基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(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)的平滑處理算法，能有效濾除光譜數(shù)據(jù)中隨機(jī)干擾 的存在，提高其計(jì)算精度。
【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，提高曲線的光滑度，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] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，包括以下步驟：
[0008] (1)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟；
[0009] (2)五點(diǎn)三次平滑濾波的步驟；
[0010] ⑶對(duì)處理后的數(shù)據(jù)輸出的步驟；
[0011] 上述步驟（2)中，對(duì)光譜曲線進(jìn)行擬合時(shí)做多次迭代運(yùn)算。
[0012] 進(jìn)一步的，上述步驟（2)包括如下步驟：
[0013] 處理原始光譜數(shù)據(jù)的步驟，將采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算處理成等間距的序 列；
[0014] 對(duì)生成的等間距序列過程進(jìn)行計(jì)算處理的步驟，用于選用五點(diǎn)三次平滑法建立模 型對(duì)序列過程進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算方法如下：
[0015] 取得2n+l個(gè)等距節(jié)點(diǎn)Xn，Xn+1…，Xi，X。，X1，…Xni，X上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為Yn， YwJ1J0J1, -"YnlJn;
[0017] 用m次多項(xiàng)式來擬合得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得正規(guī)方程組：
[0019] 當(dāng)n= 2，m= 3時(shí)，得到一個(gè)具體的正規(guī)方程組，由此解出Bt^apapait帶入上式， 并令t= 0, +1，-1，+2, -2,得到五點(diǎn)三次平滑公式
[0020] y,-2 = (69y,_2 + 4^,_, -6y, + 4yl+l -yl+2) / 70
[0021] ={2yl_2+27yl_, +Uyl-Sy,+l+2yl+2)/35
[0022] 歹,=(-3兄_2+12乂-,+17兄+12兄+l - 3兄+2)/35
[0023] 歹,+1 =(2'v,_2 -辦…+12少,+27 兄+| +2兄+2)/35
[0024] ^<+2= (-^-2+4^-I- 6X+4y,+i+69y,+i) / 70
[0025] 式中Y1為的Yjjl進(jìn)值；
[0026] 對(duì)處理后的等間隔序列處理的步驟，對(duì)以上得到的擬合后的光譜曲線丫;進(jìn)行多次 平滑處理。
[0027] 進(jìn)一步的，上述的迭代運(yùn)算次數(shù)為2-4次。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述方法通過平滑處理后的光譜數(shù)據(jù)可過濾掉隨機(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。
【附圖說明】：
[0029] 圖1是本發(fā)明數(shù)據(jù)處理方法流程圖；
[0030] 圖2模擬光譜數(shù)據(jù)與五點(diǎn)三次平滑處理對(duì)比圖；
[0031] 圖3是理想信號(hào)與五點(diǎn)三次平滑處理對(duì)比圖；
[0032] 圖4是五點(diǎn)三次平滑處理誤差圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0033] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述。
[0034] 本實(shí)施例是一種光譜數(shù)據(jù)過程平滑處理方法。所述方法的思路如下：
[0035] 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)繪成的過程多呈鋸齒狀，表明采樣數(shù)據(jù)具有非平穩(wěn)隨機(jī)過程特性。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。
[0036] 本實(shí)施例所述方法的具體步驟如下（流程圖見圖1):
[0037] 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)取得2n+l個(gè)等距節(jié)點(diǎn)，X-n， X-n+1…，X-l，X0,XI，…Xn-1，X上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為Yn，Yn+1…，YpY。，Y1，…YnpYn;
[0039] 對(duì)生成的等間隔的序列進(jìn)行計(jì)算處理的步驟：用m次多項(xiàng)式來擬合得到的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)（m越大，計(jì)算精度就越高，但計(jì)算量也會(huì)明顯加大）。設(shè)擬合多項(xiàng)式為：
[0041] 上述方程組稱為正規(guī)方程組；
[0042] 當(dāng)n= 2 (5個(gè)節(jié)點(diǎn)），m= 3時(shí)，得到一個(gè)具體的正規(guī)方程組，由此解出a。，a:，a;， alt帶入上式，并令t= 0, +1，-1，+2, -2,得到五點(diǎn)三次平滑公式
[0048] 式中Y,為的Yjjl進(jìn)值。
[0049] 對(duì)處理后的等間隔序列處理的步驟：對(duì)以上得到的擬合后的光譜曲線Y1進(jìn)行多次 平滑，平滑次數(shù)為2-4次?？筛鶕?jù)實(shí)際資料及具體需求調(diào)試確定，其原則是在保持水位過程 原有基本形態(tài)不變的基礎(chǔ)上，盡量消除過程中的干擾成分。可以取多次進(jìn)行比較，以獲得最 佳的平滑效果。
[0050] 表1為采用基于五點(diǎn)三次平滑算法處理后的光譜數(shù)據(jù)的對(duì)比。
[0051 ] 表1濾波數(shù)據(jù)采樣對(duì)比
[0052]
[0053] 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 無=0.0192,均方根誤差S= 0.0238。
[0054] 本發(fā)明運(yùn)用了MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以Sin(X)函數(shù)模擬原始光譜曲線，在理想信 號(hào)中加入高斯白噪聲，運(yùn)用五點(diǎn)三次平滑法進(jìn)行濾波處理。
[0055] 仿真結(jié)果如圖2, 3,4所示，
[0056] 圖2為模擬光譜數(shù)據(jù)與五點(diǎn)三次平滑曲線的對(duì)比圖，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)五點(diǎn)三次 平滑算法可以很好的對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。
[0057] 圖3為理想信號(hào)與五點(diǎn)三次平滑處理對(duì)比圖，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)五點(diǎn)三次平滑算 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。
[0058] 圖4為五點(diǎn)三次平滑處理誤差圖，通過此圖可以很直觀的看出五點(diǎn)三次平滑處理 與理想數(shù)據(jù)之間的誤差。
[0059] 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 在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(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. 一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，其特征在于：將五點(diǎn)三 次平滑處理算法運(yùn)用到熒光光譜的數(shù)據(jù)處理中，包括以下步驟： (1) 實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟； (2) 五點(diǎn)三次平滑濾波的步驟； (3) 對(duì)處理后的數(shù)據(jù)輸出的步驟； 上述步驟（2)中，對(duì)光譜曲線進(jìn)行擬合時(shí)做多次迭代運(yùn)算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，其特 征在于步驟（2)包括如下步驟： 處理原始光譜數(shù)據(jù)的步驟，將采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算處理成等間距的序列； 對(duì)生成的等間距序列過程進(jìn)行計(jì)算處理的步驟，用于選用五點(diǎn)三次平滑法建立模型對(duì) 序列過程進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算方法如下： 取得2n+1個(gè)等距節(jié)點(diǎn)X n，X n+1…，X i，X。，X1，…Xn i，X上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為Y n，Y n+1…， Y1, Y0Jp-H 再設(shè)兩節(jié)點(diǎn)間的等距為h，作交換用m次多項(xiàng)式來擬合得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得正規(guī)方程組：當(dāng)η = 2, m = 3時(shí)，得到一個(gè)具體的正規(guī)方程組，由此解出a。，ap alt帶入上式，并 令t = 0, +1，-1，+2, -2,得到五點(diǎn)三次平滑公式式中Y,為的進(jìn)值； 對(duì)處理后的等間隔序列處理的步驟，對(duì)以上得到的擬合后的光譜曲線Ji進(jìn)行多次平滑 處理。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，其特 征在于：所述的迭代運(yùn)算次數(shù)為2-4次。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的熒光光譜數(shù)據(jù)噪聲濾波方法，將五點(diǎn)三次平滑處理算法運(yùn)用到熒光光譜的數(shù)據(jù)處理中，并對(duì)光譜曲線進(jìn)行擬合時(shí)做多次迭代運(yùn)算，包括以下步驟(1)實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的步驟；(2)五點(diǎn)三次平滑濾波的步驟；(3)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)輸出的步驟。本發(fā)明所述方法通過平滑處理后的光譜數(shù)據(jù)可過濾掉隨機(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。采用本發(fā)明所述方法處理后的可避免出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)等異常數(shù)據(jù)，能有效提高其計(jì)算精度。
【IPC分類】G06T5/00
【公開號(hào)】CN105069763
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510611001
【發(fā)明人】孫杰, 吳海強(qiáng), 鄭龍洋
【申請(qǐng)人】天津理工大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年9月17日