基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種熒光光譜數(shù)據(jù)的降噪處理算法，能有效濾除光譜數(shù)據(jù)中隨機(jī)干 擾，提高其儀器測(cè)量精度。
【背景技術(shù)】：
[0002] 光譜分析作為現(xiàn)代分析測(cè)試中最為常見(jiàn)的一種技術(shù)手段，能夠以教小的樣品損耗 提供較全面的物質(zhì)特征信息，因而在冶金礦業(yè)、地質(zhì)地貌、工業(yè)機(jī)械、石油化工、醫(yī)藥安全、 衛(wèi)生質(zhì)檢等領(lǐng)域中一直發(fā)揮著重要作用。
[0003] 在光譜測(cè)量中，由于外界干擾和儀器本身噪聲等因素的影響，測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)中 在不同程度上含有隨機(jī)噪聲，噪聲會(huì)在引起譜圖的抖動(dòng)、毛刺的出現(xiàn)，將影響譜圖的特征分 析，增加了后續(xù)分析和檢測(cè)的誤差。
[0004] 通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理可降低噪聲、提高信噪比，是光譜分析 中常用的預(yù)處理方法。為了消除或減弱干擾的影響，提高曲線的平滑度，需對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行 平滑處理。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，以處理效果穩(wěn)定性和誤差大小為依據(jù)，給 出了濾波的最佳模板，處理后避免出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)等異常數(shù)據(jù)，能有效提高光譜數(shù)據(jù)的計(jì) 算精度。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，將分段擬合數(shù) 據(jù)處理算法運(yùn)用到熒光光譜的數(shù)據(jù)處理中，并對(duì)光譜曲線進(jìn)行分段擬合時(shí)做多次迭代運(yùn) 算，包括以下過(guò)程：實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)；確立極值點(diǎn)；以單調(diào)區(qū)間劃分?jǐn)M合區(qū)域；分段擬合數(shù)據(jù) 濾波；輸出處理后的數(shù)據(jù)；
[0008] 具體步驟如下：
[0009] (1)處理原始實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟：將采集到的光譜數(shù)據(jù)通過(guò)取點(diǎn)X1附近等間距 的Wl個(gè)點(diǎn)，用II 1表示X i左邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，用n r表示X ;右邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，X i+1-Xi= Δ X為 均勻間距；
[0010] (2)對(duì)生成的序列進(jìn)行計(jì)算處理的步驟：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的求導(dǎo)得出極值點(diǎn)，劃分出 單調(diào)區(qū)間，用于分段擬合區(qū)域；
[0011] (3)對(duì)處理后的序列處理的步驟：多項(xiàng)式在X1的值，就給出了它的光滑數(shù)值 gl(gie G)，因此
[0012]
[0013] 由于x1+1-Xl= Λχ的均勻間距，設(shè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)SypP1(X)表示相對(duì)于點(diǎn)X1的一個(gè)M 次多項(xiàng)式，用它在最小二乘意義下擬合這ni+r^+l個(gè)點(diǎn)，為了使用P1 (X)擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，必須 定義系數(shù)bk，使得下式達(dá)到最優(yōu)，
[0014]
[0015] P1(X)即為擬合后的光譜曲線。
[0016] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的迭代運(yùn)算次數(shù)為2-4次。
[0017] 進(jìn)一步的，本發(fā)明分段擬合區(qū)域的處理數(shù)據(jù)區(qū)域段的選取以光譜曲線的單調(diào)區(qū)域 為段選取依據(jù)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述方法通過(guò)分段擬合的光譜數(shù)據(jù)可過(guò)濾掉隨機(jī) 干擾數(shù)據(jù)，保證輸出光譜曲線光滑，原有曲線特性不變。通過(guò)設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，以處理效果 穩(wěn)定性和誤差大小為依據(jù)，給出了濾波的最佳模板，處理后避免出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)等異常數(shù) 據(jù)，能有效提高光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】：
[0019] 圖1 :本發(fā)明數(shù)據(jù)處理方法流程圖；
[0020] 圖2 :模擬光譜數(shù)據(jù)與分段擬合處理對(duì)比圖；
[0021] 圖3 :理想信號(hào)與分段擬合處理對(duì)比圖；
[0022] 圖4 :分段擬合處理誤差圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0023] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述。
[0024] 本實(shí)施例是一種光譜數(shù)據(jù)過(guò)程平滑處理方法。所述方法的思路如下：
[0025] 將采集到的原始光譜數(shù)據(jù)假定為離散的隨機(jī)信號(hào)，由于隨機(jī)干擾的存在，使得隨 機(jī)信號(hào)繪成的過(guò)程多呈鋸齒狀，表明采樣數(shù)據(jù)具有非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程特性。為了消除或減弱 干擾的影響，需對(duì)原光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。平滑的原則是既要消除數(shù)據(jù)中的干擾成分，又 要保持原有曲線特性不變。
[0026] 參見(jiàn)附圖1，本實(shí)施例所述方法的具體步驟如下：
[0027] 處理原始實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟：將采集到的光譜數(shù)據(jù)通過(guò)取點(diǎn)X1附近等間距的 Wl個(gè)點(diǎn)，用II1表示Xi左邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，用n r表示Xi右邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，X ^1-X1= Δ X為均勾 間距。
[0028] 對(duì)生成的序列進(jìn)行計(jì)算處理的步驟：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的求導(dǎo)得出極值點(diǎn)，劃分出單調(diào) 區(qū)間，用于分段擬合區(qū)域。
[0029] 對(duì)處理后的序列處理的步驟：多項(xiàng)式在X1的值，就給出了它的光滑數(shù)值 gifeeG)。因此
[0030]
[0031] 由于x1+1-Xl= Λχ的均勻間距，設(shè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)SypP1(X)表示相對(duì)于點(diǎn)X1的一個(gè)M 次多項(xiàng)式，用它在最小二乘意義下擬合這ni+r^+l個(gè)點(diǎn)。為了使用P1(X)擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，必 須定義系數(shù)bk，使得下式達(dá)到最優(yōu)。
[0032]
[0033] P1(X)即為擬合后的光譜曲線。并且我們可以對(duì)光譜曲線進(jìn)行多次平滑，分段擬合 次數(shù)為2-4次?？筛鶕?jù)實(shí)際資料及具體需求調(diào)試確定，其原則是在保持原有基本形態(tài)不變 的基礎(chǔ)上，盡量消除過(guò)程中的干擾成分?？梢匀《啻芜M(jìn)行比較，以獲得最佳的平滑效果。
[0034] 表1為采用基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法處理后的光譜數(shù)據(jù)的對(duì)比。
[0035] 表1濾波數(shù)據(jù)采樣對(duì)比
[0036]
[0037] 由表1我們可以計(jì)算出分段擬合數(shù)據(jù)處理算法處理后的光譜數(shù)據(jù)的平均誤差 J=0.0 264,均方根誤差 S = 0.0345。
[0038] 本發(fā)明運(yùn)用了 MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以Sin(X)函數(shù)模擬無(wú)噪聲理想收入光譜曲 線，在理想信號(hào)中加入高斯白噪聲，運(yùn)用分段擬合算法進(jìn)行濾波處理。
[0039] 仿真結(jié)果如圖2, 3,4所示：
[0040] 圖2為模擬光譜數(shù)據(jù)與分段擬合曲線的對(duì)比圖，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)分段擬合算法 可以很好的對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。
[0041] 圖3為理想信號(hào)與分段擬合處理對(duì)比圖，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)分段擬合算法擬合的 曲線與理想曲線大體契合，能很好的對(duì)理想光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。
[0042] 圖4為分段擬合處理誤差圖，通過(guò)此圖可以很直觀的看出分段擬合處理與理想數(shù) 據(jù)之間的誤差。
[0043] 應(yīng)當(dāng)明確的是，上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解 和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易的對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把 在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這 里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修飾都應(yīng)該在 本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，其特征在于：將分 段擬合數(shù)據(jù)處理算法運(yùn)用到熒光光譜的數(shù)據(jù)處理中，并對(duì)光譜曲線進(jìn)行分段擬合時(shí)做多次 迭代運(yùn)算，包括以下過(guò)程：實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)；確立極值點(diǎn)；以單調(diào)區(qū)間劃分?jǐn)M合區(qū)域；分段擬 合數(shù)據(jù)濾波；輸出處理后的數(shù)據(jù)； 具體步驟如下： (1) 處理原始實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟：將采集到的光譜數(shù)據(jù)通過(guò)取點(diǎn)X1附近等間距的 Wl個(gè)點(diǎn)，用II1表示Xi左邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，用nr表示X1右邊點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Xw-Xi=AX為均勾 間距； (2) 對(duì)生成的序列進(jìn)行計(jì)算處理的步驟：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的求導(dǎo)得出極值點(diǎn)，劃分出單調(diào) 區(qū)間，用于分段擬合區(qū)域； (3) 對(duì)處理后的序列處理的步驟：多項(xiàng)式在X1的值，就給出了它的光滑數(shù)值 gl( glG G)，因此由于Xw-Xi= A X的均勾間距，設(shè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為y ^Pi(X)表示相對(duì)于點(diǎn)Xi的一個(gè)M次多 項(xiàng)式，用它在最小二乘意義下擬合這ni+r^+l個(gè)點(diǎn)，為了使用P1 (X)擬合測(cè)試數(shù)據(jù)，必須定義 系數(shù)bk，使得下式達(dá)到最優(yōu)，P1OO即為擬合后的光譜曲線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法， 其特征在于：其中迭代運(yùn)算次數(shù)為2-4次。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法， 其特征在于：分段擬合區(qū)域的處理數(shù)據(jù)區(qū)域段的選取以光譜曲線的單調(diào)區(qū)域?yàn)槎芜x取依 據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種基于分段擬合數(shù)據(jù)處理算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，將分段擬合數(shù)據(jù)處理算法運(yùn)用到熒光光譜的數(shù)據(jù)處理中，并對(duì)光譜曲線進(jìn)行分段擬合時(shí)做多次迭代運(yùn)算，濾掉光譜數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾，使最終的光譜曲線還原其曲線特性，包括以下過(guò)程：實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)；確立極值點(diǎn)；以單調(diào)區(qū)間劃分?jǐn)M合區(qū)域；分段擬合數(shù)據(jù)濾波；輸出處理后的數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明所述方法處理的光譜數(shù)據(jù)后可消除由于噪聲影響而出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，能有效提高光譜儀測(cè)量精度，為以光譜數(shù)據(jù)為依據(jù)的測(cè)量和檢測(cè)提供保障。
【IPC分類】G06F17/50, G01N21/64
【公開(kāi)號(hào)】CN105138800
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510610969
【發(fā)明人】孫杰, 吳海強(qiáng), 鄭龍洋
【申請(qǐng)人】天津理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月17日