直接進樣測汞儀軟件消除信號干擾的應用研究

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)、無機汞和有機汞，其中有機汞的危害最大，尤其是對動物神經(jīng)系統(tǒng)造成損害。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，近些年國內和國際都對汞的具體限排范圍做出了詳細規(guī)定，以減少汞污染對環(huán)境和人類健康造成的損害。這就需要有方法或手段，能夠準確、快速地對環(huán)境中存在的汞進行分析，同時對汞污染進行評估。

當前實驗室常規(guī)的汞分析測試方法有：電感耦合等離子質譜法、冷原子吸收光譜法(SnCl2預還原體系)、原子熒光光譜法等。諸多的分析方法均需要對樣品進行前處理，過程復雜繁瑣、誤差大，且易造成干擾。因此，本文選用新研發(fā)的一種無需化學前處理、電熱蒸發(fā)、直接進樣的光譜檢測方法，來分析環(huán)境中汞元素。在分析過程中，由于應用控制系統(tǒng)采樣信號有數(shù)字信號和模擬信號等，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出現(xiàn)偏離理論值設置、不穩(wěn)定等情況，從而造成采集的信號數(shù)據(jù)不能真實反應目標樣品實際情況、測量結果不準確等后果。為了消除這些干擾，獲得準確的信號數(shù)據(jù)，就需要對采集的信號數(shù)據(jù)進行濾波處理。

1 儀器原理及算法概述

1.1 直接進樣測汞儀工作原理

將目標樣品置于樣品舟中，通過自動進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，分解物進一步被氧氣載帶入催化爐催化還原，再進入汞捕集阱中，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，汞蒸氣對特征波長譜線產(chǎn)生吸收，吸收后強度減弱，經(jīng)光電檢測器檢測產(chǎn)生吸收信號的響應值。由于汞蒸氣對253.7 nm譜線的吸收，在一定范圍內符合朗伯-比爾定律(Lambert-Beer)，所以該儀器可以用于汞的定量分析。直接進樣測汞儀工作原理流程圖見圖1。

圖1 直接進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域，而是通過隨機過程的數(shù)學手段(建立的一個數(shù)學模型)，通過對噪聲和信號的統(tǒng)計特性，利用數(shù)學原理濾除差異較大的數(shù)據(jù)，消除干擾因素，保持數(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，廣泛應用于圖像處理的減噪過程。

(1)原理。高斯濾波實質上是一種信號的濾波器用于信號的平滑處理。數(shù)字圖像用于后期應用，其噪聲是最大的問題，由于誤差會累計傳遞等原因，用于得到信噪比SNR較高的圖像(反應真實信號)。高斯濾波就是對所有采集數(shù)據(jù)進行加權平均的過程，使得最終采集數(shù)據(jù)的值都由其本身和鄰域內的其他數(shù)據(jù)值經(jīng)過加權平均后得到。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(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，一般會適當加大模板中心點的權重，隨著遠離中心點，權重迅速減小，從而確保中心點看起來更接近與它距離更近的點。

(2)優(yōu)缺點。采用高斯濾波，系統(tǒng)函數(shù)是平滑的，避免了振鈴現(xiàn)象，對隨機噪聲和高斯噪聲(服從正態(tài)分布的噪聲)抑制效果比較好；缺點是高斯濾波只適用一段時間內的平穩(wěn)信號，對不平穩(wěn)信號濾波效果不明顯，而且當對大量信號數(shù)據(jù)進行高斯濾波處理時，會花費較多時間，需要在響應時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，就是把每個采集數(shù)據(jù)都和前后的n個數(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，它是對每一個采集數(shù)據(jù)給一個模板，該模板包括了其周圍的臨近數(shù)據(jù)值(以目標采集數(shù)據(jù)值為中心的周圍n個數(shù)據(jù)，構成一個濾波模板，即去掉目標數(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。平滑所有采集數(shù)據(jù)速度快，算法簡單；缺點是數(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，也是信號處理技術中比較常用的處理技術。它在平滑脈沖噪聲方面比較有效，同時還可以保護譜圖尖銳的邊緣。加權中值濾波能夠改進中值濾波的邊緣信號保持效果。

(1)原理?；谂判蚪y(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，把采集信號序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的信號值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點。

(2)優(yōu)缺點。中值濾波對脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時，能夠保護信號的邊緣，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，也易于用硬件實現(xiàn)，所以中值濾波方法一經(jīng)提出后，便在數(shù)字信號處理領域得到重要的應用；缺點是對一些細節(jié)多，特別是采集信號形成的銳峰譜圖和多峰譜圖不宜采用中值濾波。

2 算法實驗性研究

采用除極限值法對實驗室光譜分析儀器應用軟件的采集信號數(shù)據(jù)濾波，通過比較計算將信號數(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)進行處理，這樣就能有效克服偶然因素引起的干擾和波動，但是無法抑制周期性的干擾，而且有時會損失信號靈敏度。

在實際應用中，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，可能會使處理后的數(shù)據(jù)遠離采集信號的真實范圍，出現(xiàn)人為造成的失真。因此，通過實驗驗證，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，而且數(shù)據(jù)不會失真。

針對直接進樣測汞儀直接進樣固態(tài)和液態(tài)樣品、無需化學前處理、電熱蒸發(fā)、要求檢測響應速度快、信號波峰不復雜等特點，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，還原目標樣品信號真實值，也使繪制的信號譜圖直觀、精準。

由于高斯濾波這種經(jīng)典的濾波算法是建立在信號和噪聲頻率分離的基礎上，且處理每一個信號數(shù)據(jù)的值都需要其本身和鄰域內的其他信號值經(jīng)過加權平均后得到。而本儀器噪聲和信號的頻譜相互混疊，有時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數(shù)據(jù)，需要花費較多時間，人機交互響應時間較慢。

為了找到兼有細節(jié)保護和噪聲抑制的優(yōu)良特性的濾波器結構，本算法是基于中值濾波的改進型算法。結合實際情況，先加入了帶有閾值的除極值算法，再結合動態(tài)中值濾波和均值濾波算法。

2.1 帶有閾值的除極值算法

需要對全部采集數(shù)據(jù)點進行預判斷，區(qū)分為噪聲點、邊緣細節(jié)區(qū)和平坦區(qū)。判斷噪聲點和平坦區(qū)算法：先對W[Xij]數(shù)組內的數(shù)據(jù)點進行排序，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]進行比較，如果相等，則用以下介紹的預判段算子判斷出孤立噪聲點、平坦區(qū)和邊緣細節(jié)點。

判斷信號S與噪聲點N的標準是在信號譜圖中如果某點的灰度值為其鄰域的最大值或最小值，那么該點為噪聲，反之則為信號。

按此原則對全部信號數(shù)據(jù)點分類，設Yij表示輸出信號譜圖像素點，則該濾波方法可表示為

設f(x,y)為信號譜圖像素點(x,y)處的灰度值，δ(x,y)為(x,y)鄰域像素點的灰度值。首先選擇一個算子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做進一步處理。這里取Y的公式為

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

沒有任何像素的灰度值與其相等或相當接近時，即y=0，則可以認為此點為孤立噪聲點；當有1～m個像素的灰度值與其相等或相當接近時，即1≤y≤m，則可以認為此點為邊緣點；當有m個以上像素的灰度值與其相等或相當接近時，即y>m，可以認為此點處于平坦區(qū)。

2.2 動態(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，設一系列信號數(shù)據(jù)為N×N的陣列，處理后的灰度級由包含(x,y)領域的幾個信號像素的灰度級的平均值決定，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內坐標點的總數(shù)。圖像鄰域平均法的處理效果與所用的鄰域半徑有關。

3 處理效果

濾波前后的效果對比見圖2。

圖2 處理效果對比圖Fig.2 Comparison chart of treatment effect

4 結語

目前，直接進樣測汞儀能夠對樣品中的汞含量進行快速、準確、無尾氣污染的檢測，儀器無需化學前處理，避免了汞的揮發(fā)和損失，檢測分析快捷高效、穩(wěn)定性高,其應用軟件中的濾波算法精準有效地消除了采集信號所受的外界環(huán)境和其他因素干擾，獲得的信號更真實、準確，保持了數(shù)據(jù)的靈敏度和穩(wěn)定性。這種濾波器結構算法是針對直接進樣測汞儀和相關實驗室設備進行的應用性研究，并取得了較好的效果。但它不一定適用實驗室其他設備，只可作為數(shù)字濾波算法的一種參考和技術支持。