前言
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。
1．基于光栅光谱技术的电子鼻气体传感方法
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。
2．基于空间外差光谱技术的可视化电子鼻气体传感方法
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。
3．光学电子鼻气体传感系统的干扰抑制方法
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。
4．可视化空间外差光谱电子鼻气体传感系统优化方法
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。
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作者
2023年8月