CN105911046B - 一种基于频数分布原理的滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频数分布原理的滤波方法，其包括以下步骤：采集N组拉曼光谱求其峰值强度存入数组I_x；将I_x分为M个区间；按照分区对数组I_x进行分组，统计各区间频数；求出频数最大区间K，并求该区间中值I_xm(K)；设定最大偏差A，若第N+1组拉曼光谱峰值强度在区间[I_xm(K)‑A,I_xm(K)+A]内，该拉曼光谱有效，进行预处理存入寄存器，否则无效，舍弃，数组I_x长度固定，每新采集一组拉曼光谱求其峰值强度放入队列尾，扔掉原队列首一个数据，保持N个数据最新，寄存器内有效拉曼光谱达到L组后进行叠加。本发明滤波效果明显，实时性好，可有效排除瞬态噪声干扰，提高拉曼散射水温遥测系统抗干扰性和测量精度。

Description

一种基于频数分布原理的滤波方法

技术领域

本发明属于海洋监测领域，具体地说是一种适用于拉曼散射海水温度激光遥感测量系统的基于频数分布原理的滤波方法。

背景技术

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。由于蓝绿激光在水中良好的透射性，用于海水水下温度的遥感测量可以快速获取其水平和垂直分布，具有浮标等定点站位测量和微波辐射或红外辐射等表面温度测量方式不可比拟的优点。目前国内外很多研究人员对拉曼散射海水温度激光遥感测量技术进行了广泛深入的研究，但是海水拉曼散射受波浪、外界光线、水下悬浮物质、CDOM荧光散射等因素影响信号强度波动大，导致水温测量误差较大。虽然现有根据海水拉曼光谱反演海水温度的方法中已经采用光谱强度归一化的方式降低拉曼光谱信号强度波动对水温测量结果的影响，如2015年“Applied Optics”第54卷第10期发表的“Ultimate sensing resolution ofwater temperature by remote Raman spectroscopy”和2001年“Journal of the KoreanPhysical Society”第38卷第6期发表的“LIDAR measurement of water temperature byusing frequency-shifted Raman scattering”。但是该方法尚不能很好地消除所述外界瞬态噪声干扰信号对水温测量精度的影响，严重限制了拉曼散射海水温度激光遥感测量技术的实际应用。迄今为止，尚未见针对拉曼光谱受瞬态噪声干扰信号强度波动的相关滤波算法报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对水的拉曼散射光谱受噪声干扰信号强度波动大的问题，提供一种方法简单、合理，实现方便，滤波效果明显，能够有效排除外界噪声信号干扰，提高拉曼散射海水温度激光遥感测量系统的实时测温精度的基于频数分布原理的滤波方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于频数分布原理的滤波方法，其特征是：其包括以下步骤：

步骤(1)：连续采集多组拉曼光谱数据I₁(λ)、I₂(λ)……，分别求得各组光谱的峰值强度I_imax，把连续N个I_imax值看成一个队列，存入数组I_x；

I_x(i)＝[I_1max I_2max … I_Nmax],i＝1,2,…N

步骤(2)：将数组I_x划分为M个区间，根据数组I_x中数据的最大值I_xmax和最小值I_xmin来确定分区间距ΔI_x；

第j个分区区间的中间值表示为：

I_xm(j)＝I_xmin-0.5ΔI_x+j·ΔI_x,j＝1,2,…M

步骤(3)：按照分区对数组Ix中的元素进行分组，若I_x(i)属于指定第j个区间，则函数γ_j[I_x(i)]值为1，否则函数γ_j[I_x(i)]值为0，即：

统计各分区区间的频数F_j；

步骤(4)：根据上述频数分布统计结果求出频数最大值F_max所处的区间编号K，并求得该区间对应的中间值I_xm(K)，作为第N+1组拉曼光谱筛选的参照值；

步骤(5)：设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为A，若第N+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足I_xm(K)-A＜I_(N+1)max＜I_xm(K)+A，则认为这一组拉曼光谱有效，进行光谱预处理后存入寄存器用于拉曼光谱叠加，否则认为这一组拉曼光谱无效，光谱数据舍弃，数组I_x的长度固定为N，每采集一组新的拉曼光谱数据并求得其对应的峰值强度I_imax后都放在队列尾部，并扔掉原来队列首部的一个峰值强度数据，保持这N个数据始终是最近的数据，当寄存器内有效拉曼光谱数据达到L组以后，将L组预处理后的拉曼光谱进行叠加。

根据本发明，将L组拉曼光谱叠加后的结果用于光谱特征值提取，进而将光谱特征值用于物质结构及成分鉴别、材料特性分析等，例如可根据所述滤波叠加后的拉曼光谱提取光谱特征值，进而根据光谱特征值计算海水盐度或温度。本发明所述一种基于频数分布原理的滤波方法具有实现方便，滤波效果明显，实时性好的优点，可有效排除瞬态噪声信号的干扰，提高拉曼散射海水温度激光遥感测量系统的抗干扰性和水温测量精度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是拉曼光谱峰值强度的频数分布原理示意图。

图2是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为500时，灯光长时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果。

图3是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为500时，灯光短时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果。

图4是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为200时，灯光长时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果。

图5是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为200时，灯光短时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果。

具体实施方式

本发明一种基于频数分布原理的滤波方法，其包括以下具体步骤：

步骤(1)：连续采集多组拉曼光谱数据I₁(λ)、I₂(λ)……，分别求得各组光谱的峰值强度I_imax，把连续N个I_imax值看成一个队列，存入数组I_x；

I_x(i)＝[I_1max I_2max … I_Nmax],i＝1,2,…N (1)

式(1)中I_x(i)是数组I_x的第i个元素。

步骤(2)：将数组I_x划分为M个区间，根据数组I_x中数据的最大值I_xmax和最小值I_xmin来确定分区间距ΔI_x；

式(2)中I_xmax是输入数组I_x中的最大强度值，I_xmin是数组I_x中的最小强度值，每个区间的中间值可以表示为：

I_xm(j)＝I_xmin-0.5ΔI_x+j·ΔI_x,j＝1,2,…M (3)

式(3)中I_xm(j)是第j个区间的中间值。

步骤(3)：按照分区对数组I_x中的每个元素进行分组，若I_x(i)属于指定第j个区间，则函数γ_j[I_x(i)]值为1，否则函数γ_j[I_x(i)]值为0，即

式(4)中γ_j[I_x(i)]反映数组I_x中第i个元素是否属于第j个分区的情况。统计各分区区间的频数F_j；

式(5)中F_j是数组I_x中每个元素在第j个分区区间的频数。频数分布统计结果如图1所示，直接反映拉曼光谱峰值强度的变化情况。

步骤(4)根据所述频数分布统计结果求出频数最大值F_max所处的区间编号K，并求得该区间对应的中间值I_xm(K)，作为第N+1组拉曼光谱筛选的参照值。

步骤(5)设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为A，若第N+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足I_xm(K)-A＜I_(N+1)max＜I_xm(K)+A，则认为这一组拉曼光谱有效，进行光谱预处理后存入寄存器用于拉曼光谱叠加，否则认为这一组拉曼光谱无效，光谱数据舍弃，数组I_x的长度固定为N，每采集一组新的拉曼光谱数据并求得其对应的峰值强度I_imax后都放在队列尾部，并扔掉原来队列首部的一个峰值强度数据，保持这N个数据始终是最近的数据，当寄存器内有效拉曼光谱数据达到L组以后，将L组预处理后的拉曼光谱进行叠加。

根据本发明，将L组拉曼光谱叠加后的结果用于光谱特征值提取，进而将光谱特征值用于物质结构及成分鉴别、材料特性分析等，例如可根据所述滤波叠加后的拉曼光谱提取光谱特征值，进而根据光谱特征值计算海水盐度或温度。本发明所述一种基于频数分布原理的滤波方法具有实现方便，滤波效果明显，实时性好的优点，可有效排除瞬态噪声信号的干扰，提高拉曼散射海水温度激光遥感测量系统的抗干扰性和水温测量精度。

为了验证所述一种基于频数分布原理的滤波方法的抗干扰能力，在实验室采用灯光扰动的方式进行了测试。测试中首先实时采集20组拉曼光谱，求得其对应的光强极大值I_imax，存入数组I_x。然后将I_x中20个元素分为4个区间，统计拉曼光强在各个区间的分布，以频数最高的一个区间K的中间值I_xm(K)作为下一组拉曼光谱筛选的参照值。当设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值A＝500时，若第21组拉曼光谱的峰值强度满足I_xm(K)-500＜I_21max＜I_xm(K)+500，则认为这一组拉曼光谱有效，进行预处理后存入寄存器用于拉曼光谱叠加；否则认为这一组拉曼光谱无效，舍弃该组拉曼光谱。数组I_x的长度固定为20，每次采集到一组新的拉曼光谱并求得其对应的峰值强度I_imax后都放在队列尾部，并扔掉原来队列首部的一个峰值强度数据，保持这20个数据始终是最新的数据。最后，当寄存器内有效拉曼光谱数据达到5组以后，将5组预处理后的拉曼光谱进行叠加，计算光谱特征值，进而计算水温并实时显示。图2是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为500时，灯光长时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果，其中虚线是高精度温度传感器的测温结果，实线是拉曼散射海水温度激光遥感测量系统测温结果，t₁处产生的尖峰是由于系统运行过程中打开室内照明灯8s，然后关闭，这一扰动导致拉曼光谱强度增大，从而改变了测温结果，t₂处的产生的尖峰对应开灯时间为7s。图3是设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为500时，灯光短时间干扰基于频数分布原理的滤波方法测试结果，其中虚线是高精度温度传感器的测温结果，实线是拉曼散射海水温度激光遥感测量系统测温结果，测量过程中多次开关照明灯，每次照明时间缩短到5s以内，由于频数分布滤波算法的滤波作用，干扰信号对温度测量结果没有影响。

图4是当设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值A＝200时灯光长时间干扰的测试结果，其中虚线是温度传感器同步测量的结果，实线是拉曼散射海水温度激光遥感测量系统测温结果，t₃处产生的尖峰对应照明时间为7s，而t₄处产生的尖峰对应开灯时间为10s。由于灯光扰动时间长导致拉曼光谱强度增大，从而改变了测温结果。图5是当设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值A＝200时灯光短时间干扰的测试结果，其中虚线是温度传感器同步测量的结果，实线是拉曼散射海水温度激光遥感测量系统测温结果，测量过程中多次开关照明灯，每次照明时间缩短到5s以内，由于频数分布滤波算法的滤波作用，干扰信号对温度测量结果没有影响。

在上述说明中参照着附图，通过具体实施方式适当且充分地对本发明进行了说明，但是应该认识到，对本领域技术人员来说，能够容易的对上述的实时方式进行变更和/或改良。因此对于本领域技术人员所实施的变更方式或改良方式，只要是不脱离权利要求书中记载的权利要求的权力范围的层次，则都应被解释为被包括在该权利要求的权力范围内。

Claims (1)

1.一种基于频数分布原理的滤波方法，其特征是：其包括以下步骤：

步骤(1)：连续采集多组拉曼光谱数据I₁(λ)、I₂(λ)......，分别求得各组光谱的峰值强度I_imax，把连续N个I_imax值看成一个队列，存入数组I_x；

I_x(i)＝[I_1max I_2max … I_Nmax],i＝1,2,…N

步骤(2)：将数组I_x划分为M个区间，根据数组I_x中数据的最大值I_xmax和最小值I_xmin来确定分区间距ΔI_x；

第j个分区区间的中间值表示为：

I_xm(j)＝I_xmin-0.5ΔI_x+j·ΔI_x,j＝1,2,…M

步骤(3)：按照分区对数组I_x中的元素进行分组，若I_x(i)属于指定第j个区间，则函数γ_j[I_x(i)]值为1，否则函数γ_j[I_x(i)]值为0，即：

统计各分区区间的频数F_j；

步骤(4)：根据上述频数分布统计结果求出频数最大值F_max所处的区间编号K，并求得该区间对应的中间值I_xm(K)，作为第N+1组拉曼光谱筛选的参照值；

步骤(5)：设定相邻两组拉曼光谱强度波动允许的最大偏差值为A，若第N+1组拉曼光谱数据的峰值强度满足I_xm(K)-A＜I_(N+1)max＜I_xm(K)+A，则认为这一组拉曼光谱有效，进行光谱预处理后存入寄存器用于拉曼光谱叠加，否则认为这一组拉曼光谱无效，光谱数据舍弃，数组I_x的长度固定为N，每采集一组新的拉曼光谱数据并求得其对应的峰值强度I_imax后都放在队列尾部，并扔掉原来队列首部的一个峰值强度数据，保持这N个数据始终是最近的数据，当寄存器内有效拉曼光谱数据达到L组以后，将L组预处理后的拉曼光谱进行叠加。