气体传感阵列相当于人类嗅觉系统的嗅觉受体，它对气体分子进行吸附和解吸附，并将其转化为电信号；信号预处理单元相当于嗅球，它负责对气体传感阵列产生的电信号进行调制、放大、滤波等；模式识别单元相当于大脑中枢，它对预处理信号进行特征提取和模式分类，并给出对气体的判决结果[1]。
近三十年来，传感技术、电子技术和信息处理技术的不断发展，促进了电子鼻相关技术的快速发展。目前，市场上已经有一些较为成熟的电子鼻产品，如法国Alpha MOS公司的FOX系列、瑞士SMart Nose公司的Smart Nose系列、德国Airsense公司的PEN系列、德国Lennartz Electronic公司的MOSES系列以及美国Electronic Sensor Technology Inc.公司的ZNose系列等，具体信息如表1.1所示[5]。这些产品以其气体检测快速、客观的优势被应用在食品安全[6, 7]、肉质鉴定[8]、医学临床[9, 10]、环境监测[11]、公共安全[12]等领域。
表1.1 目前较为成熟的电子鼻产品[5]
| 产品名称 |
公司名称 |
产品说明 |
|---|---|---|
| FOX5000 |
法国Alpha MOS |
包含温度、湿度传感器，金属氧化物半导体（metal oxide semiconductor，MOS）、导电聚合物（conducting polymers，CP）、石英晶体微天平（quartz crystal microbalance，QCM）传感器的6传感器阵列，与计算机联用 |
| Smart Nose-300 |
瑞士SMart Nose |
基于电子鼻的质谱仪，与计算机联用 |
| PEN3 |
德国Airsense |
使用10个MOS气敏传感器的台式电子鼻，用于检测食品及环境 |
| MOSES Ⅱ |
德国Lennartz Electronic |
便携式模块化电子鼻，包含QCM、MOS、温度、电化学等多种传感器 |
| ZNose 7100 |
美国Electronic Sensor Technology Inc. |
采用12个声表面波（surface acousticwave，SAW）传感器和气相色谱（gas chromatograpy，GC）柱技术合成一体仪器，用于车内、实验室等环境检测 |
| Cyranose 320 |
美国Cyrano Science |
便携式电子鼻，采用32个CP型传感器对样品进行检测和分析 |
| Aromascan |
英国路易发展 |
由32个CP型传感器组成，用于食品、环保监测 |
这些电子鼻产品虽被应用到多个领域，但并没有得到广泛推广，主要原因是承担电子鼻气体传感任务的核心部件——气体传感系统的性能仍不够完善，具体表现在两个方面：
① 常规电子鼻的传感阵列规模较小、响应范围窄，限制了电子鼻可检测气体的种类；
② 构成电子鼻传感阵列的传感器受环境影响大，且存在价格昂贵、响应/恢复速度慢、易中毒等缺陷，影响了电子鼻的检测精度和应用场景范围。
因此，急需寻找一种优良的、稳定的气体传感方法来改善电子鼻的性能，提升电子鼻的应用前景。
就目前来看，可以考虑用复合光吸收气体传感技术承担核心的气体传感任务。具体来讲，在以复合光为媒介的气体传感系统中，选择合适的光谱探测模块，可将输入的复合光分解成大量独立的传感单元，而根据光自身的特性可知，由这些传感单元构成的传感阵列同时具有广泛响应性和交叉敏感性，满足电子鼻对其传感阵列的要求。这种技术的优点如下：
① 传感单元的数量可达数万甚至数百万（光谱分辨单元的个数），规模远远超过现有电子鼻的传感阵列；
② 响应/恢复速度快、不存在中毒问题；
③ 具有较宽的光谱范围，可实现多种类气体同时、在线检测；
④ 光传感无接触的气体检测方式，可对高温度、高湿度、高腐蚀性气体进行检测。
基于上述原因，我们提出面向电子鼻的复合光气体传感方法，以改善现有电子鼻气体传感阵列的性能，拓宽电子鼻的应用前景。
作为电子鼻的核心部件，气敏传感器是一种利用各种化学、物理效应将气体信号按一定规律转换成电信号输出的器件（如图1.3所示），它的性能直接决定着电子鼻的整体性能。因此，气敏传感器要具有良好的交叉敏感性、选择性、可靠性和稳健性，且满足响应快、恢复时间短、重复性好等要求。近年来，随着材料科学的发展和器件制作工艺的提升，气敏传感器的种类更加丰富，传感性能也有了很大的提升。
图1.3 气敏传感器示意图
目前，常用的气敏传感器类型包括金属氧化物、电化学、催化燃烧、光化学、脂涂层、导电聚合物、碳纳米材料和生物等[5]。其中，金属氧化物传感器制作简单、成本低，是目前使用最多的类型之一，但它受环境温度和湿度影响大，输出结果随时间漂移明显[13-16]；电化学传感器灵敏度高、可选择范围广，但使用寿命短、响应范围窄[17, 18]；催化燃烧型传感器具有稳定性好的特点，但易受硫化物和卤素化合物等的影响；光化学传感器灵敏度高、响应范围广，且响应结果可视化，是气体高精度检测的有效手段，但体积大、结构复杂、生产成本较高[19]；脂涂层传感器精度高、质量小、功耗低，但测试范围窄、受环境影响大；导电聚合物传感器稳定性强、易于微型化设计，但存在时间漂移及恢复时间长等问题；碳纳米材料传感器是近年研究的热点，它能定量及定性地对气体进行分析，具有灵敏度高、工作温度低等优点，但恢复时间长、抗干扰能力弱[20, 21]；生物传感器在一定程度上克服了环境因素对传感器性能的影响，但制作难度大、使用寿命短。
总的来看，当前气敏传感器的发展已相对成熟，但商业化产品仍存在诸多问题。另外，过小的阵列规模严重限制了电子鼻的气体检测种类。因此，本书探索新型气体传感方法，力求既能克服气敏传感器响应/恢复时间长的缺陷，又可以缓解现有电子鼻气体传感阵列规模小、响应范围窄、气体检测种类受限的问题。
基于分子光谱学原理的光吸收气体传感技术既可以实现气体的非接触检测，又具有响应速度快、可实时监测和多组同时检测等优点，成为气体检测的重要技术之一[22]。从量子学角度来看，光是由一系列具有不同能量的光子组成，而吸收光谱是指相应的光辐射能量被物质吸收后产生的光谱，其产生的必要条件是光源提供的辐射能量恰好满足该物质分子能级间跃迁所需的能量[21]，其中物质分子的基本能级跃迁如图1.4所示[23]。从图1.4可以看出：① 同一物质可以吸收多种波长的光子所发出的辐射，即具有多条特征谱线；② 不同物质由于分子结构的差异具有不同的特征谱线，体现在物质吸收谱线的分布上。
图1.4 物质分子的基本能级跃迁示意
目前，常规的光吸收气体检测技术均按照上述物质对光的选择吸收特性实现对气体的定性/定量分析。本小节将介绍几种常见的光吸收气体传感技术以探索将其应用于电子鼻的可行性。
① 直接光谱吸收（direct absorption spectroscopy，DAS）。特点是基于气体分子光谱学理论，利用常规的光栅光谱仪记录输入光谱和吸收光谱，对气体的种类和浓度进行分析。优点是响应速度快、结构简单、实用性强、生产成本低，便于集成化设计；缺点是系统的检测灵敏度偏低。直接光谱吸收技术多被应用于大气环境监测、工业及精细化农业生产等领域。
② 傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrum，FTIR spectrum）。特点是利用光的干涉特性代替色散，通过控制动镜的运动距离获得较高的光谱分辨率。优点是具有较大的光通量、较高的灵敏度以及较宽的光谱检测范围等；缺点是系统中存在运动部件，要求设备具有极佳的机械性能，不适合恶劣环境中的气体检测。傅里叶变换红外光谱被广泛应用于实验室环境下的气体、液体、固体化合物等样品的检测与分析[24-26]。
③ 可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）。特点是利用可调谐半导体激光器的窄线宽度及波长可调谐特性，实现对气体分子特定谱线吸收情况的测量，达到对待测气体定性与定量检测的目的。优点是灵敏度极高，可用于痕量气体检测；缺点是其单次可检测的气体种类有限。可调谐半导体激光吸收光谱凭借高灵敏度和高分辨特性，被广泛应用于同位素分析、分子结构研究、医学成像等[27-29]领域。
④ 差分吸收光谱（differential optical absorption spectroscopy，DOAS）。特点是利用气体分子对辐射光的差分吸收特性来反演待测气体的浓度，具体来讲，差分吸收光谱综合考虑瑞利散射、米氏散射以及大气中的其他消光因素，利用完全形式的朗伯-比尔定律对待测气体进行定量分析。优点是具有较宽的光谱响应范围，可实现多类气体同时检测，且具有较高的灵敏度；缺点是它只是更适合对存在瑞利散射和米氏散射的气体进行检测。起初差分吸收光谱多用于大气中多类痕量气体的同时检测[30]，近二十年间该技术出现了多种创新性发展，如multi axis-DOAS[31]、long path-DOAS[32]、mobile mini-DOAS[33]、CE-DOAS[34]以及imaging-DOAS[35]等，这些技术以其优良的性能被应用于烟气气体排放监测、城市道路空气监测等[36, 37]。
⑤ 腔衰荡光谱（cavity ring-down spectroscopy，CRDS）：特点是借助两面高反射率的凹面反射镜构成的光学谐振腔，让光线在腔内经过多次反射，以实现气体的高精度检测[38]。优点是具有极高的检测灵敏度、对光强波动反应不明显，降低了系统对光源的要求；缺点是由于腔衰荡光谱及其改进技术使用窄带激光光源，所以可检测的光谱范围较窄，即可检测的气体种类有限。腔衰荡光谱技术多应用于痕量气体检测或吸收的定量分析等[39, 40]。
综上所述，光吸收气体传感技术具有独特的优势，满足电子鼻对气体传感阵列要具有交叉敏感性和广谱响应性的要求。但现有的光吸收气体传感技术受光谱探测方式、气室结构以及数据处理方法的影响，尽管每种技术都具有独特的性质，可按照电子鼻气体传感方法的实际应用来看，并不是所有的光吸收气体技术都适合直接应用于电子鼻承担气体传感任务。因此，尽管关于将光吸收气体传感技术引入电子鼻的设想已有一些研究，但这些研究大多处于探索阶段[41, 42]，如赵[38]首次提出将复合光吸收气体传感技术引入电子鼻实现气体传感，但其研究仅处于理论论证阶段。基于此，我们在原有工作的基础上，结合光吸收气体传感技术的研究现状开展研究，以期提出面向电子鼻的复合光气体传感方法，以缓解常规电子鼻传感阵列存在的阵列规模小、响应/恢复时间长的问题。
在常见的光吸收气体检测系统中，光栅光谱技术凭借优良的光谱探测性能得到了广泛的应用，但普通的光栅光谱技术存在光谱范围与分辨极限相互制约的缺陷，限制了系统对精细峰状光谱的探测。作为一种新型的干涉式光谱探测技术，空间外差光谱（spatial heterodyne spectroscopy，SHS）具有超高的光谱分辨率，是普通光栅光谱技术的数十倍，且相对于傅立叶变换光谱技术[43]、迈克尔逊干涉技术[44]、法布里-珀罗干涉技术[45]等，其具有无运动部件、对元器件工艺要求低、便于集成化设计和光通量高等优点。因此，将空间外差光谱技术引入电子鼻承担其光谱探测的任务具有巨大的潜能。
1971年，日本科学家T. Dohi和T. Suzuki首次提出了空间外差光谱的概念[46]，但该技术在最初提出的二十年间几乎没有得到任何发展。1991年，美国威斯康星大学的J.M. Harlander在他的博士论文中详细阐述了空间外差光谱技术的基本原理并在实验室条件下构建了第一台空间外差光谱仪样机[47]（如图1.5所示），使这种具有超高光谱分辨率的干涉式光谱探测技术得到了发展。
图1.5 第一台空间外差光谱仪样机
在过去的三十年中，随着研究的深入，人们发现基本型空间外差光谱仪存在一些缺陷，如可探测的光谱范围比较窄，光谱分辨能力受探测器采样点数的限制等，这极大地制约了其应用前景。因此，两种宽光谱空间外差光谱技术应运而生：一种是基于共光路结构的（光谱仪如图1.6所示），基本原理是将闪耀光栅同时作为色散和分光元件，并使用平面反射镜和屋脊反射镜实现三角共光路结构，再通过控制反射镜的旋转角实现中心波数的逐步扫描，进而达到谱段展宽的目的[48, 49, 50]；另一种是使用中阶梯光栅替代基本型空间外差光谱仪中的平面光栅，利用中阶梯光栅在多个衍射级次上具有较高衍射效率的特点，通过多级次差分干涉，实现探测谱段的展宽[51, 52]。
本书首次提出借助宽光谱空间外差光谱技术可在较宽的光谱范围内获得超高的光谱分辨信息的特点，解决光栅光谱技术存在的光谱范围与分辨率相互制约的问题，实现系统对精细峰状光谱的探测。但是，将空间外差光谱技术直接应用于电子鼻实现气体传感还面临诸多问题：如何根据宽光谱空间外差光谱技术的基本原理建立面向电子鼻的超分辨气体传感模型；利用该模型构建的电子鼻气体传感系统能否获得有效的传感信息作为气体定性/定量分析的依据；系统的直接输出为二维图谱，需要寻找新的数据分析方法来提升系统传感数据的处理效率；等等。
图1.6 基于共光路结构的空间外差光谱仪示意
传统的光吸收气体传感技术在应用时需要首先准确获取测试气体的吸收波长及波长对应的强度信息，然后根据吸收波长的分布对气体种类进行判决，再根据吸收波长的强度变化对气体浓度进行计算。因此，在光吸收气体检测系统中，光谱数据的质量将直接影响气体的检测结果。为此，研究人员根据不同的气体光谱采集方法提出了不同的数据处理方法。
① 光栅式气体光谱探测技术。直接输出为一维光谱曲线，针对这类数据，通用的方法是对光谱曲线进行滤波处理。而常规滤波方法包括平滑滤波[53]、Savitzky-Golay滤波[54]（S-G滤波）、傅里叶分析[55]、小波阈值法[56]、自适应迭代加权惩罚最小二乘法（adaptive iteratively reweighted penalized least squares，AirPLS）[38]等。另外，有研究表明对光谱数据进行微分处理可在一定程度上消除背景对目标光谱的影响[57]，而对光谱进行差分处理可降低大气环境中的瑞利散射和米氏散射等[58]对目标光谱带来的负面影响。
② 干涉式气体光谱探测技术。直接输出为二维干涉图，针对这类数据，通常对原始干涉图进行干扰抑制和误差校正[59, 60]，然后对校正后的干涉图进行光谱反演，得到测试气体的一维光谱曲线，再通过光谱曲线的分布和强度变化对气体的种类和浓度进行分析。实际应用中，干涉图的校正手段包括降噪、基线去除[61]、平坦度校正[62]、切趾[63]、相位校正[64]、波长定标、探测器对准校正[65]等。
综上所述，现有的光吸收气体传感技术，无论是以一维光谱曲线为直接输出，还是以二维干涉图为直接输出，为了实现气体的定性/定量分析都需要准确获取包含气体特定物理意义的光谱数据[66]，即需要准确获得气体的吸收波长和波长对应的光强变化，这与电子鼻的信号处理方法截然不同。
在面向电子鼻的复合光气体传感方法中，对测试气体的定性与定量分析均是通过模式识别算法实现的，而用于模式识别的数据则具有传感数据的综合特征，该特征或许并没有实际的物理意义，只需要将测试数据的综合特征与样本的标签数据进行匹配，即可得到气体的定性/定量判决结果[38]。因此，有效获取光谱数据的综合特征是电子鼻数据处理的关键，也是通过模式识别算法对多类气体判决的前提。而现有的针对光谱分析的数据处理方法大多都不是以电子鼻为应用背景，故它们不适合直接应用于电子鼻的数据处理。所以，在面向电子鼻的复合光气体传感方法中，需要根据传感数据的特点提出新的数据处理方法。
模式识别算法在电子鼻系统中起着至关重要的作用，它相当于人的大脑中枢，通过对输入数据的分析达到对不同气体定性或定量识别的目的。一般来说，模式识别算法主要包括线性分类和非线性分类两种，其中线性分类算法包括k-最近邻域（k-nearest neighbor，KNN）、欧氏距离-质心（Euclidean distance to centroids，EDC）、相关系数（correlation coefficient，CC）、最小二乘（least square，LS）、主成分分析（principal component analysis，PCA）、偏最小二乘（partial least square，PLS）等；非线性分类算法包括人工神经网络（artificial neural network，ANN）、反向传播人工神经网络（back-propagation artificial neural network，BPANN）、多层感知机（multilayer perceptron，MLP）、概率神经网络（probabilistic neural network，PNN）等。另外一些常用的模式识别算法包括支持向量机（support vector machine，SVM）、最小二乘支持向量机（least squares support vector machine，LSSVM）等。实际应用中，没有哪一种算法在数据的分类结果上具有绝对的优势，需要根据电子鼻的特点和应用环境进行参数优化或算法融合，实现对气体客观、安全的检测，以提升电子鼻的性能。
由于能够提供较为客观、准确的气体评价，电子鼻被应用于工农业生产、医疗卫生、环境监测等领域，为人们的生活提供了诸多便利。但它的性能与预期还有很大的差距，主要原因：承担电子鼻气体传感任务的传感阵列规模小、响应范围窄、气体检测种类有限；构成电子鼻传感阵列的传感器响应/恢复时间长、易中毒等。为克服电子鼻气体传感阵列的上述缺陷，我们探索将复合光吸收气体传感技术引入电子鼻承担核心的气体传感的任务。但是，在引入过程中还面临着诸多问题，其中，如何建立面向电子鼻的复合光气体传感方法，以获得稳定的能反映气体本质属性的传感数据作为气体定性/定量分析的依据，以及如何对所建气体传感系统进行干扰抑制和优化分析，以增强系统的稳健性，是需要解决的关键问题。围绕以上问题，本书从两种传感方法的论证、传感系统的干扰抑制、光谱探测模块优化三个方面开展论述，具体包含如下4点。
首先，根据分子光谱学原理建立气体传感模型，并按照该模型选用成熟的光栅光谱技术作为光谱探测模块构建出光学电子鼻气体传感系统；然后，选择合适的器材构建实验平台（如高功率宽光谱光源EQ99，高反射率、多径长光程积分球气室，微型光栅光谱仪Maya 2000Pro等），并选用不同浓度的待测气体（常见的室内污染气体如NO2、SO2、C6H6等）对实验平台进行测试；最后，按照电子鼻的信息处理方法对传感数据进行预处理（S-G滤波和主成分分析等）和模式识别，根据新型气体传感方法的阵列规模、传感时间以及测试集的平均识别率来验证本方法的可行性和有效性。
选用成熟的光栅光谱技术作为光谱探测模块，虽然有效改善了电子鼻的传感性能，但该技术受内部结构的限制难以兼具宽光谱和超高光谱分辨率，限制了系统对精细峰状光谱的探测。因此，我们首次将空间外差光谱技术（其光谱分辨率是普通光栅光谱技术的数十倍）引入电子鼻，将其作为光谱探测模块提出基于空间外差光谱技术的电子鼻气体传感方法。首先，根据空间外差光谱技术和分子光谱学原理建立气体传感模型，并利用该模型构建出可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统；然后选用合适的器材构建实验平台，并利用不同浓度NO2对平台的可行性和有效性进行验证。另外，针对可视化空间外差光谱电子鼻的响应图谱具有多方向、多尺度分布的特点，引入小波包变换（wavelet packet transform，WPT）的图像特征提取方法。首先通过仿真实验获得不同待测气体的响应图谱，然后选用本方法和典型的图像特征提取方法［局部二进制模式（local binary patterns，LBP）和灰度共生矩阵（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）］分别获得响应图谱的综合特征，最后对综合特征进行降维和模式识别，根据测试集的平均识别率来验证本方法优越性。
针对光学电子鼻气体传感系统在实测环境中受到干扰，即环境温度、气压、杂散光、电子噪声等造成气体与光的吸收作用被弱化，进而影响传感数据质量的问题，我们在分析这些干扰因素和样本特点后，提出基于最小二乘支持向量机的干扰抑制方法。该方法将HITRAN数据库中测试气体的吸收系数作为标准数据，使用最小二乘支持向量机拟合标准数据与测试数据之间由环境温度、气压、杂散光、电子噪声等因素引起的非线性变换；最后根据拟合得到的非线性变换函数从实测数据中获得气体传感数据的最佳估计，即达到干扰抑制的目的。为验证本方法的有效性和优越性，我们分别选用本方法和经典方法对实测传感数据进行分析，并选择归一化相关系数（normalized correlation coeffient，NCC）作为传感系统干扰抑制效果的评价指标，归一化相关系数越大，则干扰抑制效果越好，对应方法的性能越优越。
作为可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统中的光谱探测模块，空间外差光谱仪的性能直接决定系统的容错能力和应用前景，而空间外差光谱仪在实际应用中会受某些因素的影响，如杂散光、器件表面污染、探测器光强灵敏度、光栅衍射效率等。因此，我们分别从算法和硬件的角度对可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统进行优化：算法方面，针对系统中由光路调节误差、器件表面污染、杂散光、电子噪声、探测器响应不均匀等造成的干涉图畸变问题，提出一种空间外差光谱技术的干涉图校正方法，并通过对实测干涉图进行校正分析以验证该方法的有效性；硬件方面，考虑到宽光谱空间外差光谱仪在实际应用中受中阶梯光栅衍射效率、探测器光强灵敏度的限制，设计一种交互式宽光谱空间外差光谱电子鼻气体传感方法，该方法通过交替使用两组衍射角相同、刻槽密度不同的中阶梯光栅，在保证宽光谱空间外差光谱仪探测光谱连续性的同时，有效提高中阶梯光栅的临界衍射效率和输出干涉图的衬比度，降低空间外差光谱仪对中阶梯光栅和探测器等硬件设备的要求。
基于上述研究内容，我们的主要创新点如下。
① 针对现有电子鼻气体传感阵列存在的阵列规模小、传感器响应/恢复时间长的问题，探索将复合光吸收气体传感技术引入电子鼻，具体提出一种基于光栅光谱技术的电子鼻气体传感方法，使用该方法不仅有效地获取了稳定的、能够反映气体本质属性的传感数据作为气体定性/定量分析的依据，且该方法的传感时间仅为36s，阵列规模达到1957×1，大大突破了现有电子鼻在传感阵列规模和响应/恢复时间等方面的限制。另外，针对光学电子鼻在实际应用中受环境温度、气压、杂散光、电子噪声等造成的干扰问题，引入最小二乘支持向量机法实现光学电子鼻干扰抑制。与现有方法相比，该方法有效缓解了各种干扰对测试数据的影响，保留了原始数据的波形、相对极值和宽度信息等，且校正后同类气体的传感数据表现出良好的一致性，增强了系统的稳健性。
② 为克服普通光栅光谱技术难以兼具宽光谱与超高光谱分辨率，限制气体传感系统对精细峰状光谱的探测问题，我们首次将空间外差光谱技术引入电子鼻，提出一种基于空间外差光谱技术的可视化电子鼻气体传感方法，测试实验验证了该方法的可行性和有效性。另外，根据该方法传感数据具有多尺度、多方向分布的特点，引入了小波包变换的图像特征提取方法，与经典图像特征提取方法相比，该方法在降低数据处理复杂度的同时，有效提高了气体的分类识别率。
③ 为降低环境噪声、器件表面污染、光路调节误差和设备性能参数对可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统的影响，我们分别提出空间外差光谱技术的干涉图校正方法和交互式宽光谱空间外差光谱电子鼻气体传感方法。前者可有效减少空间外差光谱仪中的相关干扰，得到误差最小的反演光谱；后者可有效利用中阶梯光栅的高衍射光谱，提高输出干涉图的衬比度，降低空间外差光谱仪对光栅和探测器等设备的参数要求。
