直接進(jìn)樣測汞儀軟件消除信號(hào)干擾的應(yīng)用研究

閆麗明，林建奇

(北京海光儀器有限公司，北京 101312)

0 引言

在自然界中，汞的存在形式主要有汞(金屬汞)、無機(jī)汞和有機(jī)汞，其中有機(jī)汞的危害最大，尤其是對(duì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，近些年國內(nèi)和國際都對(duì)汞的具體限排范圍做出了詳細(xì)規(guī)定，以減少汞污染對(duì)環(huán)境和人類健康造成的損害。這就需要有方法或手段，能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)環(huán)境中存在的汞進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)汞污染進(jìn)行評(píng)估。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室常規(guī)的汞分析測試方法有：電感耦合等離子質(zhì)譜法、冷原子吸收光譜法(SnCl2預(yù)還原體系)、原子熒光光譜法等。諸多的分析方法均需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，過程復(fù)雜繁瑣、誤差大，且易造成干擾。因此，本文選用新研發(fā)的一種無需化學(xué)前處理、電熱蒸發(fā)、直接進(jìn)樣的光譜檢測方法，來分析環(huán)境中汞元素。在分析過程中，由于應(yīng)用控制系統(tǒng)采樣信號(hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)等，難免受到外界環(huán)境和其他因素干擾，使得所采集原始信號(hào)出現(xiàn)偏離理論值設(shè)置、不穩(wěn)定等情況，從而造成采集的信號(hào)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反應(yīng)目標(biāo)樣品實(shí)際情況、測量結(jié)果不準(zhǔn)確等后果。為了消除這些干擾，獲得準(zhǔn)確的信號(hào)數(shù)據(jù)，就需要對(duì)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

1 儀器原理及算法概述

1.1 直接進(jìn)樣測汞儀工作原理

將目標(biāo)樣品置于樣品舟中，通過自動(dòng)進(jìn)樣裝置將樣品舟送入儀器裂解管，在氧氣氛圍下，按升溫控制程序控制各個(gè)加熱流程。首先，樣品在石英管式爐中被加熱，徹底氧化分解，分解物進(jìn)一步被氧氣載帶入催化爐催化還原，再進(jìn)入汞捕集阱中，汞(Hg)被鍍金石英砂金膜有效吸附，形成金汞齊；接著，通過程序控制，將鍍金石英砂加熱到一定溫度，金汞齊以汞蒸氣形式釋放汞，汞蒸氣被載氣帶入吸收池。在低壓汞燈照射下，汞蒸氣對(duì)特征波長譜線產(chǎn)生吸收，吸收后強(qiáng)度減弱，經(jīng)光電檢測器檢測產(chǎn)生吸收信號(hào)的響應(yīng)值。由于汞蒸氣對(duì)253.7 nm譜線的吸收，在一定范圍內(nèi)符合朗伯-比爾定律(Lambert-Beer)，所以該儀器可以用于汞的定量分析。直接進(jìn)樣測汞儀工作原理流程圖見圖1。

圖1 直接進(jìn)樣測汞儀汞分析流程圖Fig.1 Flow chart of mercury analysis in direct injection mercury meter

1.2 常見濾波算法

濾波算法不是建立在頻率領(lǐng)域，而是通過隨機(jī)過程的數(shù)學(xué)手段(建立的一個(gè)數(shù)學(xué)模型)，通過對(duì)噪聲和信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，利用數(shù)學(xué)原理濾除差異較大的數(shù)據(jù)，消除干擾因素，保持?jǐn)?shù)據(jù)的靈敏度和穩(wěn)定性，提高分析精度。

1.2.1 高斯濾波

高斯濾波是一種線性平滑濾波，適用于消除高斯噪聲，廣泛應(yīng)用于圖像處理的減噪過程。

(1)原理。高斯濾波實(shí)質(zhì)上是一種信號(hào)的濾波器用于信號(hào)的平滑處理。數(shù)字圖像用于后期應(yīng)用，其噪聲是最大的問題，由于誤差會(huì)累計(jì)傳遞等原因，用于得到信噪比SNR較高的圖像(反應(yīng)真實(shí)信號(hào))。高斯濾波就是對(duì)所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均的過程，使得最終采集數(shù)據(jù)的值都由其本身和鄰域內(nèi)的其他數(shù)據(jù)值經(jīng)過加權(quán)平均后得到。高斯模板是連續(xù)的二維高斯函數(shù)的離散化表示，任意大小的高斯模板均可以通過建立一個(gè)(2k+1)×(2k+1)的矩陣M得到(i,j)位置的元素值。為了減少平滑處理中的模糊，得到更自然的平滑效果，一般會(huì)適當(dāng)加大模板中心點(diǎn)的權(quán)重，隨著遠(yuǎn)離中心點(diǎn)，權(quán)重迅速減小，從而確保中心點(diǎn)看起來更接近與它距離更近的點(diǎn)。

(2)優(yōu)缺點(diǎn)。采用高斯濾波，系統(tǒng)函數(shù)是平滑的，避免了振鈴現(xiàn)象，對(duì)隨機(jī)噪聲和高斯噪聲(服從正態(tài)分布的噪聲)抑制效果比較好；缺點(diǎn)是高斯濾波只適用一段時(shí)間內(nèi)的平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)不平穩(wěn)信號(hào)濾波效果不明顯，而且當(dāng)對(duì)大量信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波處理時(shí)，會(huì)花費(fèi)較多時(shí)間，需要在響應(yīng)時(shí)間和濾波效果上做到平衡。

1.2.2 均值濾波

均值濾波是一種線性濾波器，就是把每個(gè)采集數(shù)據(jù)都和前后的n個(gè)數(shù)據(jù)來做均值操作。均值濾波無法去掉噪聲，只能減弱噪聲。

(1)原理。均值濾波是典型的線性濾波算法，它是對(duì)每一個(gè)采集數(shù)據(jù)給一個(gè)模板，該模板包括了其周圍的臨近數(shù)據(jù)值(以目標(biāo)采集數(shù)據(jù)值為中心的周圍n個(gè)數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)濾波模板，即去掉目標(biāo)數(shù)據(jù)值本身)，再用模板中的全體數(shù)據(jù)的平均值來代替原來采集數(shù)據(jù)值。

(2)優(yōu)缺點(diǎn)。平滑所有采集數(shù)據(jù)速度快，算法簡單；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)靈敏度降低。采集數(shù)據(jù)的靈敏度也是光譜儀器采集信號(hào)區(qū)分度的重要特征，也是我們所希望有的特征。

1.2.3 中值濾波

中值濾波是常用的非線性濾波方法，也是信號(hào)處理技術(shù)中比較常用的處理技術(shù)。它在平滑脈沖噪聲方面比較有效，同時(shí)還可以保護(hù)譜圖尖銳的邊緣。加權(quán)中值濾波能夠改進(jìn)中值濾波的邊緣信號(hào)保持效果。

(1)原理。基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，把采集信號(hào)序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的信號(hào)值接近真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。

(2)優(yōu)缺點(diǎn)。中值濾波對(duì)脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時(shí)，能夠保護(hù)信號(hào)的邊緣，使之不被模糊，這些優(yōu)良特性是線性濾波方法所不具有的，此外，中值濾波的算法比較簡單，也易于用硬件實(shí)現(xiàn)，所以中值濾波方法一經(jīng)提出后，便在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用；缺點(diǎn)是對(duì)一些細(xì)節(jié)多，特別是采集信號(hào)形成的銳峰譜圖和多峰譜圖不宜采用中值濾波。

2 算法實(shí)驗(yàn)性研究

采用除極限值法對(duì)實(shí)驗(yàn)室光譜分析儀器應(yīng)用軟件的采集信號(hào)數(shù)據(jù)濾波，通過比較計(jì)算將信號(hào)數(shù)據(jù)的最大值和最小值舍去，把剩余數(shù)據(jù)作為有效采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣就能有效克服偶然因素引起的干擾和波動(dòng)，但是無法抑制周期性的干擾，而且有時(shí)會(huì)損失信號(hào)靈敏度。

在實(shí)際應(yīng)用中，有些偶然因素和變量是突發(fā)的，沒有規(guī)律，單一采用除極限值法或均值濾波算法等，可能會(huì)使處理后的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離采集信號(hào)的真實(shí)范圍，出現(xiàn)人為造成的失真。因此，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以采用幾種濾波算法的組合來去除各種干擾造成的波動(dòng)，而且數(shù)據(jù)不會(huì)失真。

針對(duì)直接進(jìn)樣測汞儀直接進(jìn)樣固態(tài)和液態(tài)樣品、無需化學(xué)前處理、電熱蒸發(fā)、要求檢測響應(yīng)速度快、信號(hào)波峰不復(fù)雜等特點(diǎn)，軟件正常濾波邏輯是先剔除大的異常干擾，再過濾高頻低幅噪聲。因此，本儀器的濾波算法采用了帶有閾值的除極值法、動(dòng)態(tài)中值濾波和均值濾波的幾種算法組合，消除固液態(tài)樣品高溫加熱偶然帶來的干擾，濾除脈沖噪聲，減弱其他干擾信號(hào)，還原目標(biāo)樣品信號(hào)真實(shí)值，也使繪制的信號(hào)譜圖直觀、精準(zhǔn)。

由于高斯濾波這種經(jīng)典的濾波算法是建立在信號(hào)和噪聲頻率分離的基礎(chǔ)上，且處理每一個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)的值都需要其本身和鄰域內(nèi)的其他信號(hào)值經(jīng)過加權(quán)平均后得到。而本儀器噪聲和信號(hào)的頻譜相互混疊，有時(shí)噪聲又具有偶然因素，因此用高斯濾波算法不能得到滿意的濾波效果；且用此算法處理大批量信號(hào)數(shù)據(jù)，需要花費(fèi)較多時(shí)間，人機(jī)交互響應(yīng)時(shí)間較慢。

為了找到兼有細(xì)節(jié)保護(hù)和噪聲抑制的優(yōu)良特性的濾波器結(jié)構(gòu)，本算法是基于中值濾波的改進(jìn)型算法。結(jié)合實(shí)際情況，先加入了帶有閾值的除極值算法，再結(jié)合動(dòng)態(tài)中值濾波和均值濾波算法。

2.1 帶有閾值的除極值算法

需要對(duì)全部采集數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判斷，區(qū)分為噪聲點(diǎn)、邊緣細(xì)節(jié)區(qū)和平坦區(qū)。判斷噪聲點(diǎn)和平坦區(qū)算法：先對(duì)W[Xij]數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行排序，找出maxW[Xij]和minW[Xij]，即最大值和最小值；然后將Xi與maxW[Xij]和minW[Xij]進(jìn)行比較，如果相等，則用以下介紹的預(yù)判段算子判斷出孤立噪聲點(diǎn)、平坦區(qū)和邊緣細(xì)節(jié)點(diǎn)。

判斷信號(hào)S與噪聲點(diǎn)N的標(biāo)準(zhǔn)是在信號(hào)譜圖中如果某點(diǎn)的灰度值為其鄰域的最大值或最小值，那么該點(diǎn)為噪聲，反之則為信號(hào)。

按此原則對(duì)全部信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)分類，設(shè)Yij表示輸出信號(hào)譜圖像素點(diǎn)，則該濾波方法可表示為

設(shè)f(x,y)為信號(hào)譜圖像素點(diǎn)(x,y)處的灰度值，δ(x,y)為(x,y)鄰域像素點(diǎn)的灰度值。首先選擇一個(gè)算子Y作用在f(x,y)和δi(x,y)，得Y=Y(δi,f)，然后根據(jù)不同的Y做進(jìn)一步處理。這里取Y的公式為

將f(x+1,y)設(shè)為點(diǎn)(x,y)的第0鄰域灰度值。T1是一個(gè)閾值，其取值與噪聲的污染程度及圖像的對(duì)比度有關(guān)。它限定了認(rèn)為點(diǎn)(x,y)的灰度與其鄰域點(diǎn)的灰度非常接近的范圍大小，只有點(diǎn)(x,y)的灰度值與其鄰域點(diǎn)的灰度值小于該閾值時(shí)，才認(rèn)為點(diǎn)(x,y)與該鄰域點(diǎn)灰度值非常接近。

沒有任何像素的灰度值與其相等或相當(dāng)接近時(shí)，即y=0，則可以認(rèn)為此點(diǎn)為孤立噪聲點(diǎn)；當(dāng)有1～m個(gè)像素的灰度值與其相等或相當(dāng)接近時(shí)，即1≤y≤m，則可以認(rèn)為此點(diǎn)為邊緣點(diǎn)；當(dāng)有m個(gè)以上像素的灰度值與其相等或相當(dāng)接近時(shí)，即y>m，可以認(rèn)為此點(diǎn)處于平坦區(qū)。

2.2 動(dòng)態(tài)中值濾波算法

中值濾波與平均濾波相比，從總體上來說，能夠較好地保留原序列中的波形細(xì)節(jié)和靈敏度。

2.3 均值濾波算法

鄰域平均法是一種局部空間域處理的算法，設(shè)一系列信號(hào)數(shù)據(jù)為N×N的陣列，處理后的灰度級(jí)由包含(x,y)領(lǐng)域的幾個(gè)信號(hào)像素的灰度級(jí)的平均值決定，用如下公式處理：

式中x,y=0，1，2，…，N-1；S是以(x,y)為中心的鄰域集合，M是S內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的總數(shù)。圖像鄰域平均法的處理效果與所用的鄰域半徑有關(guān)。

3 處理效果

濾波前后的效果對(duì)比見圖2。

圖2 處理效果對(duì)比圖Fig.2 Comparison chart of treatment effect

4 結(jié)語

目前，直接進(jìn)樣測汞儀能夠?qū)悠分械墓窟M(jìn)行快速、準(zhǔn)確、無尾氣污染的檢測，儀器無需化學(xué)前處理，避免了汞的揮發(fā)和損失，檢測分析快捷高效、穩(wěn)定性高,其應(yīng)用軟件中的濾波算法精準(zhǔn)有效地消除了采集信號(hào)所受的外界環(huán)境和其他因素干擾，獲得的信號(hào)更真實(shí)、準(zhǔn)確，保持了數(shù)據(jù)的靈敏度和穩(wěn)定性。這種濾波器結(jié)構(gòu)算法是針對(duì)直接進(jìn)樣測汞儀和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行的應(yīng)用性研究，并取得了較好的效果。但它不一定適用實(shí)驗(yàn)室其他設(shè)備，只可作為數(shù)字濾波算法的一種參考和技術(shù)支持。