[發明專利]一種基于嵌入式系統的光譜基線計算方法

有效

• 申請號: 201911206716.6
• 申請日: 2019-11-29
• 公開（公告）號: CN111125625B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 劉蓓;周建發;徐暠;蒙瑰;鄭林;鐘亮;鄭義;郗洪柱
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: G06F17/16
• 分類號: G06F17/16;G06F17/11
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 徐曉艷

本發明公開了一種基于嵌入式系統的快速光譜基線計算方法，包括如下步驟：(1)權重向量和調節系數初始化；(2)更改背景擬合算法；(3)引入新矩陣存儲2n+1對角矩陣；(4)對矩陣進行壓縮分解；(5)求解Lx＝b；(6)求解Uz＝x；(7)計算背景基線相關信息；(8)計算新的權重向量；(9)權重向量判斷；(10)背景基線提取失效處理。本發明通過更改背景擬合算法及采用壓縮空間下的矩陣分解，節省了數據存儲空間并提高了計算速度，使一種無需人工干預的快速光譜基線計算方法能夠在嵌入式系統中得到應用。本發明也可適用于懲罰最小二乘法及在其基礎上衍生的其他算法在嵌入式系統中的應用。

技術領域

本發明涉及一種光譜基線計算方法，尤其涉及一種數據存儲空間有限情況下的快速光譜基線計算方法。

背景技術

隨著光譜檢測技術越來越廣泛的應用于分析化學、物理、材料等領域。各種背景、噪聲等引起的光譜干擾，使光譜信號信噪比和測量精度下降，已嚴重影響到物質的定量分析及設備標定。為降低測量光譜的背景噪聲干擾，常需對光譜信號進行背景基線修正，以得到更好的定量分析結果。為實現背景基線的自動計算減少人工干預，基于懲罰最小二乘法衍生出的不對稱最小二乘法和自適應迭代重加權懲罰最小二乘法等背景基線修正方法，已廣泛應用于各種光譜分析。

懲罰最小二乘法是在標準最小二乘基礎上加上平滑度懲罰項，公式如下：

S(z)＝(y-z)^T(y-z)+λz^TD^TDz

其中，y為長度為N的等間隔光譜采樣信號；z為經過平滑濾波后的光譜擬合信號；y和z均為N×1的列向量；式中第一項(y-z)^T(y-z)為標準最小二乘，通過誤差平方和來表示z相對于y的保真度；式中第二項z^TD^TDz通過差分平方和來表示z的平滑度；λ作為調節系數，用來保證擬合信號z在保真度和平滑度之間達到平衡；λ值越大擬合信號z越平滑。D為微分矩陣，階數可根據需要設置；常為一階或二階微分矩陣。

光譜擬合信號z可通過計算S(z)的極小值得到。S(z)的極小值可以通過求偏導，使其為0得到，即得到如下公式：

z＝(I+λD^TD)^-1y

懲罰最小二乘法常用于信號的平滑濾波。為實現對帶有多個峰值點的光譜信號進行背景基線提取，在懲罰最小二乘法基礎上，通過引入權重向量w，來實現背景基線提取。引入權重向量后，S(z)公式如下：

S(z)＝(y-z)^TW(y-z)+λz^TD^TDz

z＝(W+λD^TD)^-1Wy

其中，w為N×1的權重向量；W為基于w的N×N對角矩陣。可通過改變權重向量值，使背景基線不隨信號中的峰值點變化。

不對稱最小二乘法和自適應迭代重加權懲罰最小二乘法提供了兩種不同的權重向量設置法。

在不對稱最小二乘法中，權重向量w設置如下：

其中，p常設為0.001～0.1。該方法在純背景區域權重值一樣，無法根據擬合值和原始數據的差異靈活設定。當峰值點較小時，造成背景扣除誤差過大。

在自適應迭代重加權懲罰最小二乘法中，權重向量w設置如下：

其中，t為當前的迭代次數，d為y-z中負元素的集合。當迭代次數達到設置值或滿足|d|0.001×|y|時，迭代停止，得到背景基線。