[發明專利]一種用于陣列傳感器的二維卷積降噪方法

在審

• 申請號: 202011136323.5
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112307424A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 于永愛;姚志湘;粟暉;陳娟;方鳳
• 申請（專利權）人: 上海如海光電科技有限公司
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15;G06F17/16;G01J3/28
• 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

一種用于陣列傳感器的二維卷積降噪方法，包括，獲取陣列傳感器的響應值，以反映光譜波長或波數的數據h的方向為橫向，以波長所對應的光譜響應值g的方向為縱向，得到尺寸為g×h的矩陣A；所述陣列傳感器包括線陣列傳感器和面陣列傳感器；分別選擇所述橫向的橫向濾波向量HB和所述縱向的縱向濾波向量ZB，將所述橫向濾波向量HB和縱向濾波向量ZB相乘，得到卷積矩陣B；根據步驟1得到的矩陣A，將矩陣A擴展處理為矩陣AE，然后計算矩陣AE和步驟2得到的矩陣B的二維卷積，得到矩陣C；所述矩陣C的計算公式為：C＝conv2(AE，B)；將矩陣C的橫向和縱向進行切除處理保留余下的g×h個元素，作為降噪處理結果。

技術領域

本發明涉及陣列式傳感器降噪技術領域，尤其涉及一種用于陣列傳感器的二維卷積降噪方法。

背景技術

采用陣列傳感器已經成為現代光譜儀器設計和制造的重要選項。由于陣列式傳感可以一次完成全波段的信號采集，目前的微小型光譜儀、3D熒光光譜儀、小型至部分大型拉曼光譜儀，一次陣列采集已經是主要的設計形式。而陣列傳感器包括最初的PDA，目前主流的CCD，以及正在進入實用的CMOS等各個類型，陣列形式也有線陣和面陣等不同類型。

陣列式傳感器也存在信噪比不高的限制。為了提高信噪比，除了改進元件制造水平外，普遍采用的手段還有制冷、面陣加和平均等，隨之而來的是成本、儀器復雜度的提升。

算法和濾波降噪也是設計時慣常采用的手段，制造商和研發人員在此方面也在持續努力。算法和濾波面臨的挑戰是信號失真和運行效率問題。

為了解決上述采用陣列傳感器的現代光譜儀器的信噪比問題，本發明提供了一種降噪方法。

目前微小型光譜儀選擇陣列式元件，從陣列構造上有線陣和面陣兩種。低成本、低性能儀器常采用線陣，為了更高信噪比，儀器往往會選擇面陣傳感器。但是在面陣數據采集方式上，基本采用的都是將每一行加和平均，利用最基礎的平均降噪方法；而線陣式傳感器，為了獲取高信噪比，普遍的方式也是將多次采集光譜平均的方法。

除了直接的平均降噪，有的儀器上也會選擇增加一維的移動、S-G濾波平滑等選項，在操作軟件上幫助用戶改善輸出的單一譜線的信噪比。對每一個譜線逐次降噪，是一種低效率方法，對于多根譜線，必須采用多次循環處理，增加計算時間，對計算資源有較高要求，難以在儀器本身自帶的數據處理器上完成，勢必限制儀器的移動和在線等模塊化應用。因此，有必要提出一種計算和存儲資源需求更少，降噪效果更好的新的算法。

發明內容

為了解決上述相關領域中的不足和問題，本發明提供一種用于陣列傳感器的二維(2D)卷積降噪方法，構造適用于陣列傳感器的濾波矩陣，僅通過單次卷積計算后，累積平均就能實現光譜的降噪和低失真輸出。

本發明的二維卷積降噪方法是通過以下技術方案實現的：

一種用于陣列傳感器的二維卷積降噪方法，包括以下步驟：

步驟1，數據采集：獲取陣列傳感器的響應值，所述響應值包括反映光譜波長或波數的數據h和波長所對應的光譜響應值g；以反映光譜波長或波數的數據h的方向為橫向，以波長所對應的光譜響應值g的方向為縱向，得到尺寸為g×h的面陣數據矩陣，即矩陣A；所述陣列傳感器包括線陣列傳感器和面陣列傳感器；

步驟2，構造二維的卷積矩陣：分別選擇所述橫向的橫向濾波向量HB和所述縱向的縱向濾波向量ZB，將所述橫向濾波向量HB和縱向濾波向量ZB相乘，得到卷積矩陣B；

步驟3，卷積計算：根據步驟1得到的矩陣A，將矩陣A擴展處理為矩陣AE，然后計算矩陣AE和步驟2得到的矩陣B的二維卷積，得到矩陣C；所述矩陣C的計算公式為：C＝conv2(AE，B)；

步驟4，數據輸出：將矩陣C的橫向和縱向進行切除處理保留余下的g×h個元素，作為降噪處理結果。