[發(fā)明專利]一種基于數字濾波的光譜降噪方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010224295.6
• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111289106B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設計）人: 姚志湘;粟暉
• 申請（專利權）人: 廣西科技大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 北京君泊知識產權代理有限公司 11496
• 代理人: 王程遠

本發(fā)明公開一種基于數字濾波的光譜降噪方法，包括步驟1，選定待降噪的光譜信號S；步驟2，設計所述待降噪的光譜信號S的頻率?幅度響應函數PF；步驟3，將所述頻率?幅度響應函數PF變換得到相應的濾波卷積傳遞函數H；步驟4，計算待降噪的光譜信號S與卷積傳遞函數H的卷積Y；步驟5，截取Y的起始至與S等長的數據，即為S降噪后的結果；步驟6，選出濾波效果最優(yōu)的參數Wr和Wp，得到對應的最優(yōu)濾波卷積傳遞函數H，然后得到最優(yōu)的降噪結果。使用本發(fā)明方法得到的數據點更為致密、均勻，且終點無截斷，可根據精度需要來選擇數據序列長度；且沒有多項式階數限制，不存在高階條件下出現的龍格現象，結果更精密。

技術領域

本發(fā)明涉及光譜儀器領域，尤其涉及一種基于數字濾波的光譜降噪方法。

背景技術

數據平滑降噪，已經是現代儀器設計和制造中改善儀器性能和提高精密度的重要手段。平滑降噪，其實質是濾除信號中高頻成分的低通濾波，濾波器的選擇和設計是其中的關鍵。相對于其他應用的濾波器，光譜儀采用濾波器的目的在于降噪，濾除真實信號之外的白噪聲，一方面濾除噪聲的強度盡可能高，另一方面真實信號的損失盡可能少。合理高效的濾波器對于儀器性能至關重要，光譜儀器中直接關系儀器性能和成本，除了控制硬件質量，如果在軟件層面，可以簡便、合理、靈活地提出對光譜信號有針對性的數字濾波器，對于提升設備性價比具有重要意義，因此儀器用戶和廠家都對數字濾波器的設計和選用提出了強烈需求。

大多數光譜儀在硬件、軟件和軟硬件集成上，都包含了濾波降噪功能。在信號處理領域常用的FIR濾波器設計，由于需要設置多個參數，實際光譜應用時困難較大，而IIR濾波器本身就存在不容易設計的限制。目前普遍認可應用效果的是以S-G濾波器為代表的多項式擬合-最小二乘優(yōu)化濾波，相比于簡單的高斯濾波和移動窗口濾波，具有更好的信號保真性能。多項式擬合-優(yōu)化實際是一種簡化的FIR型濾波器，本身也存在固有缺點，首先是剛性的參數設置，包含的兩個參數，多項式的階數和擬合窗口寬度，難以精確適應具體的光譜特性；其二是多項式擬合精度和過擬合問題，采用較低的多項式階數具有較好的穩(wěn)定性，但是難以獲得更高的精度，而更高精度需要更高的多項式階數，又會導致穩(wěn)定性破壞和過擬合問題；其三是S-G定義的方法已經達到多項式優(yōu)化的極限，性能難以進一步提高。

光譜信號處理相比于其他類型信號，如音頻、視頻信號，具有更高的確定性，頻率范圍相對固定，對相位、時滯的要求不高，更利于采用簡化FIR思路處理，這也是S-G濾波被廣泛接受的原因。S-G濾波采用的是多項式擬合信號，經最小二乘優(yōu)化得到卷積函數，多項式擬合由于龍格現象，多項式階數選取越高，不確定度越大，因此限制了多項式方法精度的提升。

光譜峰外型符合Voigt分布，經過傅里葉變化的頻域幅度響應也基本符合Voigt分布，或近似符合高斯分布，而白噪聲在頻域上具有均勻分布的特性。本發(fā)明根據兩者的差異，提出可以直接設計頻率-幅度分布。將設計的頻率-幅度分布，經過傅里葉逆轉換，得到的函數可作為FIR濾波的卷積傳遞函數，計算被降噪信號與卷積傳遞函數的卷積，可得到降噪信號。

發(fā)明內容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于數字濾波的光譜降噪方法。

本發(fā)明的一種基于數字濾波的光譜降噪方法是這樣實現的：

本發(fā)明提供了一種基于數字濾波的光譜降噪方法，包括：

步驟1，選定待降噪的光譜信號S；

步驟2，設計所述待降噪的光譜信號S的頻率-幅度響應函數PF；

步驟3，將所述頻率-幅度響應函數PF變換得到相應的濾波卷積傳遞函數H；

步驟4，計算待降噪的光譜信號S與濾波卷積傳遞函數H的卷積Y；

步驟5，截取Y的起始至與S等長的數據，即為S降噪后的結果。

進一步地，所述頻率-幅度響應函數PF包含兩部分參數：Wr和Wp；