改進小波閾值去噪在礦物油熒光檢測信號中的應用

陳至坤 張菡潔 徐 傲 王福斌

(華北理工大學電氣工程學院)

改進小波閾值去噪在礦物油熒光檢測信號中的應用

陳至坤 張菡潔 徐 傲 王福斌

(華北理工大學電氣工程學院)

為減小由光電探測器產(chǎn)生的熒光信號中噪聲的干擾，在經(jīng)典小波閾值去噪方法的基礎上，提出一種新的閾值函數(shù)去噪算法。這種新的閾值函數(shù)具有較好的連續(xù)性和穩(wěn)定性，能夠保留原始信號的特征。采用Matlab對比不同閾值函數(shù)的去噪效果，結果表明新的算法兼顧了軟、硬閾值的優(yōu)點，又在一定程度上彌補了傳統(tǒng)小波閾值去噪方法的缺陷，提高了熒光信號的信噪比，獲得了更好的去噪效果。

熒光光譜儀 水中礦物油含量 熒光檢測 小波變換 去噪 閾值函數(shù)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類生活和生產(chǎn)導致的水中礦物油的污染狀況日益嚴峻，因此快速準確地鑒別水中礦物油的含量對環(huán)境的監(jiān)管、治理具有重要意義。如今，對水中礦物油含量的檢測應用最廣泛的方法是熒光分析法，熒光分析法主要利用水中礦物油具有熒光性質的特點，通過檢測被激發(fā)光源激發(fā)后產(chǎn)生的熒光信號分布的特征即可對樣品溶液中所含的礦物油成分進行定性和定量分析[1,2]。在熒光法檢測水中礦物油濃度時，熒光光譜儀多采用光電倍增管(Photomultiplier，PMT)作為熒光信號探測的核心器件，將熒光信號轉換為電流信號。PMT利用光電效應[3～5]，在光陰極和光陽極之間設置若干電子倍增極，使光電子在極間電壓作用下，逐級轟擊下一個倍增極，產(chǎn)生更多的電子，直至最后被陽極收集后電流輸出。除了入射光子產(chǎn)生脈沖以外，PMT光陰極還會因受熱而發(fā)射電子，同樣會在陽極產(chǎn)生脈沖輸出且與光信號脈沖很難區(qū)別開來，這使得光電倍增管產(chǎn)生的噪聲直接影響熒光檢測的靈敏度。因此，濾除噪聲的影響，改善熒光信號的質量，成為提高水中礦物油檢測精度的重要因素[6]。

目前，各種常規(guī)的信號去噪處理方法(如低通濾波、傅里葉分析等)雖然對噪聲的濾除有一定的效果，但是在靈敏度、精度及速度等方面還存在很多不足之處，能檢測到微弱信號的信噪比有限。小波分析能在時域和頻域內同時進行信號的分析，實現(xiàn)信號的平滑濾波。在小波去噪分析中，硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)是最基本的收縮閾值函數(shù)[7]。這兩種閾值雖然在信號降噪處理中效果不錯，但在連續(xù)性和重構信號逼近真實信號的程度方面有一些缺點。文獻[8]通過小波軟閾值去噪對農(nóng)藥熒光信號進行處理，效果不理想，信號不夠平滑，又用傳統(tǒng)模擬低通濾波器進行去噪后得到了較為光滑的熒光信號，計算過程復雜，說明僅使用軟閾值無法得到良好的去噪效果。因此，筆者對傳統(tǒng)小波閾值去噪方法進行了深入的研究并予以改進，使改進后的閾值函數(shù)同時具備了軟閾值和硬閾值的優(yōu)點，使用起來更加方便靈活，去噪效果更好。

1 熒光法檢測水中礦物油的原理

1.1 熒光強度與濃度的關系

熒光發(fā)射是由熒光物質吸收能量后釋放能量的過程，因此溶液的熒光強度與該溶液中熒光物質的濃度、熒光效率和吸收光能的能力有關，由Beer-Lambert 定律[9]知，在礦物油濃度較低時，熒光強度If與礦物油濃度c的關系為：

If=2.3YfI0εcl

(1)

式中I0——入射光強度；

l——樣品池的厚度；

Yf——熒光量子產(chǎn)率；

ε——摩爾吸光系數(shù)。

由式(1)知熒光強度與礦物油的濃度成正比。光電倍增管接收到的熒光信號即If。這是熒光分析法用被測物定量分析的基礎和最根本的依據(jù)，是熒光光譜儀檢測系統(tǒng)的工作原理。

1.2 熒光光譜儀的結構

熒光光譜儀或熒光分光光度計[10]通常是由激發(fā)光源、激光和發(fā)射單色器、樣品池、光學探測器件和控制器件構成，熒光光譜儀的一般結構如圖1所示。由圖1可知，光譜聚焦系統(tǒng)收集到的熒光信號進入光電倍增管后，將熒光信號轉換為電信號。

圖1 熒光光譜儀的一般結構

2 小波閾值去噪分析

2.1 小波去噪原理

在熒光光譜檢測系統(tǒng)中，有效信號一般是低頻信號或一些較平穩(wěn)的信號，而高頻信號一般是需要濾除的噪聲信號。因此對原始含噪信號進行小波變換去噪的基本步驟如下[11～13]：

a. 對含噪信號進行小波分解。選取合適的小波基和分解層次N，然后進行小波分解計算得到一組小波系數(shù)wj,k。

2.2 閾值的選取及其量化

目前常用的閾值選取方法為固定閾值法，其表達式為：

(2)

影響小波變換去噪效果的關鍵因素是閾值的選取和閾值函數(shù)的確定。通常選用的閾值函數(shù)有如下3種[14]。

硬閾值函數(shù)，其定義為：

(3)

軟閾值函數(shù)，其定義為：

(4)

硬閾值是令絕對值小于閾值的信號點的值為零，但這種方法會使某些點產(chǎn)生間斷。軟閾值雖然克服了硬閾值的缺點但可能造成邊緣模糊失真現(xiàn)象。為了克服軟、硬閾值的缺點，研究者們提出了很多閾值函數(shù)的改進模型，軟、硬閾值折中法即半閾值法就是其中最簡單的一種，其定義如下：

(5)

其中0≤a≤1。當a分別取0和1時，式(5)分別成為硬閾值和軟閾值估計方法。適當?shù)卣{整a可以獲得更好的去噪方法。

筆者在軟、硬閾值折中法的基礎上進行改進，經(jīng)實驗驗證去噪效果比原來的更有效，提高了信號的信噪比。改進的閾值函數(shù)定義如下：

(6)

其中0≤a≤1，在以下計算中取a=1。

3 實驗與結果分析

3.1 含噪熒光信號的獲取

用波長為380nm的激發(fā)光照射溶于CCl4溶液的濃度為柴油0.05mg/L、汽油0.05mg/L、煤油0.05mg/L的混合樣品。采集熒光光譜儀中光電倍增管產(chǎn)生的熒光信號,圖2為檢測到的含噪光電脈沖信號。

3.2 小波閾值去噪仿真

實驗選用db5小波基進行4層小波分解，對分解后的小波系數(shù)分別采用軟閾值、硬閾值、半閾值法和改進閾值函數(shù)進行去噪，效果如圖3所示。

圖2 含噪熒光信號

圖3 去噪結果對比

信號的去噪效果可以由信噪比(SNR)和均方誤差來描述(MSE)。4種閾值函數(shù)對礦物油熒光信號去噪后的信噪比和均方誤差見表1。

表1 不同閾值函數(shù)去噪效果

由圖3和表1可以得出：軟閾值法去噪后波形過于光滑，精確度較差；硬閾值法去噪后重構的波形振蕩點較多；半閾值法去噪后盡管信噪比有所提高，但是重構信號中仍存在部分振蕩點；改進的閾值函數(shù)去噪使重構的熒光信號較為光滑、振蕩點減少且信噪比提高，得到了較小的均方誤差。

4 結束語

傳統(tǒng)的小波閾值去噪方法受閾值的選取影響較大，閾值函數(shù)存在各種不同的缺點，在信號的去噪過程中會出現(xiàn)噪聲殘留或過于平滑，沒有細節(jié)信息。針對這些問題筆者提出了一種改進的閾值方法，結合Matlab仿真對不同小波閾值函數(shù)的去噪效果進行對比驗證，結果表明改進的小波閾值函數(shù)去噪得到的波形較為光滑，能夠進一步提高信噪比，去噪效果明顯，便于調節(jié)，并且能保留原始信號的細節(jié)信息，比傳統(tǒng)經(jīng)典的軟、硬閾值去噪方法更為優(yōu)越，有廣闊的應用前景。通過使用改進的小波閾值法實現(xiàn)了對由光電倍增管產(chǎn)生的熒光信號的平滑濾波處理，為后續(xù)進行礦物油的定性和定量分析提供了可靠、精確的熒光信號，提高了檢測精度。

[1] 黃妙芬,宋慶君,邢旭峰,等.石油污染水體熒光圖譜特征分析[J]. 光譜學與光譜分析,2014,34(9):2466～2471.

[2] 周冰冰.熒光光譜法水中礦物油的檢測及研究[D].秦皇島：燕山大學,2015.

[3] Iwata T, Inoue T, Araki T. Pseudo-lock-in Light Detection Method for a Sinusoidally-gain-modulated Photomultiplier Tube[J].Optical Review,2004,11(1):19～23.

[4] 彭其先,馬如超,李澤仁,等.光電倍增管脈沖性能研究[J].光子學報,2002,31(5):620～623.

[5] 王玉田,程朋飛,侯培國,等.靜態(tài)小波變換熒光檢測水中礦物油信號的去噪方法[J].光譜學與光譜分析,2015,35(5):1286～1289.

[6] 王慧琴.小波分析與應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2011：129～133.

[7] 王書濤,李梅梅,李盼,等.基于經(jīng)驗模態(tài)分解的SO2濃度檢測信號處理方法[J].光子學報,2014,43(2):14～19.

[8] 王玉田,李艷春.小波閾值去噪法在農(nóng)藥熒光分析中的應用[J].應用光學,2006,27(3):192～194.

[9] 周燕.基于三維熒光光譜技術的水質有機物檢測方法研究[D].唐山：河北聯(lián)合大學,2014.

[10] 任偉偉.原油熒光光譜特性及分析技術研究[D].青島：中國海洋大學,2010.

[11] 吳勇.基于小波的信號去噪方法研究[D].武漢：武漢理工大學,2007.

[12] üstünda M,G?kbulut M,engür A,et al.Denoising of Weak ECG Signals by Using Wavelet Analysis and Fuzzy Thresholding[J].Network Modeling Analysis in Health Informatics and Bioinformatics,2012,1(4):135～140.

[13] 王宏強,尚春陽,高瑞鵬,等.基于小波系數(shù)變換的小波閾值去噪算法改進[J].振動與沖擊,2011,30(10):165～168.

[14] 樊啟斌.小波分析[M].武漢：武漢大學出版社，2008：301～308.

(Continued from Page 155)

HU Bin1c, YU Li2, TAN Sen3
(1a.CollegeofElectricalEngineeringandNewEnergy; 1b.CollegeofComputerandInformationTechnology; 1c.CollegeofBiologyandPharmacy,ChinaThreeGorgesUniversity; 2.YichangEnvironmentalMonitoringStation; 3.BeijingFudiFastTechnologyCo.,Ltd.)

AbstractConsidering requirements of the spectral analysis-based on-line water quality monitoring instrument, the research on its flow passage system and control circuit design was carried out. Taking the micro peristaltic pump, three-way reversing solenoid valve, solenoid valve and micro vacuum pump and the flow detection pool as the flow passage components, a flow passage system and its control circuit with functions of sample introduction, washing and remaining were designed. The joint debugging shows that, this flow passage system can meet the requirements and provide strong technical support for stable operation of the machine.

Keywordswater quality monitoring, flow passage, spectral analysis, control circuit

ApplicationofImprovedWaveletThresholdDenoisinginFluorescenceDetectionSignalofMineralOil

CHEN Zhi-kun, ZHANG Han-jie, XU Ao, WANG Fu-bin
(CollegeofElectricalEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology)

For purpose of reducing the noise interference in fluorescence signals incurred by the photoelectric detector, a new de-noising algorithm for the threshold function was proposed．The new threshold function has good continuity and stability and it can retain the characteristics of the original signals．Comparing de-noising effect of different threshold functions by Matlab simulation experiment shows that, this new algorithm gives consideration to soft and hard threshold advantages; and it makes up for their shortcomings to a certain extent and improves the signal to noise ratio of the fluorescence signals together with a better de-noising effect.

fluorescence spectrophotometer, content of mineral oil in water, fluorescence detection, wavelet transform, de-noising, threshold function

TH83

A

1000-3932(2017)02-0176-04

2016-08-01，

2016-12-28)

河北省自然科學基金項目(F2015203240)。

陳至坤(1961-)，教授，從事檢測技術與智能裝置的研究，zkchen@ncst.edu.cn。