Deep Learning for Gas Sensing via Infrared Spectroscopy

希特勒 红外光谱学 光谱学 水蒸气 吸收光谱法 化学 吸收(声学) 微量气体 人工智能 计算机科学 材料科学 物理 光学 有机化学 量子力学 复合材料
作者
M. Arshad Zahangir Chowdhury,Matthew A. Oehlschlaeger
出处
期刊:Sensors [MDPI AG]
卷期号:24 (6): 1873-1873
标识
DOI:10.3390/s24061873
摘要

Deep learning methods, a powerful form of artificial intelligence, have been applied in a number of spectroscopy and gas sensing applications. However, the speciation of multi-component gas mixtures from infrared (IR) absorption spectra using deep learning remains to be explored. Here, we propose a one-dimensional deep convolutional neural network gas classification model for the identification of small molecules of interest based on IR absorption spectra in flexible user-defined frequency ranges. The molecules considered include ten that are of interest in the atmosphere or in industrial and environmental processes: water vapor, carbon dioxide, ozone, nitrous oxide, carbon monoxide, methane, nitric oxide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, and ammonia. A simulated dataset of IR absorption spectra for mixtures of these molecules diluted in air was generated and used to train a deep learning model. The model was tested against simulated spectra containing noise and was found to provide speciation predictions with accuracy from 82 to 97%. The internal operation of the model was investigated using class activation maps that illustrate how the model prioritizes spectral information for classification. Finally, the model was demonstrated for the prediction of speciation for two synthetic experimental mixture spectra. The proposed model and the dataset generation strategies are generalized and can be implemented for other gases, different frequency ranges, and spectroscopy types. The multi-component speciation method developed herein is the first application of a convolutional neural network model, trained on HITRAN-based simulations, for spectral identification.

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