CN111256819A - 一种光谱仪器的降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光谱仪器的降噪方法，包括以下步骤：步骤1，选用若干不同宽度的光谱；步骤2，调整滤波参数，计算VFR值；步骤3，找出VFR的最优值；步骤4，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。本发明提供了一种优化滤波器参数的方法和基准，解决了目前降噪效果评价的难题，为光谱仪器的开发和使用提供了基础支持，对仪器用户而言，避免盲目设置和经验估计带来的疑虑；采用本发明可以有效提高仪器性能和易用性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪器领域，尤其涉及一种光谱仪器的降噪方法。
背景技术
对于分析仪器的研发与制造，高信噪比是永远的目标之一。在现代仪器制造和使用中，由于算法与数据处理是提升仪器信噪比的有效途径，且不增加仪器成本，因此变得越来越重要。
尤其是近年来阵列式光谱仪在光谱仪产品中的占比越来越大，这类仪器的特点是价格和成本相对于傅里叶型显著降低。但是，这类仪器对于降噪处理的结果一直缺乏一个有效合理的评价的指标，多数是基于经验和感官判断。降噪结果本身是矛盾的，更好平滑度的视觉感官也更好，但是也意味着失真增大，一个好看而不真实的结果，显然是一个严重的误区。对于阵列式光谱仪，需要一个降噪衡量指标，以及新衡量指标下的方法实现。
滤波器，或者称为平滑算法，是一类非常重要的降噪手段，通常在各类光谱仪器操作界面上，都提供为可选项，以改善测量效果。需要强调的是，没有一种滤波器是普适或万能的。由于信号的频率、强度和噪声类型不同，需要设计或者调整滤波器的参数，才能满足降噪和保真的双重要求。
以目前普遍认可且效果良好的Savitzky-Golay滤波器(或称为多项式最小二乘滤波)为例，滤波器需要设置多项式阶数和拟合数据窗宽两个参数；对于不同取样步长和光谱特性，需要针对性地对两个参数加以调整，才能满足降噪效果和保持真实性两方面的要求。目前各类仪器的滤波降噪选项，只是提供了参数调整，缺乏降噪效果评价和参数优化辅助功能，依靠用户的经验或直觉来调整，随意性大，难以实现优化的结果输出。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种光谱仪器的降噪方法，该提出通过“残差均方差-峰度比”，来评价滤波效果，实现滤波参数优化设置，输出准确且确定的测量结果。对于完善仪器功能，提高测量性能，具有重要的现实意义。
本发明的一种光谱仪器的降噪方法是这样实现的：
一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选用若干不同宽度的光谱；
步骤2，调整滤波参数，计算VFR值；
步骤3，找出VFR的最优值；
步骤4，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。
优选的，所述滤波参数包括多项式阶和框架宽。
优选的，所述VFR值是指残差值均方差-峰度比，所述残差值均方差-峰度比VFR值是通过以下步骤得到的：
步骤1)，选定滤波算法，对原始测量信号xb，进行平滑降噪得到输出信号xa；
步骤2)，求取xb与xa的残差值x
步骤3)，计算残差值x的均方差-峰度比VFR；
步骤4)，调整滤波参数，计算不同参数对应的VFR。
优选的，所述滤波算法包括单参数滤波和双参数滤波。
优选的，所述单参数滤波包括移动平均滤波，所述双参数滤波包括Savitzky-Golay滤波器。
优选的，所述残差值x按照以下公式进行计算：
x＝xb-xa。
优选的，所述均方差-峰度比VFR按照以下公式进行计算：
式中σ为均方差，g为峰度比。
本发明提供了一种光谱仪器的降噪方法，也是一种优化滤波器参数的方法和基准，解决了目前降噪效果评价的难题，为光谱仪器的开发和使用提供了基础支持，对仪器用户而言，避免盲目设置和经验估计带来的疑虑。采用本发明可以有效提高仪器性能和易用性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是本发明的一种实施例的一种光谱仪器的降噪方法的流程框图；
图2是本发明一种实施例得到VFR值的流程框图；
图3是本发明实施例1未添加噪声的光谱；
图4是本发明实施例1添加噪声后的光谱；
图5是本发明实施例1不同移动窗宽下的VFR值与输出值和真值偏离结果(移动平均滤波)；
图6是本发明实施例1按最优条件平滑后的效果(移动平均滤波)；
图7是本发明实施例2不同多项式阶和框架宽下的VFR值(S-G滤波，模拟样本)；
图8是本发明实施例2输出值和真值偏离结果(S-G滤波，模拟样本)；
图9是本发明实施例3不同多项式阶和框架宽下的VFR值(S-G滤波，布洛芬样本)；
图10是本发明实施例3按本发明法最优条件平滑后的效果(S-G滤波，布洛芬样本)；
图11是本发明实施例3中690cm-1-780cm-1的基线局部效果(S-G滤波，布洛芬样本)；
图12是本发明实施例3降噪与降噪前和S-G降噪的效果对比图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明中未详细说明的结构或工作原理属于现有技术和本领域的公知常识，本技术领域的技术人员应当知晓。
实施例1
一种光谱仪器的降噪方法，包括以下步骤：
步骤1，选用若干不同宽度的高斯峰构成序列；
步骤2，给所述序列添加一定强度的高斯白噪声，模拟不同宽度的光谱；
步骤3，调整滤波参数，计算VFR值；
步骤4，找出VFR的最优值；
步骤5，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。
所述VFR值是指残差值的均方差-峰度比，所述残差值均方差-峰度比VFR值是通过以下步骤得到的：
步骤1)，选定滤波算法，对原始测量信号xb，进行平滑降噪得到输出信号xa；
步骤2)，求取xb与xa的残差值x；
步骤3)，计算残差值x的均方差-峰度比VFR；
步骤4)，调整滤波参数，计算不同参数对应的VFR。
所述滤波算法为单参数滤波，所述单参数滤波为移动平均滤波，所述双参数滤波包括Savitzky-Golay滤波器。
所述滤波参数为框架宽。
所述残差值x按照以下公式进行计算：
x＝xb-xa。
所述均方差-峰度比VFR按照以下公式进行计算：
式中σ为均方差，g为峰度比；
其中均方差采用以下公式计算：
峰度采用以下公式计算：
上述式中：信号序列包含n个数据单值，残差序列x是滤波前信号xb与滤波后信号xa的差值，按照方差和峰度公式分别计算方差σ2和g。均方差-峰度比(VFR)是校正后的方差值，即峰度值减3的绝对值，反映了残差偏离高斯分布的程度，加1后作为方差的校正系数，偏离高斯分布的程度越大，降噪后方差增大的意义响应缩小。
用三个不同宽度的高斯峰构成序列，并添加5％强度的高斯白噪声，模拟不同宽度的光谱，图3是未添加噪声的光谱，图4是添加噪声后的光谱。
用最常用的“移动平均滤波”方法，按最大VFR值找出最佳滤波参数。其中“移动平均滤波”是指单参数滤波，变化参数为移动平均窗口的宽度。
图5是不同移动窗宽下的VFR值(⊙)，与输出值与真值偏离(滤波结果与真实值之差的均方差值)的对比。由图4可看出，VFR最大值出现在移动窗宽19和20处，同时，此处滤波结果与真值的偏离也最小。
图5是按照本发明最优条件平滑后的效果，输出结果与真值偏离的均方差为0.01315。由图6可看出，VFR判断的结果与真值实际的对比判断一致，说明本发明提出的判断方法是有效的。
实施例2
一种光谱仪器的降噪方法，包括以下步骤：
步骤1，选用若干不同宽度的高斯峰构成序列；
步骤2，给所述序列添加一定强度的高斯白噪声，模拟不同宽度的光谱；
步骤3，调整滤波参数，计算VFR值；
步骤4，找出VFR的最优值；
步骤5，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。
所述VFR值是指残差值的均方差-峰度比，所述残差值均方差-峰度比VFR值是通过以下步骤得到的：
步骤1)，选定滤波算法，对原始测量信号xb，进行平滑降噪得到输出信号xa；
步骤2)，求取xb与xa的残差值x；
步骤3)，计算残差值x的均方差-峰度比VFR；
步骤4)，调整滤波参数，计算不同参数对应的VFR。
所述滤波算法为双参数滤波，所述双参数滤波为Savitzky-Golay滤波器。
所述滤波参数为框架宽和多项式阶。
所述残差值x按照以下公式进行计算：
x＝xb-xa。
所述均方差-峰度比VFR按照以下公式进行计算：
式中σ为均方差，g为峰度比；
其中均方差采用以下公式计算：
峰度采用以下公式计算：
上述式中：信号序列包含n个数据单值，残差序列x是滤波前信号xb与滤波后信号xa的差值，按照方差和峰度公式分别计算方差σ2和g。均方差-峰度比(VFR)是校正后的方差值，即峰度值减3的绝对值，反映了残差偏离高斯分布的程度，加1后作为方差的校正系数，偏离高斯分布的程度越大，降噪后方差增大的意义响应缩小。
用Savitzky-Golay滤波器对实施例1信号进行平滑降噪。
调整S-G滤波的两个参数(多项式阶和框架宽)，计算VFR值，得到不同的输出结果，如图7、图8所示。VFR最大值出现在5阶，框架宽71处，此处的输出与真值的偏离均方差值为0.01258，也为最小值，说明VFR判断和真值判断是一致的，即真值未知的情况下，用VFR值对最优降噪效果判断也是有效的。
实施例3
一种光谱仪器的降噪方法，包括以下步骤：
步骤1，选用若干不同宽度的光谱；
步骤2，调整滤波参数，计算VFR值；
步骤3，找出VFR的最优值；
步骤4，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。
所述VFR值是指残差值的均方差-峰度比，所述残差值均方差-峰度比VFR值是通过以下步骤得到的：
步骤1)，选定滤波算法，对原始测量信号xb，进行平滑降噪得到输出信号xa；
步骤2)，求取xb与xa的残差值x；
步骤3)，计算残差值x的均方差-峰度比VFR；
步骤4)，调整滤波参数，计算不同参数对应的VFR。
所述滤波算法为双参数滤波，所述双参数滤波为Savitzky-Golay滤波器。
所述滤波参数为框架宽和多项式阶。
所述残差值x按照以下公式进行计算：
x＝xb-xa。
所述均方差-峰度比VFR按照以下公式进行计算：
式中σ为均方差，g为峰度比；
其中均方差采用以下公式计算：
峰度采用以下公式计算：
上述式中：信号序列包含n个数据单值，残差序列x是滤波前信号xb与滤波后信号xa的差值，按照方差和峰度公式分别计算方差σ2和g。均方差-峰度比(VFR)是校正后的方差值，即峰度值减3的绝对值，反映了残差偏离高斯分布的程度，加1后作为方差的校正系数，偏离高斯分布的程度越大，降噪后方差增大的意义响应缩小。
采集布洛芬药片的激光拉曼信号(532nm激发，2048像素阵列光谱仪采集，积分时间5s)，以Savitzky-Golay滤波器平滑。试算不同的多项式阶数和框架宽度，图9所示，其中8阶，框架宽15时，VFR＝54.86，具有最佳效果。
图10是按本发明法最优条件降噪整体效果，未出现明显的失真。图11是690cm-1-780cm-1的基线局部效果，可以看出噪声得到了较好抑制。
通常S-G降噪多采用3阶，图12中粗线是3阶，框架宽7的降噪效果，细线为本发明方法判断出的优化值，虚线是降噪前。由图12可见，优化条件下，具有更好的保真效果，同时降噪强度也未下降。
发明原理：
仪器测量信号包含真实信号和噪声信号，普通的噪声信号可以视为高斯白噪声。理想的测量应该是尽可能高的真实信号和尽可能低的噪声，即高信噪比。滤波目的在于降低噪声和保留真实信号，但两者存在矛盾；由于白噪声的均匀性，滤波消除噪声的同时，不可避免地使得真实信号产生损失。通常判断滤波效果的方式是，依据经验或先验数据，对滤波后的信号进行考察，这种方式存在很大的偶然性和不确定性。
尽管真实信号是未知的，但是滤波前后的信号残差可以得到。只要仪器噪声满足高斯白噪声假设，那么，当该残差具有最大方差又没有显著偏离高斯分布时，就可以认为滤波达到了最优效果。
方差是衡量随机信号强度的指标，残差信号的方差越大，表明噪声滤除程度越大，但是，残差中夹入真实信号越多，也会引起方差增大。因此，方差不能作为噪声滤除的唯一指标。峰度是衡量随机信号是否符合某种分布的指标，如果序列随机信号符合高斯分布，其峰度值等于3。
根据方差和峰度性质，本发明提出采用“残差均方差-峰度比”作为最优估计指标，判断残差信号序列是否达到优化，实现滤波参数的优化判断。
依照实施以上步骤，可以评价降噪效果的可改进程度，为用户提供量化、可实施的改进建议。对于指定仪器或信号类型，评价所得的降噪参数，可提供作为操作建议，提高仪器的稳定性和准确性。
本发明提供了一种优化滤波器参数的方法和基准，解决了目前降噪效果评价的难题，为光谱仪器的开发和使用提供了基础支持，对仪器用户而言，避免盲目设置和经验估计带来的疑虑。采用本发明可以有效提高仪器性能和易用性。
Claims (8)
1.一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选用若干不同宽度的光谱；
步骤2，调整滤波参数，计算VFR值；
步骤3，找出VFR的最优值；
步骤4，使用得到的VFR的最优值相对应的滤波参数对仪器进行调整，即可实现对光谱仪器的最优降噪。
2.一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，步骤1所述的不同宽度的光谱包括模拟不同宽度的光谱，所述不同宽度的光谱是通过不同宽度的高斯峰构成序列，再给所述序列添加一定强度的高斯白噪声实现的。
3.如权利要求1所述的一种光谱仪器降噪方法，其特征在于，所述滤波参数包括多项式阶和框架宽。
4.如权利要求1所述的一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，所述VFR值是指残差值均方差-峰度比，所述残差值均方差-峰度比VFR值是通过以下步骤得到的：
步骤1)，选定滤波算法，对原始测量信号xb，进行平滑降噪得到输出信号xa；
步骤2)，求取xb与xa的残差值x
步骤3)，计算残差值x的均方差-峰度比VFR；
步骤4)，调整滤波参数，计算不同参数对应的VFR。
5.如权利要求4所述的一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，所述滤波算法包括单参数滤波和双参数滤波。
6.如权利要求5所述的一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，所述单参数滤波包括移动平均滤波，所述双参数滤波包括Savitzky-Golay滤波器。
7.如权利要求4所述一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，所述残差值x按照以下公式进行计算：
x＝xb-xa；
式中xb为原始测量信号，xa为进行平滑降噪得到输出信号。
8.如权利要求4所述的一种光谱仪器的降噪方法，其特征在于，所述VFR值是按照以下公式进行计算：
式中σ为均方差，g为峰度比。
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