激光测试原理与技术课程论文.docVIP

分数：

评卷人：

研究生〔激光测试原理与技术〕实验报告

题目：改良的小波阈值法在激光诱导击穿光谱信号降噪中的应用研究

学号M201572550

姓名郭阳敏

专业 光学工程

课程指导教师

院〔系、所〕 武汉光电国家实验室

2016年06月14日

改良的小波阈值法在激光诱导击穿光谱信号降噪中的应用研究

郭阳敏，M201572550

华中科技大学，武汉光电国家实验室〔筹〕，湖北武汉430074

摘要：论文以小波分析理论为根底，对激光诱导击穿光谱信号降噪问题展开研究。研究在传统的小波阈值去噪法的根底上，对阈值函数进行了改良并提出分层阈值优化算法。首先运用改良的方法在仿真光谱上进行测试处理，选择sym8小波基函数进行4层分解，以信噪比〔SNR〕和均方根误差〔RMSE〕为评价标准。降噪后的信号信噪比最大增加4.5dB,均方根误差最大减小0.39。然后在实测光谱上进行验证，选择有机玻璃〔PMMA〕光谱中516.5nm处的C-C键峰、247.9nm处的CI峰和656.3nm处的H原子峰为处理对象。降噪后的信号信噪比最大增加61.8861，峰值误差〔PE〕均在1%以下。实验结果证明了改良的降噪方法对于优化激光探针光谱、提高信噪比的优越性。

关键词：激光诱导击穿光谱；小波分析；阈值；降噪

1引言

激光诱导击穿光谱〔LaserInducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS〕是原子发射光谱法〔AtomicEmissionSpectroscopy,简称AES〕中的一种。自从1962年Breech和Cross首次报道LIBS技术[1]以来，LIBS技术多年来持续成为研究热点，现已初步实现了工业应用，在工业生产[2]、环境污染[3]、生物医药[4]、食品平安[5]、军事[6]和太空探测[7]等诸多领域[8,9]具有广泛的应用前景。

噪声是影响LIBS光谱信噪比和限制LIBS技术检测极限的一个重要因素。在光谱采集的过程中不可防止地会收集到噪声，光子辐射时的散粒噪声、器件的暗电流、载流子运动产生的热噪声以及自然光等都是光谱中存在噪声原因。运用数据处理的方法对LIBS光谱降噪是低本钱且有效的解决方案。由于LIBS光谱为典型的非平稳信号，传统的傅里叶分析方法不能取得理想的降噪效果。作为傅里叶分析的进一步开展，小波分析在时域和频域都具有较好的局部特性，是处理非平稳信号的有效工具。利用小波分析对LIBS光谱进行处理的研究也越来越多。Zhang等[10]在离散小波变换半软阈值去噪的根底上提出双阈值优化模型，探测极限降低超过50%，信噪比改善2倍。Yuan等[11]在离散小波变换硬阈值去噪法的根底上对空气、氩气和氦气环境下煤中的C元素谱线进行处理，谱线的信噪比分别提升了2倍、2倍和3倍。Zhang等[12]利用熵分析来确定小波阈值去噪过程中最优的分解层数，优化后的探测极限降低超过50%。

小波阈值去噪方法是一应用广泛、效果较好的去噪方法。运用小波阈值法进行去噪的关键是对小波系数进行阈值处理。阈值的作用方式和阈值的选取是影响去噪效果的关键因素。论文提出了一种改良的阈值函数和分层阈值优化算法，并在测试信号上进行了仿真实验，在实测激光探针信号上进行了验证。

2实验装置及原理

LIBS技术是通过高能量密度的脉冲激光聚焦到被测物质外表，烧蚀产生高亮、高温等离子体，进而通过采集分析等离子体中的发射光谱来确定被测物质中各元素的成分及含量。激光诱导击穿光谱实验装置系统如图1所示，根本原理如下：高能量密度的激光脉冲聚焦到待测样品外表，烧蚀产生等离子体后，等离子体对外发射特定频率的光子，不同元素和浓度的粒子的发射谱线的波长和强度不同。将等离子体辐射光通过光收集器收集并耦合到光纤中，传输至光谱仪进行分光，光谱仪配备增强型电荷耦合器件〔ICCD〕进行光电转换，最后将光谱数据传输至计算机进行处理和分析。通过获取特征谱线的波长和强度信息能够分别推导出待测样品中元素的种类及其含量信息。

图1激光诱导击穿光谱实验装置系统结构示意图

3改良的小波阈值去噪模型

运用小波阈值法进行去噪的根本思想是，当小波系数ωj,k小于某个值时，认为这些小波系数代表噪声的信息，可以被去除。当小波系数ωj,k大于这个阈值时，认为些小波系数代表有用信号的信息。然后对这些系数进行阈值处理，硬阈值函数就不对这一局部的小波系数处理直接保存这些小波系数；软阈值函数对这一局部的系数减去一个固定的值。然后用处理后的小波系数进行小波反变换进行重构，得到去噪后的信号。

3.1改良的阈值函数

硬阈值函数由于在阈值点处不连续会导致处理之后的信号产生振荡且去除噪声较少。软阈值函数虽然在阈值点处连续，但软阈值函数处理