DE69320811T2 - MULTI-COMPONENT ANALYSIS FROM FT-IR SPECTRES - Google Patents
MULTI-COMPONENT ANALYSIS FROM FT-IR SPECTRESInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines FT-IR-Spektrums einer unbekannten Gasmischung, bei der die einzelnen Komponenten sowie deren Partialdrücke unbekannt sind. Bekannt ist hingegen ein großer Satz von Archivspektren molekularer Reingase, die bei bekannten Drücken und mit demselben Interferometer gemessen werden wie die unbekannte Probe.The present invention relates to a method for analyzing an FT-IR spectrum of an unknown gas mixture in which the individual components and their partial pressures are unknown. However, a large set of archive spectra of molecular pure gases is known, which are measured at known pressures and with the same interferometer as the unknown sample.
Bei der FT-IR-Spektroskopie zur Mehrkomponentenanalyse liegt das IR-Spektrum einer unbekannten Gasmischung vor, bei der die einzelnen Komponenten sowie deren Partialdrücke unbekannt sind. Bekannt ist hingegen ein großer Satz von Archivspektren molekularer Reingase, die bei bekannten Drücken und mit demselben Interferometer gemessen werden wie die unbekannte Probe. Durch Verwendung dieser reinen Spektren sollten, mit Fehlergrenzen, die Partialdrücke der in der Mischung enthaltenen Reingase berechnet werden. Die Fehler in den so erhaltenen Werten sind auf das beim Messen vorhandene Rauschen in den Spektren zurückzuführen. Da das Berechnen der Partialdrücke, die das Spektrum der Mischung am besten erklären, relativ einfach ist, wird es hier nur kurz angesprochen und es wird sich auf das Berechnen ihrer Fehlergrenzen konzentriert. Es wird sich zudem mit der optimalen Auflösung befaßt, die gewählt werden sollte, um möglichst kleine Fehlergrenzen zu erlangen, sowie mit der Anwendung des Nicht-Negativitäts-Zwangs für die Partialdrücke. Zusätzlich zu Gasspektren treffen alle Berechnungen auch für die Spektren nicht-interagierender Flüssigkeiten zu.In FT-IR spectroscopy for multicomponent analysis, the IR spectrum of an unknown gas mixture is available, in which the individual components and their partial pressures are unknown. What is known, however, is a large set of archive spectra of molecular pure gases, measured at known pressures and with the same interferometer as the unknown sample. Using these pure spectra, the partial pressures of the pure gases contained in the mixture should be calculated, with error limits. The errors in the values obtained in this way are due to the noise present in the spectra during measurement. Since calculating the partial pressures that best explain the spectrum of the mixture is relatively simple, it will only be briefly addressed here and the focus will be on calculating their error limits. It also deals with the optimal resolution that should be chosen in order to achieve the smallest possible error limits, as well as with the application of the non-negativity constraint for the partial pressures. In addition to gas spectra, all calculations also apply to the spectra of non-interacting liquids.
Das gemessene Spektrum der zu analysierenden Mischung wird als s bezeichnet und {Kj j = 1, ..., M} ist der Satz von Archivspektren, anhand derer versucht wird, s zu erklären. Es wird davon ausgegangen, daß alle Spektren linearisiert sind, d. h. daß an der y-Achse stets der negative Logarithmus der Transmittanz angegeben wird (eventuell abgesehen von einem konstanten Koeffizienten). Dies bedeutet, daß hier die Absorbanzskala verwendet wird. Dann ist nach dem Beerschen Gesetz s eine lineare Kombination der Spektren Kj, oder The measured spectrum of the mixture to be analyzed is called s and {Kj j = 1, ..., M} is the set of archive spectra that are used to explain s. It is assumed that all spectra are linearized , ie the negative logarithm of the transmittance is always given on the y-axis (perhaps apart from a constant coefficient). This means that the absorbance scale is used here. Then, according to Beer's law, s is a linear combination of the spectra Kj, or
Nun müssen solche Koeffizienten xj bestimmt werden, durch die s so gut wie möglich erklärt wird. Danach werden die Partialdrücke der in der Mischung enthaltenen Reingase durch Multiplizieren der Meßdrücke der entsprechenden Archivspektren mit ihren Koeffizienten in der linearen Kombination bestimmt.Now coefficients xj must be determined that explain s as well as possible. Then the partial pressures of the pure gases contained in the mixture are determined by multiplying the measured pressures of the corresponding archive spectra by their coefficients in the linear combination.
Da von allen Spektren nur bestimmte, in gleichmäßigen Abständen gemessene Tabellenpunkte &sub1;, ..., N bekannt sind, können s und Kj als Vektoren behandelt werden, und Gleichung 1 kann in Vektorform wie folgt dargestellt werden: Since only certain table points ∆1, ..., N measured at regular intervals are known from all spectra, s and Kj can be treated as vectors and equation 1 can be represented in vector form as follows:
Diese Gleichung kann weiter vereinfacht werden, indem alle Kj-Vektoren zusammen in eine Matrix K gesammelt werden, was zu der folgenden Matrixgleichung führt:This equation can be further simplified by collecting all Kj vectors together into a matrix K, which leads to the following matrix equation:
Kx = s, (3)Kx = s, (3)
wobei where
und x der Koeffizienten-(Spalten-)Vektor ist, der die Koeffizienten xj der reinen Spektren enthält.and x is the coefficient (column) vector containing the coefficients xj of the pure spectra.
Nun können alle Spektren, die durch den verwendeten Satz von M reinen Spektren genau erklärt werden können, in der Form Kx ausgedrückt werden. Selbst wann der Satz {Kj j = 1, ..., M} alle Komponenten der Mischung beinhalten würde, existiert jedoch immer ein Rauschen in den Spektren, so daß s nie genau in dem Vektorraum liegt, der durch die Vektoren Kj geschaffen wird. So muß man sich mit einer linearen Kombination Kx der reinen Spektren begnügen, die so nah wie möglich bei dem Vektor s liegt. Dies bedeutet, daß die Norm des unerklärt bleibenden Restvektors s-Kx minimiert werden muß. Somit kann die vorliegende Aufgabe in Form einer Optimierungsaufgabe wie folgt dargestellt werden:Now all spectra that can be explained exactly by the used set of M pure spectra can be expressed in the form Kx. Even if the set {Kj j = 1, ..., M} would contain all components of the mixture, there is always noise in the spectra, so that s never lies exactly in the vector space created by the vectors Kj. So one has to make do with a linear combination Kx of the pure spectra that is as close as possible to the vector s. This means that the norm of the unexplained residual vector s-Kx has to be minimized. Thus, the present task can be represented in the form of an optimization task as follows:
s - Kx = min!.(4)s - Kx = min!.(4)
Die Optimierungsparameter sind dann die Komponenten des Koeffizientenvektors x.The optimization parameters are then the components of the coefficient vector x.
Der optimale Wert des Koeffizientenvektors hängt von der verwendeten Vektornorm ab. Diese Norm wird nun durch die folgende Bedingung defininert: The optimal value of the coefficient vector depends on the vector norm used. This norm is now defined by the following condition:
Dies ist die übliche Quadratsummen-Vektornorm mit Ausnahme des konstanten Koeffizienten 1/N. Zweck dieses Koeffizienten ist es, die Vektornormen so unabhängig wie möglich von der Anzahl der Daten N (und somit der Auflösung) zu machen. Er hat keinen Einfluß auf die Lösung der Optimierungsaufgabe 4. Die Lösung der Aufgabe 4 wird nun dadurch gewonnen, daß der Gradient des Restvektors gleich null gesetzt wird oderThis is the usual sum of squares vector norm with the exception of the constant coefficient 1/N. The purpose of this coefficient is to make the vector norms as independent as possible of the number of data N (and thus the resolution). It has no influence on the solution of optimization task 4. The solution of task 4 is now obtained by setting the gradient of the residual vector equal to zero or
x s - Kx = 0 (6)x s - Kx = 0 (6)
Eine sehr einfache Rechnung zeigt, daß diese Bedingung durch den folgenden Koeffizientenvektor erfüllt wird:A very simple calculation shows that this condition is fulfilled by the following coefficient vector:
xopt = (KTK)&supmin;¹KTs (7)xopt = (KTK)⊃min;¹KTs (7)
(natürlich unter der Bedingung, daß N ≥ M.) Diese Lösung ist in der Fachliteratur als die pseudoinverse Lösung der Matrixgleichung Kx = s bekannt (siehe z. B. [1]). Aufgrund der Wahl der Norm - siehe Gleichung 5 - kann sie auch als Lösung der kleinsten Quadrate bezeichnet werden. Die Matrix KTK ist umkehrbar, wenn und nur wenn die Vektoren Kj linear unabhängig sind. Sind sie dies nicht, gibt es keine einzelne beste Lösung. Falls die Fehlergrenzen nicht benötigt werden, wird das unten beschriebene Verfahren für das Anwenden der Gleichung 7 vorgeschlagen.(of course, under the condition that N ≥ M.) This solution is known in the literature as the pseudo-inverse solution of the matrix equation Kx = s (see e.g. [1]). Due to the choice of the norm - see equation 5 - it can also be called a least squares solution. The matrix KTK is invertible if and only if the vectors Kj are linearly independent. If they are not, there is no single best solution. If the error bounds are not needed, the procedure described below is suggested for applying equation 7.
Nun wird das innere Produkt < a b> zweier Vektoren a und b definiert aus Now the inner product < a b> of two vectors a and b is defined as
Der Koeffizient 1/N sorgt wieder dafür, daß das innere Produkt so unabhängig wie möglich von der Anzahl der Daten ist. Ebenso gilt das übliche Verhältnis v = < v v½> zwischen Norm und innerem Produkt. Nun wird ersichtlich, daß Gleichung 7 in der folgenden Form geschrieben werden kann:The coefficient 1/N again ensures that the inner product is as independent as possible of the number of data. The usual relationship v = < v v½> between the norm and the inner product also applies. It is now clear that equation 7 can be written in the following form:
xopt = A&supmin;¹y, (9)xopt = A⊃min;¹y, (9)
wobeiwhere
Aij = < Ki Kj> (14)Aij = < Ki Kj> (14)
undand
Yj = < Kj s> . (11)Yj = < Kj s> . (11)
Die Matrix A enthält die inneren Produkte der verwendeten Archivspektren miteinander und kann als innere Produktmatrix bezeichnet werden. Wenn die Fehlergrenzen der Koeffizienten nicht interessieren, können im voraus alle möglichen inneren Produkte berechnet und in einem Archiv gesammelt werden. Bei einer speziellen Analyse müssen dann nur diejenigen inneren Produkte ausgewählt werden, die dem Satz der in dieser Analyse zu verwendenden Archivspektren entsprechen, um die Matrix A aufzubauen, den Vektor y zu berechnen und die Matrixgleichung Ax = y zu lösen. Wird dies nach dem Gaußschen Eliminationsverfahren gemacht (siehe z. B. [2, S. 179]), muß A nicht umgekehrt werden, und die Analyse ist ein sehr schnelles Verfahren.The matrix A contains the inner products of the archive spectra used with each other and can be called the inner product matrix. If the error limits of the coefficients are not of interest, all possible inner products can be calculated in advance and collected in an archive. In a specific analysis, only those inner products that correspond to the set of archive spectra to be used in this analysis must then be selected in order to build the matrix A, calculate the vector y and solve the matrix equation Ax = y. If this is done using the Gaussian elimination method (see e.g. [2, p. 179]), A does not have to be inverted and the analysis is a very fast procedure.
Alles Rauschen in den Spektren erzeugt Fehler in dem optimalen Koeffizientenvektor der Gleichung 9. Hier wird sich nur mit dem Rauschen in dem Spektrum s der Gasmischung beschäftigt. Das Rauschen in den Archivspektren Kj könnte auch ungefähr berücksichtigt werden, es wird hier jedoch aus zwei Gründen nicht berücksichtigt. Erstens wäre die Abhandlung dann zu lang und nur von ungefährer Genauigkeit. Zweitens ist es bei praktischen Anwendungen sinnvoll, die Archivspektren mit viel höherer Genauigkeit zu registrieren (d. h. durch Ko-Addition einer viel größeren Anzahl einzelner Meßreihen) als das Mischungsspektrum, das durch eine schnelle Messung erhalten wird. So befindet sich aus praktischer Sicht alles Rauschen in den Mischungsspektren, und die Archivspektren können als rauschfrei betrachtet werden.All noise in the spectra creates errors in the optimal coefficient vector of equation 9. Here we only deal with the noise in the spectrum s of the gas mixture. The noise in the archive spectra Kj could also be taken into account approximately, but it is not taken into account here for two reasons. Firstly, the paper would then be too long and only of approximate accuracy. Secondly, in practical applications it is useful to register the archive spectra with much higher accuracy (i.e. by co-addition of a much larger number of individual measurement series) than the mixture spectrum obtained by a quick measurement. Thus, from a practical point of view, all noise is in the mixture spectra, and the archive spectra can be considered noise-free.
Bisher wurden die Archivspektren Kj als die Basisvektoren verwendet, mit denen alle Messungen in der Form ΣMj=1 · jKj oder Kx erklärt wurden. Bei der Berechnung der Fehlergrenzen ist es jedoch vorteilhaft, eine orthogonale Basis zu verwenden, die denselben Vektorraum generiert wie die ursprünglichen Archivspektren. Diese orthogonalen Basisvektoren werden anhand dar Gram-Schmidtschen Orthogonalisierungsmethode konstruiert (s. ein Lehrbuch zur linearen Algebra, z. B. [2, S. 138]). Dies bedeutet, daß die neuen Basisvektoren (K'j) definiert sind durch die rekursive Gruppe von Gleichungen So far, the archive spectra Kj have been used as the basis vectors with which all measurements were explained in the form ΣMj=1 · jKj or Kx. However, when calculating the error limits, it is advantageous to use an orthogonal basis that generates the same vector space as the original archive spectra. These orthogonal basis vectors are constructed using the Gram-Schmidt orthogonalization method (see a textbook on linear algebra, e.g. [2, p. 138]). This means that the new basis vectors (K'j) are defined by the recursive group of equations
Somit werden die alten Basisvektoren aus den neuen Vektoren erhalten durch Thus, the old basis vectors are obtained from the new vectors by
Als nächstes wird eine Transformationsmatrix Q definiert als Next, a transformation matrix Q is defined as
(Somit ist Q eine obere Dreiecksmatrix.) Nun kann die Transformation der Basis sehr kompakt ausgedrückt werden als(Thus Q is an upper triangular matrix.) Now the transformation of the basis can be expressed very compactly as
K = K'Q. (15)K = K'Q. (15)
Die Transformation von Koeffizientenvektoren zwischen diesen zwei Basen wird durch die folgende Gleichung bestimmt:The transformation of coefficient vectors between these two bases is determined by the following equation:
x = Q&supmin;¹x'. (16)x = Q⊃min;¹x'. (16)
Somit wird die Umkehrung von Q benötigt. Nach einigen komplizierten Rechenschritten gelangt man zu dem Ergebnis, daß diese eine obere Dreiecksmatrix ist, gegeben durch Thus, the inverse of Q is required. After some complicated calculations, one arrives at the result that this is an upper triangular matrix, given by
Die Elemente mit j> i müssen in der Reihenfolge i = M-1, ..., 1 berechnet werden.The elements with j> i must be calculated in the order i = M-1, ..., 1.
Die Bestimmung des besten Koeffizientenvektors ist bei der Basis K' sehr einfach. Da diese Basis orthogonal ist, < K'i K'j> = δij und die innere Produktmatrix A' (siehe Gleichung 10) diagonal ist, giltDetermining the best coefficient vector is very simple for the basis K'. Since this basis is orthogonal, < K'i K'j> = δij and the inner product matrix A' (see equation 10) is diagonal, we have
A' = diag( K'¹ ², K'² ², ... K'M ²). (18)A' = diag(K'¹ ², K'² ², ... K'M ²). (18)
Somit wird der beste Koeffiezentenvektor xopt angegeben durch (siehe Gleichung 9) Thus, the best coefficient vector xopt is given by (see equation 9)
oder or
Der Vektor x'opt gibt die optimalen Koeffizienten der orthogonalen Basisvektoren K'j an. Der entsprechende Koeffiezentenvektor x der echten reinen Spektren Kj ist dann Q&supmin;¹x'opt. Es wird intuitiv sehr deutlich, daß dies dem optimalen Koeffiezientenvektor xopt bei der ursprünglichen Basis gleicht. Dieses Ergebnis kann auch formell wie folgt bewiesen werden:The vector x'opt gives the optimal coefficients of the orthogonal basis vectors K'j. The corresponding coefficient vector x of the real pure spectra Kj is then Q⊃min;¹x'opt. It is intuitively very clear that this is equal to the optimal coefficient vector xopt in the original basis. This result can also be formally proven as follows:
x'opt = (K'TK')&supmin;¹K'Ts = [(Q&supmin;¹)TKTKQ&supmin;¹]&supmin;¹(Q&supmin;¹)TKTs = Q(KTK)&supmin;¹QT(QT)&supmin;¹KTs = Q(KTK)&supmin;¹KTs = Qxopt.x'opt = (K'TK')&supmin;¹K'Ts = [(Q&supmin;¹)TKTKQ&supmin;¹]&supmin;¹(Q&supmin;¹)TKTs = Q(KTK)&supmin;¹QT(QT)&supmin;¹KTs = Q(KTK)⁻¹KTs = Qxopt.
Dies bedeutet, daßThis means that
xopt = Q&supmin;¹x'opt. (21)xopt = Q⊃min;¹x'opt. (21)
Als nächstes wird die Auswirkung von Meßrauschen auf den optimalen Koeffiezientenvektor der Gleichungen 9 oder 21 bedacht. Zu diesem Zweck wird s wie folgt in zwei Teile geteilt:Next, the effect of measurement noise on the optimal coefficient vector of equations 9 or 21 is considered. For this purpose, s is divided into two parts as follows:
s = s&sup0; + se, (22)s = s0 + se, (22)
wobei s&sup0; das korrekte rauschfreie Mischungsspektrum ist und se das Rauschen enthält. Da die Abhängigkeit zwischen s und xopt linear ist, kann der Koeffizientenvektor xopt auch geteilt werden in den korrekten Koeffizientenvektor x&sup0;opt und den Fehlervektor xeopt', für die giltwhere s⁰ is the correct noise-free mixture spectrum and se contains the noise. Since the dependence between s and xopt is linear, the coefficient vector xopt can also be divided into the correct coefficient vector x⁰opt and the error vector xeopt', for which the following applies:
x&sup0;opt = (KTK)&supmin;¹KTs&sup0; = Q&supmin;¹ (K'TK')&supmin;¹K'Ts&sup0; (23a)x&sup0;opt = (KTK)&supmin;¹KTs&sup0; = Q&supmin;¹ (K'TK')&supmin;¹K'Ts&sup0; (23a)
undand
xeopt = (KTK)&supmin;¹KTSe = Q&supmin;¹ (K'TK')&supmin;¹K'Tse (24a)xeopt = (KTK)-¹KTSe = Q-¹ (K'TK')-¹K'Tse (24a)
oder äquivalentor equivalent
x&sup0;opt = A&supmin;¹y&sup0; = Q&supmin;¹A'&supmin;¹y'&sup0; (23b)x&sup0;opt = A&supmin;¹y&sup0; = Q&supmin;¹A'&supmin;¹y'&sup0; (23b)
undand
xeopt = A&supmin;¹ye = Q&supmin;¹A'&supmin;¹y'e (24b)xeopt = A-¹ye = Q-¹A'-¹y'e (24b)
Folglich hängen die Fehler der Koeffizienten linear von den Messungen ab. Die Komponenten des Rauschvektors se sind normal verteilt mit einem Mittelwert von Null. Auch wenn die Rauschdaten einer einzelnen Messung aus irgendeinem Grund nicht normal verteilt sein sollten, ist nach dem zentralen Grenzsatz der Wahrscheinlichkeitsrechnung die Summe mehrerer Rauschdaten immer normal verteilt, und in der Praxis werden immer mehrere einzelne Meßreihen koaddiert, um ein Spektrum zu erhalten. So kann, wenn ihre Standardabweichung als σs bezeichnet wird, folgendes geschrieben werden:Consequently, the errors of the coefficients depend linearly on the measurements. The components of the noise vector se are normally distributed with a mean of zero. Even if the noise data of a single measurement are not normally distributed for some reason, according to the central limit theorem of probability, the sum of several noise data is always normally distributed, and in practice several individual series of measurements are always coadded to obtain a spectrum. Thus, if their standard deviation is denoted as σs, the following can be written:
sie ÷ N(0, σs²). (25)it ÷ N(0, σs²). (25)
(Dieser Ausdruck zeigt, daß sie der Normalverteilung folgt mit einem Mittelwert von Null und einer Varianz σs². Zu beachten ist, daß N für die Normalverteilung steht, während N die Anzahl der Daten angibt). Da die Verteilung der Rauschdaten bekannt ist, können nun die Verteilungen der Fehler der Koeffizienten anhand von Gleichung 24 berechnet werden. Dies wird als nächstes getan.(This expression shows that it follows the normal distribution with a mean of zero and a variance σs². Note that N stands for the normal distribution, while N indicates the number of data.) Since the distribution of the noise data is known, the distributions of the Errors of the coefficients can be calculated using equation 24. This is done next.
Zunächst wird ohne Beweis ein bekanntes Ergebnis der Wahrscheinlichkeitsrechnung genannt, welches die Normalverteilung betrifft.First, a well-known result of probability theory is given without proof, which concerns the normal distribution.
Es wird davon ausgegangen, daß zi ÷ N(ui, σi²) unabhängig und ai ε R ist. Dann gilt It is assumed that zi ÷ N(ui, σi²) is independent and ai ε R. Then
Dies bedeutet, daß eine lineare Kombination unabhängiger normal verteilter Zufallsvariablen auch normal verteilt ist. Durch Einsetzen dieses Ergebnisses erhält man für die Komponenten des Vektors y'e, der in Gleichung 24b in dem Ausdruck für xeopt erscheint, folgendes: This means that a linear combination of independent normally distributed random variables is also normally distributed. By inserting this result, the components of the vector y'e, which appears in equation 24b in the expression for xeopt, are given as:
Nun wird ein weiteres Ergebnis der Wahrscheinlichkeitsrechnung benötigt, demzufolge zwei normal verteilte Zufallsvariablen z&sub1; und z&sub2; dann und nur dann unabhängig sind, wenn die Korrelation zwischen ihnen null ist. Die Korrelation wird definiert durch Now another result of probability theory is needed, according to which two normally distributed random variables z₁ and z₂ are independent if and only if the correlation between them is zero. The correlation is defined by
wobeiwhere
cov(z&sub1;,z&sub2;) = E[(z&sub1; - E(z&sub1;))(z&sub2; - E(z&sub2;))]cov(z 1 ,z 2 ) = E[(z 1 - E(z 1 ))(z 2 - E(z 2 ))]
und E der Erwartungsoperator ist. Da die Erwartungswerte E (y'je) Nullen sind, sind zwei Komponenten y'je und y'ke dann und nur dann unabhängige Zufallsvariablen, wenn E (y'je y'ke) null ist. Nun gilt and E is the expectation operator. Since the expectation values E (y'je) are zeros, two components y'je and y'ke are independent random variables if and only if E (y'je y'ke) is zero. Now
für E(sies1e) = δi1E [(sie)²], und alle Zufallsvariablen sie sind gleich verteilt. Die Unabhängigkeit von y'je und y'ke ergibt sich nun aus der Tatsache, daß die Basis K' orthogonal ist. Weiter folgt aus Gleichungen 19, 26 und 27, daß for E(sies1e) = δi1E [(sie)²], and all random variables sie are equally distributed. The independence of y'je and y'ke now results from the fact that the basis K' is orthogonal. It also follows from equations 19, 26 and 27 that
und daß die Komponenten von x'eopt unabhängig sind. Nun kann Ergebnis 26 erneut verwendet werden, zu folgender Gleichung zu gelangen: and that the components of x'eopt are independent. Now result 26 can be used again to arrive at the following equation:
Wird die nicht-orthogonale Basis K verwendet, ergibt die Gleichheit der linken Seite der Gleichung 24 If the non-orthogonal basis K is used, the equality of the left side of equation 24 results
wobei P die pseudoinverse Matrixwhere P is the pseudoinverse matrix
P = (KTK)&supmin;¹KT = 1/N A&supmin;¹KT (31)P = (KTK)⁻¹KT = 1/N A⁻¹KT (31)
ist. Nun, da die Verteilungen der Fehler der Koeffizienten bekannt sind, können auch Fehlergrenzen für die Koeffizienten angegeben werden. Da diese Fehler normal verteilte Zufallsvariablen sind, können für sie keine Obergrenzen angegeben werden. Statt dessen können Fehlergrenzen berechnet werden, in die die korrekten Koeffizienten zu einer gegebenen Wahrscheinlichkeit hineinfallen. Es wird nun davon ausgegangen, daß eine solche Fehlergrenze j erwünscht ist, bei der der Koeffizient xopt,j mit einer Wahrscheinlichkeit p in das Intervall [x&sup0;opt,j - j, x&sup0;opt,j + j] gehört. Dies bedeutet, daßNow that the distributions of the coefficient errors are known, error limits for the coefficients can also be given. Since these errors are normal distributed random variables, no upper limits can be specified for them. Instead, error limits can be calculated into which the correct coefficients fall with a given probability. It is now assumed that such an error limit j is desired, for which the coefficient xopt,j belongs with a probability p in the interval [x⁰opt,j - j, x⁰opt,j + j]. This means that
P(xeopt,jε[- j, j]) = p.P(xeopt,jε[- j, j]) = p.
Wenn die Verteilungsfunktion der Standardnorzualverteilung (N(0,1)) als Φ bezeichnet wird, erhält man If the distribution function of the standard normal distribution (N(0,1)) is denoted as Φ, one obtains
woraus sich which results in
oder or
ergibt. Die 50% Fehlergrenze für den Koeffizenten des Archivspektrums j wird z. B. durch folgenden Ausdruck angegeben: The 50% error limit for the coefficient of the archive spectrum j is given, for example, by the following expression:
Die Varianz von xeopt,j ergibt sich wie folgt aus Ergebnis 29 oder 30: The variance of xeopt,j is given as follows from result 29 or 30:
Es könnte zunächst so erscheinen, als sei die ursprüngliche Basis K die sinnvollste Wahl für die Verwendung in der Analyse, da die Koeffizienten und ihre Varianzen darin aus den sehr einfachen Ergebnissen 9 und 30 gewonnen werden. Jedoch verändert sich jedes Mal, wenn ein neues Archivspektrum mit in die Analyse eingebracht wird, die innere Produktmatrix A, und ihre Inverse, welche zumindest in Gleichung 31 benötigt wird, muß neu berechnet werden, und zum Umkehren einer allgemeinen Matrix gibt es keine einfache Formel wie Gleichung 17. Zusätzlich muß das Matrixprodukt A&supmin;¹KT neu berechnet werden, um P zu erhalten. Der vorherige Wert von xopt wird auch nutzlos. Bei Verwendung der orthogonalen Basis K' sind die Koeffizienten und ihre Varianzen durch die Gleichungen 20, 21 und 29 gegeben. Im folgenden wird näher darauf eingegangen, was geschieht, wenn bei Verwendung der Basis K' ein neues Archivspektrum zu dem Satz der in der Analyse verwendeten Archivspektren hinzugefügt werden muß.It might at first seem that the original basis K is the most sensible choice to use in the analysis, since the coefficients and their variances in it are obtained from the very simple results 9 and 30. However, every time a new archive spectrum is introduced into the analysis, the inner product matrix A changes and its inverse, which is required at least in equation 31, must be recalculated, and there is no simple formula like equation 17 for inverting a general matrix. In addition, the matrix product A⊃min;¹KT must be recalculated to obtain P. The previous value of xopt also becomes useless. Using the orthogonal basis K', the coefficients and their variances are given by equations 20, 21 and 29. The following will discuss in more detail what happens when a new archive spectrum has to be added to the set of archive spectra used in the analysis when using the basis K'.
Zunächst muß ein neues orthogonales Spektrum K'M+1 aus dar Gleichungsgruppe 12 berechnet werden. Beim Berechnen der in dem Ausdruck K'M+1 in der Gleichungsgruppe 12 auftretenden Koeffizienten erhält man auch die Elemente der Spalte M + 1, die zu der Transformationsmatrix Q hinzugerechnet werden müssen. (Die neuen Zeilenelemente QM+1,j, j > M+1 sind nach Gleichung 14 Nullen.) Diese neue Spalte bedeutet, daß auch die inverse Transformationsmatrix Q&supmin;¹ verändert ist. Aus Gleichung 17 ist jedoch ersichtlich, daß ein beliebiges Element von Q&supmin;¹ nur von den vorher errechneten Elementen von Q&supmin;¹ in derselben Spalte und von den Elementen von Q in derselben und in vorherigen Spalten abhängt. Somit verändern sich die vorherigen Elemente von Q&supmin;¹ nicht, und es müssen nur M neue Elemente Q&supmin;¹M,M+1, ..., Q&supmin;¹1,M+1 berechnet werden, die durch Gleichung 17 angegeben sind als First, a new orthogonal spectrum K'M+1 must be calculated from equation group 12. When calculating the coefficients appearing in the expression K'M+1 in equation group 12, one also obtains the elements of column M + 1, which must be added to the transformation matrix Q. (The new row elements QM+1,j, j > M+1 are zeros according to equation 14.) This new column means that the inverse transformation matrix Q⊃min;¹ is also changed. However, it can be seen from equation 17 that any element of Q⊃min;¹ can only be influenced by the previously calculated elements of Q⊃min;¹ in the same column and by the elements of Q in the same and in previous columns. Thus, the previous elements of Q⊃min;¹ do not change and only M new elements Q⊃min;¹M,M+1, ..., Q⊃min;¹1,M+1 need to be calculated, which are given by equation 17 as
(Da Q&supmin;¹ eine obere Dreiecksmatrix ist, sind alle Elemente der neuen Zeile Q&supmin;¹M+1 entweder null oder eins.) Falls immer noch dieselbe Messung s analysiert wird wie vor der Änderung von Q&supmin;¹, müssen noch die folgenden Korrekturen an den vorhergegangenen Berechnungen durchgeführt werden:(Since Q⊃min;¹ is an upper triangular matrix, all elements of the new row Q⊃min;¹M+1 are either zero or one.) If the same measurement s is still analyzed as before the change of Q⊃min;¹, the following corrections must be made to the previous calculations:
1) Es muß eine neue Komponente x'opt,M+1 in den Vektor x'opt hinzugefügt werden, welche aus Gleichung 20 erhalten wird.1) A new component x'opt,M+1 must be added to the vector x'opt, which is obtained from equation 20.
2) Nach Gleichung 21 gilt: xopt,M+1 = Q&supmin;¹M+1x'opt = x'opt,M+1. Zu den anderen Komponenten xopt,j muß der Ausdruck Q&supmin;¹jM+1x'opt,M+1 hinzugefügt werden.2) According to equation 21: xopt,M+1 = Q⊃min;¹M+1x'opt = x'opt,M+1. The expression Q⊃min;¹jM+1x'opt,M+1 must be added to the other components xopt,j.
3) Nach Gleichung 29 gilt: Var(xeopt,M+1) = σs²/(N K'M+1 ²). Zu den übrigen Varianzen Var(xopt,j) = Var(xeopt,j) muß der Ausdruck 3) According to equation 29, Var(xeopt,M+1) = σs²/(N K'M+1 ²) applies. For the remaining variances Var(xopt,j) = Var(xeopt,j) the expression
addiert werden.be added.
Da die Quadrate der Normen K'j ² wiederholt gebraucht werden, ist es sinnvoll, diese in einem Vektor zu speichern, nachdem sie in Gleichungsgruppe 12 berechnet wurden. Die Verwendung von reellen Zahlen doppelter Genauigkeit ist bei Computerprogrammen sehr zu empfehlen.Since the squares of the norms K'j ² are used repeatedly, it is useful to store them in a vector after they have been calculated in equation group 12. The use of double-precision real numbers is highly recommended in computer programs.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail using examples and with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt ein Mischungsspektrum s, die lineare Kombination Kxopt der Archivspektren, die s am besten erklärt, und das Restspektrum s-Kxopt, das dann noch unerklärt bleibt (in der Figur vergrößert dargestellt).Fig. 1 shows a mixture spectrum s, the linear combination Kxopt of the archive spectra that best explains s, and the residual spectrum s-Kxopt that still remains unexplained (shown enlarged in the figure).
Fig. 2 zeigt eine Darstellung von dem, was geschieht, wenn das verwendete Archiv Fehler aufweist; es wurde dasselbe Mischungsspektrum analysiert wie in Fig. 1, jedoch wurde hier das Spektrum von 2-Butanon aus dem verwendeten Satz Archivspektren entfernt.Fig. 2 shows an illustration of what happens when the archive used has errors; the same mixture spectrum was analyzed as in Fig. 1, but here the spectrum of 2-butanone was removed from the set of archive spectra used.
Fig. 3 zeigt eine Situation, bei der der Interferometer richtig ausgerichtet ist, die Strahlungsquelle jedoch kreisförmig anstatt ideal punktförmig ist und das Signal in jeder einzelnen Wellenzahl &sub0; gleichmäßig über das Intervall von &sub0;(1-αmax²/2) bis &sub0; verteilt ist.Fig. 3 shows a situation where the interferometer is correctly aligned, but the radiation source is circular rather than ideally point-shaped and the signal in each individual wavenumber α0 is evenly distributed over the interval from α0(1-αmax²/2) to α0.
Fig. 4 zeigt eine Situation, in der die beobachtete Linienform e&sup0; immer die Faltung der tatsächlichen Lininenform e, der in Fig. 3 beschriebenen Boxcar- Verbreiterungsfunktion wΩ und der Fourier-Transformation wL der Boxcar-Interferogramm-Abstumpfungsfunktion ist.Fig. 4 shows a situation where the observed lineshape e0 is always the convolution of the actual lineshape e, the boxcar broadening function wΩ described in Fig. 3, and the Fourier transform wL of the boxcar interferogram truncation function.
Fig. 5 zeigt eine Situation, bei der für jede Komponente xj des optimalen nicht-negativen Koeffizientenvektors xopt eine der beiden folgenden Bedingungen zutrifft: Fig. 5 shows a situation where for each component xj of the optimal non-negative coefficient vector xopt one of the following two conditions applies:
Nachfolgend wird die bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Methode wird anhand einer Analyse des Spektrums einer einfachen Gasmischung demonstriert. Die Koeffizienten werden mit den Gleichungen 20 und 21 berechnet und ihre Fehlergrenzen mit Gleichungen 29 und 32. Es werden hier 50% Fehlergrenzen verwendet, da diese eine sehr gute Vorstellung von den Größenordnungen der Fehler geben. Fig. 1 zeigt das Mischungsspektrum s, das mittels eines Satzes von 12 Archivspektren analysiert werden soll. Tabelle 1 zeigt die Komponenten von xopt mit Fehlergrenzen. Die ersten drei Komponenten sind die Untergrundspektren. Dias sind alles Spektren oder Funktionen, die auch in dar Untergrundmessung vorhanden sind oder die durch Fehlerdaten im Interferogramm entstehen können. Sie können negative sowie positive Koeffizienten haben. Das Mischungsspektrum s und die Archivspektren Kj werden mit identischen Vorrichtungen gemessen, allerdings wurde s ein künstliches Rauschen beigefügt, um eine geringere Genauigkeit zu simulieren, von der hier ausgegangen wird. Zudem wird die lineare Kombination Kxopt der Archivspektren gezeigt, die s am besten erklärt. Ebenfalls wird das Restspektrum s- Kxopt gezeigt, das dann unerklärt bleibt. Es läßt sich erkennen, daß das Restspektrum aus reinem weißen Rauschen besteht. Dies zeigt an, daß die Analyse erfolgreich war und daß die 12 verwendeten Archivspektren ausreichen, um die Messung zu erklären. In Tabelle 1 wird das Ergebnis der Analyse bzw. der optimale Koeffizientenvektor xopt angegeben. Optimaler Koeffizientenvektor The preferred embodiment of the present invention is explained below. The method is based on an analysis of the spectrum of a simple gas mixture. The coefficients are calculated using equations 20 and 21 and their error limits using equations 29 and 32. 50% error limits are used here as they give a very good idea of the magnitude of the errors. Fig. 1 shows the mixture spectrum s to be analyzed using a set of 12 archive spectra. Table 1 shows the components of xopt with error limits. The first three components are the background spectra. Dias are all spectra or functions that are also present in the background measurement or that can arise from error data in the interferogram. They can have negative as well as positive coefficients. The mixture spectrum s and the archive spectra Kj are measured with identical devices, but artificial noise has been added to s to simulate a lower accuracy, which is assumed here. In addition, the linear combination Kxopt of the archive spectra that best explains s is shown. The residual spectrum s- Kxopt is also shown, which then remains unexplained. It can be seen that the residual spectrum consists of pure white noise. This indicates that the analysis was successful and that the 12 archive spectra used are sufficient to explain the measurement. The result of the analysis, or the optimal coefficient vector xopt, is given in Table 1. Optimal coefficient vector
Der Partialdruck des Archivgases j wird nun durch Multiplizieren seines Meßdrucks mit seinem Koeffizienten xopt,j erhalten. Die Komponenten, die in der Mischung nicht existieren, haben kleine positive oder negative Koeffizienten derselben Größenordnung wie ihre Fehlergrenzen. Werden der Analyse einige Untergrundspektren hinzugefügt, geschieht das optimale Entfernen des Untergrunds des Spektrums auch automatisch. Tatsächlich sind die ersten drei Spektren (Wasser, Kohlendioxid und die konstante Funktion, die überall einen Wert von eins hat) in der Tabelle Untergrundspektren. Da ihre genauen Koeffizienten hier nicht von Interesse sind, sondern die Koeffizienten lediglich beseitigt werden sollen, müssen sie nicht einmal rein sein, sondern können einander enthalten. Die Archivspektren können auch etwas Kohlendioxid und Wasser enthalten, ohne daß sich dies auf den Wert ihrer Koeffizienten auswirkt. Die einzige Auswirkung ist die, daß die Koeffizienten und Fehlergrenzen der Untergrundspektren nicht verläßlich sind. Die Koeffizienten der Untergrundspektren können negative sowie positive Werte haben. So kann es z. B. tatsächlich geschehen, daß während der Messung des Untergrundinterferogramms mehr Kohlendioxid vorhanden ist als während der Messung des Probeinterferogramms.The partial pressure of the archive gas j is now obtained by multiplying its measuring pressure by its coefficient xopt,j. The components that do not exist in the mixture have small positive or negative coefficients of the same order of magnitude as their error limits. If some background spectra are added to the analysis, the optimal removal of the background of the spectrum also happens automatically. In fact, the first three spectra (water, carbon dioxide and the constant function, which has a value of one everywhere) in the table are background spectra. Since their exact coefficients are not of interest here, but the coefficients are only to be eliminated, they do not even have to be pure, but can contain each other. The archive spectra can also contain some carbon dioxide and water without this affecting the value of their coefficients. The only effect is that the coefficients and error limits of the background spectra are not reliable. The coefficients of the background spectra can have negative as well as positive values. For example, it can actually happen that during the measurement of the background interferogram more carbon dioxide is present than during the measurement of the sample interferogram.
In Fig. 2 wird gezeigt, was geschieht, wenn der Satz der verwendeten Archivspektren zum Erklären des Mischungsspektrums nicht ausreichend ist. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Analyse bzw. den optimalen Koeffizientenvektor xopt. Optimaler Koeffizientenvektor Fig. 2 shows what happens when the set of archive spectra used is not sufficient to explain the mixture spectrum. Table 2 shows the results of the analysis and the optimal coefficient vector xopt. Optimal coefficient vector
Es wird dasselbe Mischungsspektrum verwendet wie in Fig. 1, jedoch wird das Spektrum von 2-Butanon, einem wichtigen Bestandteil der Gasmischung, nicht in die Analyse mit einbezogen. Nun ist das minimierte Restspektrum nicht reines Rauschen, und die Koeffizienten der übrigen Archivspektren haben sich auch verändert. Es ist erkennbar, daß das minimierte Restspektrum s-Kxopt nun nicht mehr weißes Rauschen ist, sondern eine andere Struktur hat, und - was sehr wichtig ist - auf denselben Wellenzahlen Strukturen aufweist, auf denen das fehlende Archivspektrum Spektrallinien hat. So läßt sich aus dem Restspektrum schließen, welche Art von Spektren noch in die Analyse mit einbezogen werden sollten. Da der Anteil des fehlenden Spektrums anhand der verbleibenden Spektren so gut wie möglich erklärt werden muß, sind auch ihre Koeffizienten verzerrt, und ihre Fehlergrenzen sind nicht mehr verläßlich. Folglich müssen immer neue Archivspektren in die Analyse mit einbezogen werden, bis in dem Restspektrum keine Struktur mehr vorhanden ist.The same mixture spectrum is used as in Fig. 1, but the spectrum of 2-butanone, an important component of the gas mixture, is not included in the analysis. Now the minimized residual spectrum is not pure noise, and the coefficients of the other archive spectra have also changed. It can be seen that the minimized residual spectrum s-Kxopt is no longer white noise, but has a different structure and - what is very important - has structures on the same wave numbers on which the missing archive spectrum has spectral lines. In this way, it is possible to deduce from the residual spectrum which type of spectra should still be included in the analysis. Since the proportion of the missing spectrum must be explained as well as possible using the remaining spectra, their coefficients are also distorted and their error limits are no longer reliable. Consequently, new archive spectra must be included in the analysis until there is no longer any structure in the remaining spectrum.
Wenn in s und dem Archiv verschiedene Druckverbreiterungen vorhanden sind, wäre es eventuell hilfreich, mehrere Archivspektren für eine einzige Gasmischung zu verwenden. Ein besseres vorgehen wäre jedoch die Verringerung der Auflösung, so daß alle Linien sinusförmig werden (siehe unten).If different pressure broadenings are present in s and the archive, it may be helpful to use multiple archive spectra for a single gas mixture. A better approach, however, would be to reduce the resolution so that all lines become sinusoidal (see below).
In Fig. 4 ist die Funktion wL eine Sinusfunktion, und das Intervall zwischen ihren zwei aufeinanderfolgenden Nullstellen ist gleich dem Datenintervall Δ in dem Spektralbereich, welches wiederum gleich 1/(2NΔx) ist. Die volle Breite bei halber Höhe (full width at halfheight, FWHH) von wL ist ungefähr dieselbe. Die Breite W von wΩ ist direkt proportional zu &sub0; (Lage der Spektrallinie) und dar Fläche der Strahlungsquelle. Ihre Höhe H ist umgekehrt proportional zu &sub0; und direkt proportional zu der Flächenhelligkeit der Quelle. In einer optimalen Situation sind die vollen Breiten bei halber Höhe (FWHH) der drei Kurven auf der rechten Seite der Gleichung ungefähr gleich. Die Gesamtfläche von e&sup0; ist das Produkt aus den Flächen von e, wΩ und wL. Die Fläche von wL ist immer 1 und kann als dimensionslos betrachtet werden.In Fig. 4, the function wL is a sine function, and the interval between its two consecutive zeros is equal to the data interval Δ in the spectral domain, which in turn is equal to 1/(2NΔx). The full width at half height (FWHH) of wL is approximately the same. The width W of wΩ is directly proportional to θ (location of the spectral line) and the area of the radiation source. Its height H is inversely proportional to θ and directly proportional to the surface brightness of the source. In an optimal situation, the full widths at half height (FWHH) of the three curves on the right-hand side of the equation are approximately equal. The total area of e0 is the product of the areas of e, wΩ and wL. The area of wL is always 1 and can be considered dimensionless.
Nach Festlegen des Wellenzahlbereichs, mit dem sich beschäftigt werden soll, wird das Probeintervall in dem Interferometer nach dem Nyquist-Abtasttheorem ebenfalls bestimmt. Es muß jedoch noch die Länge des registrierten Interferogramms oder die Amplitude der Spiegelbewegung festgelegt werden, welche wiederum durch die Anzahl der verwendeten Daten N bestimmt wird. Mit N wird die Anzahl der Daten des einseitigen Interferogramms bezeichnet. Die entsprechende bei dem Algorithmus der schnellen Fourier- Transformation verwendete Anzahl ist dann 2N. Im folgenden wird untersucht, wie die Anzahl der Daten bestimmt werden sollte, um die Fehlergrenzen zu minimieren. Wie aus Gleichung 32 ersichtlich ist, sind die Fehlergrenzen direkt proportional zu den Standardabweichungen der Koeffizienten, d. h. zu den Quadratwurzeln ihrer Varianzen. Aus Gleichung 29 oder 33 ergibt sich: After determining the wave number range to be dealt with, the sampling interval in the interferometer is also determined according to the Nyquist sampling theorem. However, the length of the recorded interferogram or the amplitude of the mirror movement must still be determined. which in turn is determined by the number of data used N. N denotes the number of data in the one-sided interferogram. The corresponding number used in the fast Fourier transformation algorithm is then 2N. In the following, we will examine how the number of data should be determined in order to minimize the error limits. As can be seen from equation 32, the error limits are directly proportional to the standard deviations of the coefficients, ie to the square roots of their variances. From equation 29 or 33 we get:
Somit sind die Fehlergrenzen direkt proportional zu der Standardabweichung σs des Spektralrauschens und umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel der Datenanzahl N. Entsprechend der Definitionen von innerem Produkt und Norm durch Gleichungen 8 und 5 ist der verbleibende Ausdruck in der Quadratwurzel keine explizite Funktion von N. Er hängt jedoch von den Formen der Archivspektren ab.Thus, the error bounds are directly proportional to the standard deviation σs of the spectral noise and inversely proportional to the square root of the number of data N. According to the definitions of inner product and norm by equations 8 and 5, the remaining term in the square root is not an explicit function of N. It does, however, depend on the shapes of the archive spectra.
Im folgenden wird untersucht, was geschieht, wenn die Anzahl der Daten N um einen Faktor 1/k verringert wird. Es wird sofort die negative Auswirkung ersichtlich, daß der Koeffizient 1/ N um den Faktor k1/2 vergrößert wird. Die Standardabweichung σs des Rauschens des Mischungsspektrums hat sich jedoch auch verändert. Diese Veränderung wird bestimmt durch das Parsevalsche Theorem In the following we will examine what happens when the number of data N is reduced by a factor of 1/k. The negative effect that the coefficient 1/ N is increased by a factor of k1/2 is immediately apparent. However, the standard deviation σs of the noise of the mixture spectrum has also changed. This change is determined by Parseval's theorem
wobei ni und ns die Rauschfunktionen im Interferogramm bzw. im Spektrum sind. (Diese zwei Zufallsprozesse sind ein Fourier-Transformationspaar.) Da es sich bei dem Rauschen ni um vollkommen weißes Rauschen handelt, ist seine "Amplitude" überall gleich. Wenn die Länge des ersten Integrals auf 1/k seines ursprünglichen Werts verkürzt wird, verringert sich also der Wert des Integrals um denselben Faktor k&supmin;¹. Folglich muß sich das andere Integral um denselben Faktor verändern. Da der untersuchte Wellenzahlbereich nicht verändert wird, besteht nur die Möglichkeit, daß die "Amplitude" des Rauschens ns oder dessen Standardagweichung σs um den Faktor k1/2 verringert wird. Durch diesen Effekt wird die 1/ N - Abhängigkeit der Gleichung 35 vollständig eliminiert.where ni and ns are the noise functions in the interferogram and spectrum, respectively. (These two random processes are a Fourier transform pair.) Since the noise ni is completely white noise, its "amplitude" is the same everywhere. If the length of the first integral is shortened to 1/k of its original value, the value of the integral is reduced by the same factor k-1. Consequently, the other integral must change by the same factor. Since the wave number range under investigation is not changed, the only possibility is that the "amplitude" of the noise ns or its standard deviation σs is reduced by the factor k1/2. This effect completely eliminates the 1/N dependence of equation 35.
Wie oben festgestellt, bleibt der Koeffizient σs/ N in Gleichung 35 bei Verringerung der Auflösung konstant. Somit ist der einzige mögliche Ausgangspunkt für Änderungen der Fehlergrenzen der Ausdruck As stated above, the coefficient σs/ N in equation 35 remains constant as the resolution is reduced. Thus, the only possible starting point for changes in the error limits is the expression
Wie bereits erwähnt, bedeuten die Definitionen von innerem Produkt und Norm, daß dieser Ausdruck lediglich von den Formen der Archivspektren abhängt, wenn M festgelegt ist. Die Anzahl der Daten selbst ist nicht wichtig. Alle linearen Veränderungen, bei denen alle Archivspektren mit einem konstanten Koeffizienten C multipliziert werden, verändern diesen Ausdruck in der Quadratwurzel um die Konstante C&supmin;¹. Nun werden die Spektren in der Praxis immer durch Anwendung des Algorithmus der schnellen Fourier- Transformation (FFT) aus den entsprechenden Interferogrammen berechnet. Eine grundlegende Eigenschaft dieses Algorithmus ist, daß das Datenintervall im Spektrum 1/(2NΔx) ist, wobei Δx das Probeintervall des Interferogramms ist. Wird die Anzahl der Daten um den Faktor 1/k verringert, vergrößert sich folglich das Datenintervall des Spektralbereichs um den Faktor k. Solange das Datenintervall ( Auflösung/1,21) kleiner bleibt als die volle Breite bei halber Höhe (FWHH) der Spektrallinien, existiert bei jeder Linie zumindest ein Datum, und die Form der Spektrallinien variiert nicht erheblich. Dies bedeutet, daß die Verwendung einer Auflösung, die höher ist als die Breite der Spektrallinien, wenig sinnvoll ist. In dem Bereich des Interferogramms bedeutet dies, daß das Interferogramm problemlos abgestumpft werden kann, solange nicht ein erheblicher Anteil des Signals abgeschnitten wird.As already mentioned, the definitions of inner product and norm mean that this expression depends only on the shapes of the archive spectra when M is fixed. The number of data itself is not important. Any linear changes, where all archive spectra are multiplied by a constant coefficient C, change this expression in the square root by the constant C⁻¹. Now, in practice, the spectra are always calculated from the corresponding interferograms by applying the fast Fourier transform (FFT) algorithm. A fundamental property of this algorithm is that the data interval in the spectrum is 1/(2NΔx), where Δx is the sample interval of the interferogram. If the number of data is reduced by a factor of 1/k, the data interval of the spectral range will consequently increase by a factor of k. As long as the data interval (resolution/1.21) remains smaller than the full width at half height (FWHH) of the spectral lines, at least one data exists at each line and the shape of the spectral lines does not vary significantly. This means that using a resolution higher than the width of the spectral lines makes little sense. In the range of the interferogram, this means that the interferogram can be truncated without any problem as long as a significant portion of the signal is not clipped.
Im folgenden wird die Funktion zum Abstumpfen das Interferogramms definiert als Boxcar-Funktion mit dem Wert 1 zwischen x = NΔx und ansonsten dem Wert 0. Da nur ein endliches Intervall der Interferogramms registriert werden kann, wird das tatsächliche, unendlich lange Interferogramm immer mit dieser Funktion multipliziert. Im Spektralbereich bedeutet dies, daß die Spektren gefaltet werden mit der Fourier-Transformation wL der Abstumpfungsfunktion, bzw.In the following, the function for truncating the interferogram is defined as a boxcar function with the value 1 between x = NΔx and otherwise the value 0. Since only a finite interval of the interferogram can be registered, the actual, infinitely long interferogram is always multiplied by this function. In the spectral range, this means that the spectra are convolved with the Fourier transformation wL of the truncating function, or
e&sup0; = e∞*wL (37)e⁻ = e⁻*wL (37)
wobeiwhere
wL( ) = 2NΔx sin(2NΔxπ ), (38)wL( ) = 2NΔx sin(2NΔxπ ), (38)
e&sup0; das Mischungsspektrum oder ein Archivspektrum ist und e∞ das Spektrum ist, das man durch Umformen des gesamten Interferogramms erhalten würde. Die volle Breite bei halber Höhe (FWHH) dieser Sinusfunktion beträgt ungefähr 1,21/(2NΔx), und dies ist die Größe, die hier als Auflösung bezeichnet wird. Solange N größer bleibt als (2Δx · FWHH der Spektrallinien)&supmin;¹, hat wL eine geringere Breite als die Linien von e∞ und hat keinen erheblichen Einfluß auf deren Formen. Wird die Auflösung nach diesem Punkt weiter verringert, werden die Spektrallinien plötzlich breiter, und ihre Formen werden hauptsächlich durch wL anstatt durch ihre wahren Formen bestimmt. Dies bedeutet, daß die Faltung von Gleichung 37 die Spektren dann in nicht-linerarer Weise verändert, so daß ihre Auswirkung nicht eine einfache Multiplikation des Ausdrucks in der Quadratwurzel mit einem konstanten Koeffizienten ist. Wird keine Apodisation angewendet, fangen die Linien an, sinuswellenförmig zu werden. (Wird eine Apodisation angewendet, sind die Rauschdaten des Interferogramms nicht mehr identisch verteilt und die Fehleranalyse ist nicht gültig.) Aufgrund der Verbreiterung beginnen die Linien, sich zu überlappen, wodurch es schwieriger wird, sie voneinander zu unterscheiden. Dies bedeutet wiederum, daß der Summenausdruck in Gleichung 35 anfängt, zu wachsen. Die Wachstumsrate hängt jedoch von der Anzahl M der in der Analyse verwendeten Archivspektren und von der Nähe der Linien zueinander ab. Bei einer ursprünglichen Gruppierung der Linien in Sätzen von sich überlappenden Linien wäre z. B. die Wachstumsrate nicht so schnell wie bei einer ursprünglichen Anordnung der Linien in ungefähr gleichmäßigen Intervallen. Dennoch können einige grobe Ergebnisse genannt werden. Bei Verwendung eines Satzes von höchstens 50 Archivspektren liegt z. B. der Wachstumskoeffizient des Ausdrucks in der Quadratwurzel normalerweise zwischen k1/3 und k1/2, je nach Anordnung der Linien. Der Ausdruck in der Quadratwurzel hängt auch von der Anzahl der Linien in den Spektren ab. Diese Abhängigkeit folgt der groben Regel, daß der Wert der Quadratwurzel ungefähr umgekehrt proportional ist zu der Quadratwurzel der durchschnittlichen Anzahl der Linien in einem Spektrum. Somit kann er als ein von N unabhängiger konstanter Koeffiezent betrachtet werden.e⁹ is the mixing spectrum or an archive spectrum and e− is the spectrum that would be obtained by reshaping the entire interferogram. The full width at half height (FWHH) of this sine function is approximately 1.21/(2NΔx), and this is the quantity used here as the resolution As long as N remains greater than (2Δx FWHH of spectral lines)-1, wL has a smaller width than the lines of e−1 and does not significantly affect their shapes. If the resolution is further reduced after this point, the spectral lines suddenly become broader and their shapes are determined primarily by wL rather than their true shapes. This means that the convolution of equation 37 then changes the spectra in a non-linear way, so that its effect is not a simple multiplication of the square root expression by a constant coefficient. If no apodization is applied, the lines start to become sinusoidal. (If apodization is applied, the noise data of the interferogram are no longer identically distributed and the error analysis is not valid.) Due to the broadening, the lines start to overlap, making it more difficult to distinguish them from each other. This in turn means that the sum term in equation 35 starts to grow. However, the growth rate depends on the number M of archive spectra used in the analysis and on the proximity of the lines to each other. For example, if the lines were originally grouped in sets of overlapping lines, the growth rate would not be as fast as if the lines were originally arranged at approximately equal intervals. Nevertheless, some rough results can be given. For example, if a set of at most 50 archive spectra is used, the growth coefficient of the square root term is usually between k1/3 and k1/2, depending on the arrangement of the lines. The square root term also depends on the number of lines in the spectra. This dependence follows the rough rule that the value of the square root is approximately inversely proportional to the square root of the average number of lines in a spectrum. Thus, it can be considered as a constant coefficient independent of N.
Nach den obigen Ausführungen wäre die beste Wahl für die Auflösung die volle Breite bei halber Höhe (FWHH) der Spektrallinien. Folglich sollte sich das aufgezeichnete Interferogramm von -1/(2 · FWHH) bis 1/(2 · FWHH) erstrecken. Dies trifft jedoch nur zu, wenn es nicht möglich ist, die Einstellungen des Interferometers zu verändern. Können alle Parameter der Vorrichtung frei bestimmt werden, bietet die Verringerung der Auflösung zwei weitere Vorteile, welche im folgenden näher erörtert werden.According to the above, the best choice for resolution would be the full width at half height (FWHH) of the spectral lines. Consequently, the recorded interferogram should extend from -1/(2 · FWHH) to 1/(2 · FWHH). However, this is only true if it is not possible to change the settings of the interferometer. If all parameters of the device can be freely determined, reducing the resolution offers two further advantages, which are discussed in more detail below.
Bekanntlich führt eine nicht-punktförmige Strahlungsquelle zur Verbreiterung aller Spektrallinien. Die (Öffnung der) Strahlungsquelle ist üblicherweise rund, und in diesem Fall wird jede monochromatische Spektrallinie in eine Boxcar- Linienform ausgebreitet, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Breite der Box ist dann direkt proportional zu der Fläche der Strahlungsquelle. Dies bedeutet, daß das Spektrum e∞ in Gleichung 37 tatsächlich das wahre Spektrum e ist, gefaltet mit der Boxcar-Funktion wΩ entstehend aus der nicht-Null Fläche der Lichtquelle. Somit kann Gleichung 37 umgeschrieben werden alsAs is well known, a non-point radiation source leads to the broadening of all spectral lines. The (opening of the) radiation source is usually round, and in this case every monochromatic spectral line is spread out into a boxcar line shape, as shown in Fig. 3. The width of the box is then directly proportional to the area of the radiation source. This means that the spectrum e− in Equation 37 is actually the true spectrum e convolved with the boxcar function wΩ arising from the non-zero area of the light source. Thus, Equation 37 can be rewritten as
e&sup0; = e*wΩ*wL. (39)e⁻ = e*wΩ*wL. (39)
Da die Breite von wΩ von der Wellenzahl &sub0; der jeweils betrachteten Spektrallinie abhängt, würde eine genaue Betrachtung die Verwendung verschiedener wΩ für jede Linie erfordern. Gleichung 39 wird in Fig. 4 dargestellt. Da die volle Breite bei halber Höhe (FWHH) der gefalteten Linie ungefähr der Summe der FWHHs der Komponenten der Faltung gleicht, haben die Verzerrungen wΩ und wL nur dann eine erhebliche Auswirkung, wenn ihre Breiten größer sind als die der natürlichen Breiten der Spektrallinien. So kann das Signal problemlos vergrößert werden durch eine Vergrößerung des Radius der Strahlungsquelle so weit, bis die (maximale) Breite der Boxcar-Verzerrung der FWHH dar unverzerrten Spektrallinien entspricht. Entsprechend kann die Rechenmenge verringert werden durch Reduzierung der Auflösung so weit, bis die FWHH der Sinusverzerrung der der Spektrallinien gleicht. (Dies stellt die optimale Abstumpfung des Interferogramms dar.) Im Fall einer gasförmigen Probe kann jedoch die natürliche Breite der Linien so gering sein, daß diese Situation nicht erreicht werden kann. Auf jeden Fall ist es immer noch sinnvoll, daß die Verzerrungen wΩ und wL von derselben Größenordnung sind. Somit kann diese Situation als Ausgangspunkt betrachtet werden. Nun wird die Anzahl der Daten um den Faktor k&supmin;¹ reduziert. Wie bereits erwähnt, führt diese Verringerung zu einer Verbreiterung der Linien durch eine Verbreiterung von wL tum einen Faktor k, wodurch der Ausdruck in der Quadratwurzel der Gleichung 35 um einen Faktor von höchstens k1/2 vergrößert wird, falls die Anzahl der verwendeten Archivspektren einige Zehner beträgt. Hat M hingegen eine Größenordnung von einigen hundert, kann dieser Faktor von der Größenordnung von k sein. Nun kann jedoch die Fläche der Strahlungsquelle um den Faktor k vergrößert werden, ohne daß es zu einer erheblichen weiteren Vergrößerung der Breiten der Linien kommt. Da die Fläche unter den Spektrallinien dann aufgrund der Vergrößerung des Signals um den Faktor k ansteigen muß, ist die einzige Möglichkeit, daß die Höhen der Linien um denselben Faktor k vergrößert werden und die Änderung der Spektren annähernd linear ist. Das Multiplizieren der Spektren mit dem konstanten Koeffizienten k verringert den Ausdruck in der Quadratwurzel um den Koeffizienten k&supmin;¹. Dies ist mehr als ausreichend, um das Wachsen des Ausdrucks in der Quadratwurzel bei der nicht-linearen Interferogramm Abstumpfungs-Operation zu verhindern. In der Praxis können jedoch Schwierigkeiten entstehen beim Richten der vergrößerten Abbildung der Strahlungsquelle auf den Detektor.Since the width of wΩ depends on the wavenumber 0 of the spectral line under consideration, a precise consideration would require the use of different wΩ for each line. Equation 39 is presented in Fig. 4. Since the full width at half height (FWHH) of the folded line is approximately equal to the sum of the FWHHs of the components of the convolution, the distortions wΩ and wL have a significant effect only when their widths are larger than that of the natural widths of the spectral lines. Thus, the signal can be easily increased by increasing the radius of the radiation source until the (maximum) width of the boxcar distortion equals the FWHH of the undistorted spectral lines. Similarly, the amount of computation can be reduced by reducing the resolution until the FWHH of the sine distortion equals that of the spectral lines. (This represents the optimal truncation of the interferogram.) In the case of a gaseous sample, however, the natural width of the lines may be so small that this situation cannot be achieved. In any case, it is still reasonable that the distortions wΩ and wL are of the same order of magnitude. Thus, this situation can be considered as a starting point. Now the number of data is reduced by a factor of k⊃min;¹. As already mentioned, this reduction leads to a broadening of the lines by a broadening of wL by a factor of k, which increases the square root expression of equation 35 by a factor of at most k1/2 if the number of archive spectra used is a few tens. On the other hand, if M is of the order of a few hundred, this factor may be of the order of k. Now, however, the area of the radiation source can be increased by a factor of k without causing a significant further increase in the widths of the lines. Since the area under the spectral lines must then increase by a factor of k due to the increase in the signal, the only possibility is that the heights of the lines are increased by the same factor k and the change in the spectra is approximately linear. Multiplying the spectra by the constant coefficient k reduces the square root expression by the coefficient k-1. This is more than sufficient to compensate for the growth of the square root expression in the non-linear interferogram. To prevent blunting surgery, however, in practice difficulties may arise when directing the magnified image of the radiation source onto the detector.
Der zweite zusätzliche Vorteil, den die Reduzierung der Auflösung bietet, ist, daß nun k Interferogramme in derselben Zeitspanne registriert werden können wie vorher ein einzelnes. Da die Fourier-Transformation eine lineare Operation ist, bedeutet das Ko-Addieren dieser Interferogramme, daß die entsprechenden Spektren auch koaddiert werden. Die fehlerfreien Spektren e bleiben bei jeder Messung dieselben, d. h. sie werden in der Summierung mit k multiplizert. Dies bedeutet eine einfache lineare Änderung der Spektren, was wiederum bedeutet, daß der Ausdruck in der Quadratwurzel mit k&supmin;¹ multipliziert wird. Das Rauschen von s, andererseits, ist jedes Mal unterschiedlich und wird nicht linear summiert. Aus den Ergebnissen 25 und 26 ist ersichtlich, daß das summierte Rauschen die Verteilung (N(0,kσs²)) hat. Somit wird die Standardabweichung σs des Rauschens um den Faktor k1/2 vergrößert. Die Gesamtauswirkung ist, daß die Fehlergrenzen um den Faktor k-1/2 multipliziert werden.The second additional advantage offered by reducing the resolution is that now k interferograms can be recorded in the same time span as a single one was previously. Since the Fourier transform is a linear operation, co-adding these interferograms means that the corresponding spectra are also co-added. The error-free spectra e remain the same in each measurement, i.e. they are multiplied by k in the summation. This means a simple linear change in the spectra, which in turn means that the expression in the square root is multiplied by k-1. The noise of s, on the other hand, is different each time and is not summed linearly. From results 25 and 26 it can be seen that the summed noise has the distribution (N(0,kσs2)). Thus, the standard deviation σs of the noise is increased by a factor of k1/2. The overall effect is that the error limits are multiplied by a factor of k-1/2.
Werden nun endlich alle oben genannten Auswirkungen gesammelt betrachtet, wird deutlich, daß die kleinstmögliche Auflösung verwendet werden sollte, falls alle Parameter des Interferometers frei eingestellt werden können. Die Anzahl der Daten N sollte jedoch mindestens zwei- oder dreimal so groß sein wie die (maximale) Anzahl der Archivspektren, damit die Struktur des Restspektrums s- Kx erfolgreich untersucht werden kann.Finally, if all the above-mentioned effects are considered together, it becomes clear that the smallest possible resolution should be used if all parameters of the interferometer can be freely adjusted. However, the number of data N should be at least two or three times as large as the (maximum) number of archive spectra so that the structure of the residual spectrum s-Kx can be successfully investigated.
Sind die Archivspektren bei einer anderen Auflösung gemessen worden als die, bei der das Mischungsspektrum gemessen wird, kann die Analyse scheitern und es können große negative Koeffizienten erscheinen. Eine ähnliche Situation kann entstehen, wenn die Linienformen in den Archivspektren und in den Mischungsspektren aufgrund von Nicht-Linearitäten oder verschiedenen Druckverbreiterungen unterschiedlich sind. In diesem Fall kann durch Berechnung der besten nicht-negativen Lösung anstelle der besten Lösung eine gewisse Verbesserung erzielt werden. Als nicht- negative Lösung wird ein solcher Koeffizientenvektor x verstanden, welcher Gleichung 4 löst unter der Bedingung, daß jede Komponente von x nicht-negativ sein muß. Durch diesen Vorgang werden mehr Informationen in die Analyse eingebracht, da a priori-Wissen der Koeffizienten angewendet wird. Im folgenden wird ein Algorithmus für die Lösung von Gleichung 4 unter der Bedingung des Nicht- Negativitäts-Zwangs hergeleitet.If the archive spectra were measured at a different resolution than the one at which the mixture spectrum is measured, the analysis may fail and large negative coefficients appear. A similar situation can arise when the line shapes in the archive spectra and in the mixture spectra are different due to non-linearities or different pressure broadenings. In this case, some improvement can be achieved by calculating the best non-negative solution instead of the best solution. A non-negative solution is understood to be a coefficient vector x which solves equation 4 under the condition that every component of x must be non-negative. This process introduces more information into the analysis, since a priori knowledge of the coefficients is applied. In the following, an algorithm for solving equation 4 under the condition of non-negativity constraint is derived.
Die RestnormThe residual norm
d(x) = s-Kxd(x) = s-Kx
wird als d bezeichnet. Da eine Norm immer eine nicht- negative Menge ist, hat die Norm d genau dieselben Minima wie ihr Quadrat d ², so daß anstelle der Norm ihr Quadrat minimiert werden kann. Nun ist d(x) ² eine konvexe Funktion von x. Dies bedeutet, daß für jedes x&sub1;, x&sub2;, und λ, 0 < λ < 1, gilt:is denoted as d. Since a norm is always a non-negative set, the norm d has exactly the same minima as its square d ², so that its square can be minimized instead of the norm. Now d(x) ² is a convex function of x. This means that for every x₁, x₂, and λ, 0 < λ < 1, the following applies:
d(λx&sub1; + (1 - λ)x&sub2;) ² ≤ λ d(x&sub1;) ² + (1 - λ) d(x&sub2;) ². d(λx1 + (1 - λ)x2 ) 2 ? ? d(x 1 ) 2 + (1 - λ) d(x 2 ) 2 .
Dies wird ersichtlich durch Anwendung der Dreiecksungleichung und durch die Tatsache, daß das geometrische Mittel immer kleiner oder gleich dem arithmetischen Mittel ist. Durch die Konvexität wird impliziert, daß die Quadratnorm nur einen Minimalpunkt hat, wodurch die Minimierung erheblich vereinfacht wird.This is evident by applying the triangle inequality and by the fact that the geometric mean is always less than or equal to the arithmetic mean. The convexity implies that the square norm has only one minimum point, which makes minimization considerably easier.
Besonders, wenn andere Koeffizienten unveränderlich gehalten werden und nur ein Koeffizient xj variiert wird, ist d ² eine konvexe Funktion einer Variablen. Somit existieren am Optimalpunkt xopt zwei Möglichkeiten, entweder In particular, if other coefficients are kept constant and only one coefficient xj is varied, d ² is a convex function of one variable. Thus, at the optimal point xopt there are two possibilities, either
(wobei alle Komponenten bis auf die j'te an xopt gebunden sind) oder, wenn der Nullpunkt der Ableitung nicht im erlaubten Bereich xj ≥ 0 liegt,(where all components except the j'th are bound to xopt) or, if the zero point of the derivative is not in the allowed range xj ≥ 0,
xopt,j = 0,xopt,j = 0,
was bedeutet, daß xopt,j auf der Grenze zwischen den erlaubten und verbotenen Bereichen liegt. Dies kann wie folgt bewiesen werden:which means that xopt,j lies on the border between the allowed and forbidden regions. This can be proven as follows:
1) Wenn der Nullpunkt von ∂ d(xopt) ²/ ∂xj im erlaubten Bereich von x ≥ 0 liegt, muß xopt,j eindeutig diesem Nullpunkt gleichen.1) If the zero point of ∂ d(xopt) ²/ ∂xj lies in the allowed range of x ≥ 0, then xopt,j must be uniquely equal to this zero point.
2) Wenn der Nullpunkt von ∂ d(xopt) ²/ ∂xj im verbotenen Bereich von xj < 0 liegt, ist die Ableitung aufgrund der Konvexität von d(x) ² positiv, wenn xj ≥ 0. Somit würde, bei xopt,j > 0, die die Verkleinerung von xopt,j zu einer Verkleinerung des Wertes von d ² führen, ohne daß der erlaubte Bereich verlassen würde. Damit ist die einzige Möglichkeit, daß xopt,j = 0.2) If the origin of ∂ d(xopt) ²/ ∂xj lies in the forbidden region of xj < 0, the derivative due to the convexity of d(x) ² is positive if xj ≥ 0. Thus, if xopt,j > 0, decreasing xopt,j would decrease the value of d ² without leaving the allowed region. Thus, the only possibility is that xopt,j = 0.
Nun können die folgenden optimalen Bedingungen aufgestellt werden:Now the following optimal conditions can be established:
Bei dem einzigen Lösungspunkt xopt der Minimierungsaufgabe 4 mit nicht-negativen Komponenten von x gilt für jede Komponente xj eine der folgenden Bedingungen: For the only solution point xopt of the minimization task 4 with non-negative components of x, one of the following conditions applies for each component xj:
oder or
Dies wird in Fig. 5 demonstriert. Die sog. Kuhn-Tucker Kriterien (siehe ein Lehrbuch über Optimierung, z. B. [3]), die im Falle einer konvexen Objektfunktion eine notwendige und hinreichende Bedingung für Optimalität sind, würden zu ziemlich derselben Bedingung führen.This is demonstrated in Fig. 5. The so-called Kuhn-Tucker criteria (see a textbook on optimization, e.g. [3]), which are a necessary and sufficient condition for optimality in the case of a convex object function, would lead to pretty much the same condition.
Die partiellen Ableitungen sind sehr einfach zu berechnen, und man erhältThe partial derivatives are very easy to calculate, and you get
x( d(x) ²) = 2 (Ax - y), (41) x( d(x) ²) = 2 (Ax - y), (41)
wobei A die in Gleichung 10 definierte innere Produktmatrix ist und y durch Gleichung 11 gegeben ist. Die einzelnen partiellen Ableitungen sind die Komponenten dieses Gradienten, oder where A is the inner product matrix defined in equation 10 and y is given by equation 11. The individual partial derivatives are the components of this gradient, or
Werden in den verwendeten Satz Archivspektren einige Untergrundspektren mit einbezogen, ist es sinnvoll, ihre Koeffizienten nicht dem Nicht-Negativitäts-Zwang zu unterwerfen. Die Untergrundspektren umfassen alle Bestandteile, die auch während des Messens des Untergrunds vorhanden sind (wie z. B. Wasser und Kohlendioxid), sowie eine konstante Funktion und einfache Sinuswellen, welche durch fehlerhafte Daten im Interferogramm erzeugt werden können. Wird dies auch berücksichtigt, dann kann der Minimalpunkt z. B. durch den folgenden Algorithmus ermittelt werden:If some background spectra are included in the set of archive spectra used, it is sensible not to subject their coefficients to the non-negativity constraint. The background spectra include all components that are also present during the measurement of the background (such as water and carbon dioxide), as well as a constant function and simple sine waves that can be generated by erroneous data in the interferogram. If this is also taken into account, the minimum point can be determined, for example, using the following algorithm:
1) Es wird ein Ausgangspunkt x = x&sub0; gewählt, z. B. x&sub0; = (0,0, ..., 0)T oder x&sub0; = A&supmin;¹y. Es wird j = 1 eingesetzt.1) A starting point x = x�0 is chosen, e.g. x�0 = (0,0, ..., 0)T or x�0 = A⊃min;¹y. j = 1 is inserted.
2) Es wird folgendes berechnet: 2) The following is calculated:
was nach Gleichung 42 der Nullpunkt von ∂ d(x) ²/ ∂xj ist. Bei xj < 0 und wenn der Koeffizient xj dem Nicht- Negativitäts-Zwang unterliegt, wird xj = 0 wieder eingesetzt. Es wird j = j + 1 eingesetzt.which according to equation 42 is the zero point of ∂ d(x) ²/ ∂xj . If xj < 0 and if the coefficient xj is subject to the non-negativity constraint, xj = 0 is reinstated. j = j + 1 is inserted.
3) Falls j ≤ M (wobei M die Anzahl der in der Analyse verwendeten Archivspektren ist), wird zu Schritt 2 zurückgekehrt. Ansonsten wird zu Schritt 4) übergegangen.3) If j ≤ M (where M is the number of archive spectra used in the analysis), return to step 2. Otherwise, go to step 4).
4) Es wird folgendes berechnet:4) The following is calculated:
G = 1/2 x( d(x) ²) = Ax - y.G = 1/2 x( d(x) ²) = Ax - y.
Wenn für jede Komponente Gj von G entweder Gj < &sub1; oder (Gj > 0 und xj < &sub2;) gilt, wobei &sub1; und &sub2; geeignete kleine reelle Zahlen sind, wird aufgehört. Ansonsten wird j = 1 eingesetzt und zu Schritt 2 zurückgekehrt.If for each component Gj of G either Gj < ₁ or (Gj > 0 and xj < ₂), where ₁ and ₂ are suitable small real numbers, stop. Otherwise, insert j = 1 and return to step 2.
1. C. L. Lawson und R. J. Hanson, Solving least squares problems (Prentice-Hall, New Jersey, 1974), S. 36.1. C. L. Lawson and R. J. Hanson, Solving least squares problems (Prentice-Hall, New Jersey, 1974), p. 36.
2. B. Noble und J. W. Daniel, Applied linear algebra (Prentice-Hall, New Jersey, 1977), 2. Auflage.2. B. Noble and J. W. Daniel, Applied linear algebra (Prentice-Hall, New Jersey, 1977), 2nd edition.
3. M. S. Bazaraa und C. M. Shetty, Nonlinear programming - theory and algorithms (John Wiley & Sons, New York, 1979), S. 137.3. M. S. Bazaraa and C. M. Shetty, Nonlinear programming - theory and algorithms (John Wiley & Sons, New York, 1979), p. 137.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1993
- 1993-06-09 DE DE69320811T patent/DE69320811T2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10304455A1 (en) * | 2003-02-04 | 2004-08-19 | Siemens Ag | Method of analyzing a gas mixture |
DE10304455B4 (en) * | 2003-02-04 | 2005-04-14 | Siemens Ag | Method for analyzing a gas mixture |
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