CN113654957A - 一种基于基线扣除的背景干扰消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，包括如下步骤：步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E；步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出E的基线L；步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，为静态光散射法粒度准确测量提供有效手段。
Description
技术领域
本发明属于资源与环境、海洋领域，尤其是一种基于基线扣除的静态光散射信号背景干扰消除方法。
背景技术
水体悬浮颗粒物会使水质恶化、妨碍水体自净、对鱼类产生危害，其粒径一般在几至几百微米之间。因此，开展水体中悬浮颗粒物粒度自动在线测量，对于水环境保护有着至关重要的作用。目前，激光散射技术是相对成熟且应用广泛的粒度测量技术。激光散射技术普遍采用环型光电探测器进行样品光散射信号图谱探测，但环型光电探测器存在工艺复杂、成本高以及测量前需要对中等问题。CMOS探测器可以有效解决上述问题，因此，成为了激光粒度仪研究的新趋势。由于空间滤波器、光学元件的品质、粉尘对光学表面的污染等因素的影响，采用激光散射技术进行颗粒样品测量时，背景干扰不可避免。因此，为获得准确的样品光散射信号图谱，需要消除背景干扰。当前通常采用样品光散射信号减去背景光信号的方式进行背景干扰消除(以下简称直接相减法)。但CMOS探测器采用直接相减法消除背景干扰时，在小散射角区域内光能信息仍出现较大误差，因此需要对光谱进行进一步校正。
发明内容
针对CMOS探测器采用直接相减法消除背景干扰时，在小散射角区域内光能信息仍出现较大误差的问题，本发明提出了一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，针对水体悬浮颗粒物静态光散射信号背景干扰，首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布，再使用非对称最小二乘法拟合出光能分布的基线，最后利用基线对样品散射光能分布进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，为静态光散射法粒度准确测量提供有效手段。
本发明的技术方案为：一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，具体包括如下步骤：一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，包括如下步骤：
步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E；
步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出E的基线L；
步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱。
进一步的，所述步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E，具体如下：
首先，在样品池中加入纯水作为对照组，测得背景光能分布图Eb；再在样品池中分别加入待测样品，获得样品散射光能分布图Es；由Es-Eb＝E，得到光能分布图E。
进一步的，所述的步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出光能分布图E的基线L；具体如下：
非对称最小二乘算法拟合光能分布基线L目标如式(1)：
其中，wi为权重因子，Δ为二阶差分算子，λ是折中因子；E和L是列向量，i表示列向量中元素的角标；第一项表示基线与光能分布的非对称拟合程度；第二项是为了保证基线的光滑性，折中因子λ起到平衡非对称逼近程度和光滑性的作用。
最小化式(1)，得方程***：
(W+λDTD)L＝WE (2)
其中，W是由向量w组成的对角阵，即W＝diag(w)，D是拟合基线L的二阶导数矩阵，即DL＝Δ2L；求解得到估计基线：
L＝(W+λDTD)-1WE (3)
根据上述非对称最小二乘算法，拟合得到光能分布基线L。
进一步的，所述步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，具体的，通过扣除基线即：
E'＝E-L
得到样品光散射信号图谱E'。
有益效果：
本发明提出的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布，再使用非对称最小二乘法拟合出光能分布的基线，最后利用基线对样品散射光能分布进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，为静态光散射法粒度准确测量提供有效手段。
附图说明
图1：对120μm标样进行测试，光能分布曲线分析测试结果；
图2：120μm标样反演结果：(a)未消除背景；(b)直接相减法消除背景；(c)基线法消除背景；
图3：本发明的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，提出了一种用于静态光散射法水体悬浮颗粒物粒度测量的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，如图3所示，具体包括如下步骤：
步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E；
步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出E的基线L；
步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱。
根据本发明的一个实施例，所述步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E，具体如下：
首先，在样品池中加入纯水作为对照组，测得背景光能分布图Eb；再在样品池中分别加入待测样品，获得样品散射光能分布图Es；由Es-Eb＝E，得到光能分布E。
根据本发明的一个实施例，所述的步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出E的基线L；具体如下：
非对称最小二乘算法拟合光能分布基线L目标如式(1)：
其中，wi为权重因子，Δ为二阶差分算子，λ是折中因子；E和L是列向量，i表示列向量中元素的角标；第一项表示基线与光能分布的非对称拟合程度；第二项是为了保证基线的光滑性，折中因子λ起到平衡非对称逼近程度和光滑性的作用。
最小化式(1)，得方程***：
(W+λDTD)L＝WE (2)
粗体E表示光能分布列向量，Ei表示E中的元素，基线L是列向量、Li同表示L中的元素；
其中，W是由向量w组成的对角阵，即W＝diag(w)，D是拟合基线L的二阶导数矩阵，即DL＝Δ2L。求解得到估计基线：
L＝(W+λDTD)-1WE (3)
根据上述非对称最小二乘算法，拟合得到光能分布基线L。
根据一个实施例，所述步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，具体的，通过扣除基线即：
E'＝E-L
得到样品光散射信号图谱E'。
本发明的静态光散射法水体悬浮颗粒物测量，不同于传统的光谱分析方法。本发明将非对称最小二乘法创新应用于静态光散射法水体悬浮颗粒物测量的基线拟合扣除中，提高了静态光散射法水体悬浮颗粒物测量精度，得到更加准确的光散射信号图谱。
根据本发明的一个实施例，以水为介质，进行光能分布曲线分析测试，样品为中国计量科学院的120μm(以下称120μm标样)国家标准样品，材质为聚苯乙烯。利用本发明提出的基于基线扣除的背景干扰消除方法，对120μm标样进行测试，光能分布曲线分析测试结果如如图1所示，未消除背景干扰时，标样和水的光能分布均在6600μm后呈线性上升(如图1中局部图所示)，与理论值不符。采用直接相减法和基线扣除法处理，与直接相减法得到的光能分布曲线相比，基线扣除法得到的光能分布曲线与Mie氏散射理论模型重合度更高。
根据本发明的一个实施例，进行粒度分布曲线测试，120μm标样的粒度反演结果如图2所示。图2中红线所示为120μm标样累计百分比反演结果。由图可见，未消除背景干扰时，120μm标样的累计百分比从5μm开始，至100μm，以及180μm至500μm均出现明显上升，不符合单一粒径样品累计百分比呈阶跃式增长的趋势。采用直接相减法消除背景干扰后，120μm标样的反演结果从30μm开始，至64μm累计百分比均出现明显上升，不符合单一粒径样品累计百分比呈阶跃式增长的趋势。采用基线扣除法消除背景干扰后，120μm标样的累计百分比从110μm出现明显上升，至126μm趋于平缓，符合单一粒径样品累计百分比阶跃式增长的分布。
图2中颜色最深的曲线所示为120μm标样粒径百分比的反演结果。(a)为未消除背景；(b)为直接相减法消除背景；(c)为基线法消除背景；未消除背景干扰时，粒径百分比的峰半高宽为30μm。采用直接相减法消除背景干扰后，粒径百分比的峰半高宽为40μm。采用基线扣除法消除背景干扰后，粒径百分比的峰半高宽为15μm。基线扣除法获得的粒径百分比半高宽窄，更符合单一粒径样品的粒度分布。
根据本发明的一个实施例，进行粒度分布参数测试，表征粒度分布的参数为D10、D50、D90以及Dmax。D代表粉体颗粒的直径，Dx表示样品的累计粒度分布百分数达到x％时所对应的粒径，Dmax表示占比最高的粒径。根据粒度反演结果，统计待测样品的粒度分布参数，结果如表1所示。由表1可见，未消除背景干扰时，D10与D90相对误差在70％以上。直接相减法消除背景干扰后，反演结果中D50、D90、Dmax相对误差较小，但是D10的误差仍高达61.2％。基线扣除法消除背景干扰后，反演结果最大误差不超过10％，有效的将反演结果各表征参数相对误差控制在合理范围之内。
表1 120μm标样粒度反演结果
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E；
步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出E的基线L；
步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，其特征在于，所述步骤1、首先采用直接相减法得到修正后样品散射光能分布E，具体如下：
首先，在样品池中加入纯水作为对照组，测得背景光能分布图Eb；再在样品池中分别加入待测样品，获得样品散射光能分布图Es；由Es-Eb＝E，得到光能分布图E。
3.根据权利要求1所述的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，其特征在于，所述的步骤2、使用非对称最小二乘法拟合出光能分布图E的基线L；具体如下：
非对称最小二乘算法拟合光能分布基线L目标如式(1)：
其中，wi为权重因子，Δ为二阶差分算子，λ是折中因子；E和L是列向量，i表示列向量中元素的角标；第一项表示基线与光能分布的非对称拟合程度；第二项是为了保证基线的光滑性，折中因子λ起到平衡非对称逼近程度和光滑性的作用；
最小化式(1)，得方程***：
(W+λDTD)L＝WE (2)
其中，W是由向量w组成的对角阵，即W＝diag(w)，D是拟合基线L的二阶导数矩阵，即DL＝Δ2L；求解得到估计基线：
L＝(W+λDTD)-1WE (3)
根据上述非对称最小二乘算法，拟合得到光能分布基线L。
4.根据权利要求1所述的一种基于基线扣除的背景干扰消除方法，其特征在于，所述步骤3、利用基线L对样品散射光能分布E进行进一步修正，得到更加准确的光散射信号图谱，具体的，通过扣除基线即：
E'＝E-L
得到样品光散射信号图谱E'。
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