改进小波阈值去噪在矿物油荧光检测信号中的应用

陈至坤 张菡洁 徐 傲 王福斌

(华北理工大学电气工程学院)

改进小波阈值去噪在矿物油荧光检测信号中的应用

陈至坤 张菡洁 徐 傲 王福斌

(华北理工大学电气工程学院)

为减小由光电探测器产生的荧光信号中噪声的干扰，在经典小波阈值去噪方法的基础上，提出一种新的阈值函数去噪算法。这种新的阈值函数具有较好的连续性和稳定性，能够保留原始信号的特征。采用Matlab对比不同阈值函数的去噪效果，结果表明新的算法兼顾了软、硬阈值的优点，又在一定程度上弥补了传统小波阈值去噪方法的缺陷，提高了荧光信号的信噪比，获得了更好的去噪效果。

荧光光谱仪 水中矿物油含量 荧光检测 小波变换 去噪 阈值函数

随着社会经济的不断发展，人类生活和生产导致的水中矿物油的污染状况日益严峻，因此快速准确地鉴别水中矿物油的含量对环境的监管、治理具有重要意义。如今，对水中矿物油含量的检测应用最广泛的方法是荧光分析法，荧光分析法主要利用水中矿物油具有荧光性质的特点，通过检测被激发光源激发后产生的荧光信号分布的特征即可对样品溶液中所含的矿物油成分进行定性和定量分析[1,2]。在荧光法检测水中矿物油浓度时，荧光光谱仪多采用光电倍增管(Photomultiplier，PMT)作为荧光信号探测的核心器件，将荧光信号转换为电流信号。PMT利用光电效应[3～5]，在光阴极和光阳极之间设置若干电子倍增极，使光电子在极间电压作用下，逐级轰击下一个倍增极，产生更多的电子，直至最后被阳极收集后电流输出。除了入射光子产生脉冲以外，PMT光阴极还会因受热而发射电子，同样会在阳极产生脉冲输出且与光信号脉冲很难区别开来，这使得光电倍增管产生的噪声直接影响荧光检测的灵敏度。因此，滤除噪声的影响，改善荧光信号的质量，成为提高水中矿物油检测精度的重要因素[6]。

目前，各种常规的信号去噪处理方法(如低通滤波、傅里叶分析等)虽然对噪声的滤除有一定的效果，但是在灵敏度、精度及速度等方面还存在很多不足之处，能检测到微弱信号的信噪比有限。小波分析能在时域和频域内同时进行信号的分析，实现信号的平滑滤波。在小波去噪分析中，硬阈值函数和软阈值函数是最基本的收缩阈值函数[7]。这两种阈值虽然在信号降噪处理中效果不错，但在连续性和重构信号逼近真实信号的程度方面有一些缺点。文献[8]通过小波软阈值去噪对农药荧光信号进行处理，效果不理想，信号不够平滑，又用传统模拟低通滤波器进行去噪后得到了较为光滑的荧光信号，计算过程复杂，说明仅使用软阈值无法得到良好的去噪效果。因此，笔者对传统小波阈值去噪方法进行了深入的研究并予以改进，使改进后的阈值函数同时具备了软阈值和硬阈值的优点，使用起来更加方便灵活，去噪效果更好。

1 荧光法检测水中矿物油的原理

1.1 荧光强度与浓度的关系

荧光发射是由荧光物质吸收能量后释放能量的过程，因此溶液的荧光强度与该溶液中荧光物质的浓度、荧光效率和吸收光能的能力有关，由Beer-Lambert 定律[9]知，在矿物油浓度较低时，荧光强度If与矿物油浓度c的关系为：

If=2.3YfI0εcl

(1)

式中I0——入射光强度；

l——样品池的厚度；

Yf——荧光量子产率；

ε——摩尔吸光系数。

由式(1)知荧光强度与矿物油的浓度成正比。光电倍增管接收到的荧光信号即If。这是荧光分析法用被测物定量分析的基础和最根本的依据，是荧光光谱仪检测系统的工作原理。

1.2 荧光光谱仪的结构

荧光光谱仪或荧光分光光度计[10]通常是由激发光源、激光和发射单色器、样品池、光学探测器件和控制器件构成，荧光光谱仪的一般结构如图1所示。由图1可知，光谱聚焦系统收集到的荧光信号进入光电倍增管后，将荧光信号转换为电信号。

图1 荧光光谱仪的一般结构

2 小波阈值去噪分析

2.1 小波去噪原理

在荧光光谱检测系统中，有效信号一般是低频信号或一些较平稳的信号，而高频信号一般是需要滤除的噪声信号。因此对原始含噪信号进行小波变换去噪的基本步骤如下[11～13]：

a. 对含噪信号进行小波分解。选取合适的小波基和分解层次N，然后进行小波分解计算得到一组小波系数wj,k。

2.2 阈值的选取及其量化

目前常用的阈值选取方法为固定阈值法，其表达式为：

(2)

影响小波变换去噪效果的关键因素是阈值的选取和阈值函数的确定。通常选用的阈值函数有如下3种[14]。

硬阈值函数，其定义为：

(3)

软阈值函数，其定义为：

(4)

硬阈值是令绝对值小于阈值的信号点的值为零，但这种方法会使某些点产生间断。软阈值虽然克服了硬阈值的缺点但可能造成边缘模糊失真现象。为了克服软、硬阈值的缺点，研究者们提出了很多阈值函数的改进模型，软、硬阈值折中法即半阈值法就是其中最简单的一种，其定义如下：

(5)

其中0≤a≤1。当a分别取0和1时，式(5)分别成为硬阈值和软阈值估计方法。适当地调整a可以获得更好的去噪方法。

笔者在软、硬阈值折中法的基础上进行改进，经实验验证去噪效果比原来的更有效，提高了信号的信噪比。改进的阈值函数定义如下：

(6)

其中0≤a≤1，在以下计算中取a=1。

3 实验与结果分析

3.1 含噪荧光信号的获取

用波长为380nm的激发光照射溶于CCl4溶液的浓度为柴油0.05mg/L、汽油0.05mg/L、煤油0.05mg/L的混合样品。采集荧光光谱仪中光电倍增管产生的荧光信号,图2为检测到的含噪光电脉冲信号。

3.2 小波阈值去噪仿真

实验选用db5小波基进行4层小波分解，对分解后的小波系数分别采用软阈值、硬阈值、半阈值法和改进阈值函数进行去噪，效果如图3所示。

图2 含噪荧光信号

图3 去噪结果对比

信号的去噪效果可以由信噪比(SNR)和均方误差来描述(MSE)。4种阈值函数对矿物油荧光信号去噪后的信噪比和均方误差见表1。

表1 不同阈值函数去噪效果

由图3和表1可以得出：软阈值法去噪后波形过于光滑，精确度较差；硬阈值法去噪后重构的波形振荡点较多；半阈值法去噪后尽管信噪比有所提高，但是重构信号中仍存在部分振荡点；改进的阈值函数去噪使重构的荧光信号较为光滑、振荡点减少且信噪比提高，得到了较小的均方误差。

4 结束语

传统的小波阈值去噪方法受阈值的选取影响较大，阈值函数存在各种不同的缺点，在信号的去噪过程中会出现噪声残留或过于平滑，没有细节信息。针对这些问题笔者提出了一种改进的阈值方法，结合Matlab仿真对不同小波阈值函数的去噪效果进行对比验证，结果表明改进的小波阈值函数去噪得到的波形较为光滑，能够进一步提高信噪比，去噪效果明显，便于调节，并且能保留原始信号的细节信息，比传统经典的软、硬阈值去噪方法更为优越，有广阔的应用前景。通过使用改进的小波阈值法实现了对由光电倍增管产生的荧光信号的平滑滤波处理，为后续进行矿物油的定性和定量分析提供了可靠、精确的荧光信号，提高了检测精度。

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(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)

河北省自然科学基金项目(F2015203240)。

陈至坤(1961-)，教授，从事检测技术与智能装置的研究，zkchen@ncst.edu.cn。