基于小波变换的体内外酒精含量近红外光谱检测与分析.docxVIP

第32卷，第6期光谱学与光谱分，析VoL32,No.6,ppl541-1546

2012年6月SpectroscopyandSpectralAnalysisJune,2012

基于小波变换的体内外酒精含量近红外光谱检测与分析

罗斯特，李增勇1*,张明2,陈国强1

1.山东大学机械工程学院，山东济南2500612.香港理工大学医疗资讯科技学系，中国香港

摘要应用小波分析对体外和体内的酒精近红外光谱信号进行去噪分析，通过体外光谱分析确定酒精吸收峰特征范围，为体内近红外光谱分析确定有效区间。软网值和硬阈值下，分别采用缺省阈值、Birgc-Massart阙值和最大最小值阈值，比较酒精光谱去噪，信噪比(signalnoiseratio,SNR)和均方根误差(rootmeansquareerror,RMSE)去噪效果。结果表明：缺省硬阈值方法对酒精近红外光谱去噪的效果较好；小波变换可以有效去除酒精近红外光谱的噪声，提高信噪比，保留有用真实信号。在不同的酒精浓度下，去噪后的近红外光谱能够较好的显示浓度变化规律。小波分析在近红外光谱法对人体酒精无创检测及定量分析方面有较好的应用前景。

关键词小波变换；近红外光谱；酒精；去噪；阀值

中图分类号：R318.5文献标识码：ADOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2012)06-1541-06

引言

酒后驾驶是导致交通事故发生的重要原因，据统计，驾驶员酒后开车，其发生交通事故的比率高于未饮酒的16倍。因此，从主动安全角度出发，应该严禁酒后驾驶。目前，常用酒精检测方法是呼气和血液检测法。但这两种方法都各有缺陷，呼气检测法的测量仪器受环境的干扰比较大，口中酒精的残留会影响测量结果，测量精度不好保证；血液检测法过程很复杂，成本高，而且只能在医院实施，所以这两种方法都不适合作为汽车的主动安全措施。

近红外光谱分析是发展比较迅速的一种快速检测技术，分析速度快，连续、实时、无创，在血氧检测等方面得到广泛应用]。但检测血液酒精含量时，血液中含有蛋白、葡萄糖、水、无机盐、酯类等，会干扰对酒精的检测信号。外界环境变化，仪器噪声，测量过程中状态的变化会干扰检测信号产生。所以，酒精的检测信号含有较强的噪声，特别是直接在人体皮肤表面检测血液中的酒精时，噪声非常强。因而，信号去噪成为在近红外光谱检测之后的重要问题[2,3]。

小波分析是近30年来发展起来的一种新的分析工具，已广泛应用于各个领域。小波分析克服了短时傅里叶变换在

单分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特点，在时域和频域都有表征信号局部信息的能力，时间窗和频率窗都可以根据信号的具体形态动态调整。小波变换相当于是一个具有多通道的带通滤波器、能够同时对信号进行低通和高通滤波处理，并很好的分离出噪音和不需要的信息，因此小波分析有着传统方法无可比拟的优势。文献[4,5]已成功地将小波分析应用于血氧无创检测，但应用在人体酒精无创检测方面尚未见报道。

本研究将小波分析应用于酒精的近红外光谱信号的去噪处理。

1基本理论

1.1近红外光谱原理

近红外光NIRS是介于可见光与中红外区间的电磁波，波长范围为700~2500nm。NIRS属于分子振动光谱，是基频分子振动的倍频和组合频，主要反映含氢基团X-H(X=

C,N,O)振动的倍频和合频吸收X-H(C,S,O,N)的特征

信息。通过分析酒精在近红外光谱区的吸收特征，确定酒精的近红外光谱吸收范围6。

对样本进行连续光谱测量，然后由下式计算出吸光度：

收稿日期：2011-11-23,修订日期：2012-03-05

基金项目：国家自然科学基金项目81071223),山东省自然科学基金项目(ZR2010HMO24)和山东大学自主创新基金自然科学类专项(2010JQ007)资助

作者简介：罗斯特，1987年生，山东大学机械工程学院碳士研究生email:574466467@qqcom

通迅联系人email:zyongli@sdu.educm

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1542光谱学与光谱分析