低信噪比拉曼光譜信號(hào)去噪方法研究及軟件實(shí)現(xiàn).pdf

1、拉曼光譜分析技術(shù)因其快速無(wú)損、無(wú)需樣品制備等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)、食品安全、生物大分子等領(lǐng)域正展現(xiàn)出強(qiáng)大的分析能力和應(yīng)用前景。為了提高拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，或是出于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的被測(cè)物質(zhì)的客觀(guān)需求，需要采用較短的采樣積分時(shí)間，此時(shí)微弱的帶有分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)譜的信號(hào)將淹沒(méi)在噪聲中，影響信號(hào)的進(jìn)一步分析，因此需要對(duì)光譜測(cè)量信號(hào)進(jìn)行噪聲消除處理。傳統(tǒng)的消噪方法是基于信號(hào)與噪聲在頻域或統(tǒng)計(jì)特性之間的差異，通過(guò)平滑濾波或取平均值的方法來(lái)消除噪

2、聲，適用于噪聲強(qiáng)度不高的情況，對(duì)于信噪比較低的情況處理效果并不理想，因此有必要進(jìn)行算法研究，以提取淹沒(méi)于強(qiáng)背景噪聲的拉曼信號(hào)。
　　為了驗(yàn)證算法去噪性能，首先對(duì)通用的去噪算法評(píng)價(jià)指標(biāo)和噪聲標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)算法進(jìn)行了研究，并通過(guò)加入不同已知噪聲標(biāo)準(zhǔn)差信號(hào)進(jìn)行性能驗(yàn)證，最終確定了基于信噪比的算法質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。
　　針對(duì)傳統(tǒng)去噪方法的不足，從信號(hào)重構(gòu)的角度提出了基于特征提取的拉曼信號(hào)去噪算法，利用基于小波變換的譜峰識(shí)別、半峰寬檢測(cè)提取光

3、譜特征參數(shù)，再利用最小二乘擬合的方法，能夠有效地提取淹沒(méi)于強(qiáng)噪聲背景下的有用拉曼信號(hào)，采用該算法需要調(diào)整的參數(shù)較少，易于實(shí)現(xiàn);重構(gòu)的拉曼光譜曲線(xiàn)光滑，峰位置準(zhǔn)確，信噪比改善明顯。但是，該方法需要在不同小波變換尺度下峰位置捕獲準(zhǔn)確性不同，需要進(jìn)行遍歷尋優(yōu);且信號(hào)存在基線(xiàn)干擾。
　　針對(duì)基于特征提取的拉曼信號(hào)去噪算法的不足，提出了基于稀疏表示的去噪算法。該算法采用基于高斯分析字典的信號(hào)稀疏表示從強(qiáng)噪聲背景下的原始測(cè)量信號(hào)中重構(gòu)出有用的

4、拉曼信號(hào)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)噪聲去除和基線(xiàn)校正;同時(shí)，通過(guò)計(jì)算字典與殘差的內(nèi)積，能夠加快信號(hào)處理速度并減少內(nèi)存占用;采用本算法從強(qiáng)背景噪聲中重構(gòu)的拉曼信號(hào)，峰位移定位準(zhǔn)確，峰面積衰減小，信噪比改善明顯;且無(wú)需預(yù)設(shè)參數(shù)、算法處理效率高，可以用于高時(shí)空分辨率的拉曼測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)預(yù)處理。
　　分別采用基于特征提取的去噪算法和基于稀疏表示的去噪算法對(duì)不同噪聲強(qiáng)度的仿真信號(hào)、頭孢呋辛酯片及羅紅梅素測(cè)量信號(hào)進(jìn)行去噪處理，并與常用去噪算法S-G濾波法及硬