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CN108168697B - 一种光谱仪降噪和波长标定方法 - Google Patents

一种光谱仪降噪和波长标定方法 Download PDF

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CN108168697B CN201611112932.0A CN201611112932A CN108168697B CN 108168697 B CN108168697 B CN 108168697B CN 201611112932 A CN201611112932 A CN 201611112932A CN 108168697 B CN108168697 B CN 108168697B
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姚志湘
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Zhongjian Yixing Yuan Technology (Beijing) Co.,Ltd.
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Csepat Beijing Technology Co ltd
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Abstract

本发明公布了一种光谱仪降噪和波长标定方法，采用调整横坐标，将谱线的频率调整至适应统一的移动窗口尺寸f值，滤波后再将坐标恢复或者标定至统一值，解决了程序设计复杂问题，不用划分区间，减低运算成本，还能同时得到统一波长的光谱输出。

Description

一种光谱仪降噪和波长标定方法
技术领域
本发明公布了一种光谱仪降噪和波长标定方法，特别适用于光谱仪降噪和波长标定。
技术背景
阵列式光谱仪，由于采用了阵列感光方式，具有体积紧凑、测量效率高等许多优点，近年来得到迅速发展和普及。信号降噪一直是测量中的重要问题，目前的阵列式光谱仪信噪比通常低于傅里叶光谱仪，对于数字降噪技术有很大的需求。从降噪效果上看，SG(Savitzky-Golay滤波器)降噪是一种效果显著方法，但是对于频域分布宽的信号，会出现较大失真。现有的改进方法，采用的是辨识各个区域后，再采用不同SG窗口尺寸与适应的方式，在信号处理和计算上都相对复杂。
另外，阵列式感光元件的放置在每台光谱仪中不可能严格一致，目前采用标准光谱标定波长的方式确定阵列中每一感光点的波长，每台仪器所输出的波长不统一，影响了仪器的标准化，在后续模型传递中还需重新处理，也增加了维护的工作量。
Savitzky-Golay滤波器，该方法是由Savitzky和Golay于1964年提出的采用低通滤波实现降噪的方法，特点在于直接处理时域数据，而不是像通常的滤波器先在频域中定义特性后再转换到时域，可以通过预先设定好的数据集，直接对信号作卷积计算完成降噪，计算量小，处理速度快。SG滤波器的设计参数有两个，即用于拟合的多项式阶数k和移动窗口的尺寸f。多项式阶数k越高，处理的信号细节越丰富；移动窗口尺寸f越大，降噪强度越大，同时可能引起的失真也越大。对通常光谱，k值确定为2或3，然后调整f大小来适应不同的形态的光谱。但是全范围的光谱形态差异较大，比如拉曼光谱，采用固定f值导致的结果是尖锐和平缓的谱线无法同时满足，或者尖锐谱线失真，或者平缓谱线降噪程度不足。现有的改进方法，通过辨识出峰的尖锐度(频率)，划分光谱，定义不同的f值，解决f值的适应性。其缺点是程序设计复杂，区间过渡不平滑。
发明内容
本发明采用调整横坐标，将谱线的频率调整至适应统一的f值，滤波后再将坐标恢复或者标定至统一值，解决了程序设计复杂问题，不用划分区间，减低运算成本，还能同时得到统一波长的光谱输出。
计算步骤包括以下内容：
1.对原始光谱S逐点连续累加，得到积分光谱IS；
2.以IS的系列值作为S各点的横坐标，重新插值，得到的新的序列SR；
3.对SR作SG滤波，消除噪声后的SR记为SR1；
4.以IS对S的原始横坐标作插值，将SR1的横坐标重新映射回原始横坐标。
计算步骤注意事项包括以下内容：
1.如果S中有小于等于零的元素，为了保证IS的单调上升属性，可采用加上一个常数的方式，使得S的所有元素大于等于零；
2.如果IS的最大值(终点)非常大，在第2步插值时，可调整插值步长，使得SR的元素数量保持在S的元素数量的5倍之内，以控制计算时间，节约计算成本；
3.步骤4是步骤2的逆运算，在这一步中，设定插值的起点、终点和设定步长，实现统一波长的信号输出，即可同时实现光谱降噪和波长的一致性标定。
附图说明
图1是不含噪声的原始信号添加噪声后的结果图；
图2是积分图；
图3是5000点插值变换后的信号图；
图4是滤波后的结果图；
图5是完成降噪和横坐标标定结果图；
图6是本发明降噪结果与直接SG滤波结果的细节对比图；
图7是CCl4降噪处理后的结果图；
图8是光谱局部放大效果图。
实施案例
例1对不同峰宽的高斯峰组合添加噪声后的信号降噪。
1.对需要降噪的信号求取积分，如图2所示；
2.以原横坐标对应的积分值作为横坐标，被降噪信号强度值为纵坐标，重新作5000点插值，变换后的信号如图3；
3.变换后的信号作SG滤波，结果如图4；
4.将滤波后的变换信号，重新按照原始横坐标插值，完成降噪和横坐标标定，结果如图5；
图6是本发明降噪结果与直接SG滤波结果的细节对比，本发明的失真程度明显减小。样本中加入的噪声强度为5.00×10-3，采用最优降噪结果与真实不含噪声原始信号进行对比，本发明的残差方差为1.92×10-3，直接SG降噪的最小残差方差为2.44×10-3，表明与直接SG滤波相比，降噪效果改善明显。
例2CCl4拉曼光谱的降噪和波长标定
图7是CCl4降噪处理后的结果，图8是光谱局部放大效果。由图可以看出，光谱细节得到很好保持，同时谱线平滑，降噪效果良好，波数位置重新标定至0.1波数的规整递进。

Claims (2)

1.一种光谱仪降噪和波长标定方法，其特征在于，采用调整横坐标，将谱线的频率调整至适应统一的f值，所述f值为SG滤波器移动窗口的尺寸，滤波后再将坐标恢复或者标定至统一值，其具体计算步骤包括以下内容：
1)对原始光谱S逐点连续累加，得到积分光谱IS；
2)以S的横坐标对应的IS值作为横坐标，重新插值，得到的新的序列SR；
3)对SR作SG滤波，消除噪声后的SR记为SR1；
4)将滤波后的变换信号SR1，以IS对S的原始横坐标作插值，将SR1的横坐标重新映射回原始横坐标。
2.根据权利要求1所述的一种光谱仪降噪和波长标定方法，其特征在于，其计算步骤注意事项包括以下内容：
1)如果S中有小于等于零的元素，为了保证IS的单调上升属性，可采用加上一个常数的方式，使得S的所有元素大于等于零；
2)如果IS的最大值即终点非常大，在第2步插值时，可调整插值步长，使得SR的元素数量保持在S的元素数量的5倍之内，以控制计算时间，节约计算成本；
3)步骤4是步骤2的逆运算，在这一步中，设定插值的起点、终点和设定步长，实现统一波长的信号输出，即可同时实现光谱降噪和波长的一致性标定。
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