[發(fā)明專利]一種提升小波與SG濾波結(jié)合的近紅外光譜去噪方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110783857.5
• 申請(qǐng)日: 2021-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN113538361A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧雯雯;尹欣慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/00
• 分類號(hào): G06T7/00;G06T5/00
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 楊柳岸

本發(fā)明涉及一種提升小波與SG濾波結(jié)合的近紅外光譜去噪方法，屬于近紅外光譜信號(hào)預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)含噪近紅外光譜信號(hào)進(jìn)行提升小波分解得到多層小波系數(shù)；對(duì)每層高頻系數(shù)進(jìn)行硬閾值去噪得到去噪后的小波系數(shù)；對(duì)去噪后的小波系數(shù)進(jìn)行提升小波逆變換重構(gòu)得到初步去噪后的近紅外光譜信號(hào)；最后，再對(duì)重構(gòu)的近紅外光譜信號(hào)進(jìn)行Savitzky?Golay濾波(SG濾波)得到最終去噪后的近紅外光譜信號(hào)。本發(fā)明去噪后的近紅外光譜與原始光譜信噪比高，均方根誤差低；去噪效果徹底且沒(méi)有明顯的信號(hào)失真，提高了近紅外光譜分析精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于近紅外光譜信號(hào)預(yù)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提升小波與SG濾波結(jié)合的近紅外光譜去噪方法。

背景技術(shù)

近紅外光譜是介于780-2526nm的電磁波譜，主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，具有較強(qiáng)的穿透能力。該譜區(qū)頻率與有機(jī)分子主要基團(tuán)(CH、NH、OH等含氫基團(tuán))各振動(dòng)頻率的倍頻與合頻相符，因此可以用于對(duì)大部分含氫鍵的有機(jī)物分子進(jìn)行定性分析、識(shí)別。使用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行樣品檢測(cè)，信息量豐富，而且具有無(wú)損、快速、方便、高效等特點(diǎn)，適合多種物態(tài)分析，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、煙草、醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。

但是，原始光譜數(shù)據(jù)不僅包括被測(cè)樣品的近紅外特征光譜，也包含了諸如高頻隨機(jī)噪聲、基線漂移等噪聲，噪聲的存在對(duì)定量分析模型的預(yù)測(cè)精度有著較大的影響，為提高近紅外光譜分析精度，需要對(duì)近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。目前常用的單一去噪方法如中值濾波、小波去噪、均值濾波很難獲得較高信噪比、較低均方根誤差，去噪效果不佳。因此本專利提出將提升小波變換結(jié)合Savitzky-Golay濾波方法用于近紅外光譜去噪，能夠提升信噪比、減少均方根誤差，從而提高去噪效果。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種提升小波與SG濾波結(jié)合的近紅外光譜去噪方法。來(lái)解決目前近紅外光譜去噪信噪比低、均方根誤差高的問(wèn)題。并且通過(guò)了相關(guān)的對(duì)比試驗(yàn)，證明了該方法去噪效果比單一小波變換、提升小波變換、Savitzky-Golay濾波等效果好。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種提升小波與SG濾波結(jié)合的近紅外光譜去噪方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：選取合適的小波基函數(shù)，獲取該小波基函數(shù)的提升方案；

步驟2：對(duì)含噪近紅外光譜信號(hào)進(jìn)行提升小波分解得到多層小波系數(shù)；

步驟3：對(duì)多層提升小波系數(shù)中高頻系數(shù)進(jìn)行硬閾值去噪得到去噪后多層小波系數(shù)；

步驟4：將去噪后的小波系數(shù)進(jìn)行提升小波逆變換重構(gòu)得到去噪后的近紅外光譜信號(hào)；

步驟5：將重構(gòu)的近紅外光譜信號(hào)用Savitzky-Golay濾波進(jìn)行去噪。

可選的，所述步驟1中，選取的小波基函數(shù)為sym3，使用函數(shù)liftwave獲取該小波基的提升方案，用小波提升方案lifting scheme提升小波。

可選的，所述步驟2中，對(duì)含噪近紅外光譜信號(hào)進(jìn)行提升小波分解，分解層數(shù)選4層，將近紅外光譜信號(hào)分解為4層小波系數(shù)，提升小波分解過(guò)程分為分裂、預(yù)測(cè)、和更新三個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高低頻分離；其中分裂環(huán)節(jié)將近紅外信號(hào)s_i分為兩個(gè)互不相交子集s_i-1和d_i-1，按奇偶性分為2組，即

s_i-1＝s[2n]；d_i-1＝s[2n-1]

預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)中，用偶信號(hào)s_i-1的預(yù)測(cè)值P(s_i-1)去預(yù)測(cè)或者內(nèi)插奇信號(hào)d_i-1，也就是使用濾波器P對(duì)偶信號(hào)進(jìn)行處理得到了奇信號(hào)的預(yù)測(cè)值。即