基于FTIR大气污染气体红外光谱处理方法研究

基于FTIR大气污染气体红外光谱处理方法研究

梁洁1刘健康2

梁洁1刘健康2

（1、四川水利职业技术学院，四川崇州611830）（2、刘健康：四川农业大学，四川雅安625014）

[摘要]目前不管是国内，还是国外，所面临的一个主要环境问题为环境大气的污染问题。要想治理环境，其前提为大气环境的监测，及时掌握大气环境的污染情况。下面文章就FTIR大气污染气体红外光谱处理方式进行研究和分析，针对以往所采用的这些方法所存在的不足与缺陷，提出了相关的该改进措施，并利用所改进的方法来构建了相应的模型，开发了大气污染气体测量系统与数据处理系统。

[关键词]FTIR大气污染浓度反演红外光谱处理

[作者简介]梁洁（1981-），女，讲师，就职于四川水利职业技术学院环境工程系。

刘健康（1975），男，四川农业大学副教授。

[中图分类号]X51[文献标识码]A[文章编号]0439-8041（2013）10-0067-03

一、傅里叶变换红外光谱处理方法的概简述

光谱在分析和处理数据时，其中最重要的一个环节就是滤波去噪。所谓FTIR光谱分析处理就是指对被测气体中红外特征光谱信号进行去除噪声，通过对其一系列外界干扰因素的处理，增强其光谱信号分析性能，提高其分析的准确度。在利用小波变换来去除噪声的时候，其阀值的选取是非常重要的，直接影响其滤噪的效果。若其阀值过小，就不可完全的去除噪声，而太大则又容易造成一些有用的信息丢失。明确阀值的方法一般有以下几种：极大极小准则、Sureshink阀值法和启发式阀值法等，由于这几种方法在明确阀值时，具有一定的猜测性，容易造成其去噪效果不够稳定。因此，为了有效地解决这些问题，下面文章就基于小波变换肌理的分析，通过思维进化算法来优化阀值的选择，同时采用多组分气体混合光谱来实施去噪。

二、小波变换的简述

小波变换思想和傅立叶变换思想相一致，均采用的是一族函数来表示其信号，该族函数通常被称之为小波函数系，这一函数系是由基本小波函数的伸缩与平移所构成的，是一种形状可变且窗口面积恒定的时域局域化分析法。

（一）去噪原理

小波阀值消除噪声技术发展至今，在各个研究课题中均对其有相应的阐述，这也使得一种新信号滤波思路出现。不同小波去噪法的原理基本上一致，即按照噪声与信号的小波系数在不同尺度上所呈现的不同性质特点，来建立相对应的去噪规则，通过一定的数学法处理含噪信号的这些小波系数。其去噪原理的步骤如下：第一，对带噪信号实施小波变换；第二，非线性处理在不同尺度上的这些小波系数；第三，利用新小波系数来实施小波逆变换，从而获得去噪的重构信号。在当前小波去噪种类中，其主要可分为三种：即阀值法、模极大值法与相关系数法，而本文着重就小波阀值法的光谱噪声去除进行介绍。

硬阀值是指比较信号绝对值和制定阀值，将小于阀值的点设为0，而大于阀值的点则保持不变。软阀值是指把型号绝对值和指定阀值实施比较，将小于阀值的点设为0，而≥阀值的点则为该点值和阀值之间的差。这两种阀值法之间的区别为：硬阀值处理可将信号特征保留下来，但是会有相应的振荡，软阀值处理法得到的信号与原始信号具有相似的光滑度，不会出现一些附加振荡，但是会将信号的某些特征丢失掉。

（二）评价指标

去噪效果除了可以用肉眼来进行主观察以外，同时还可利用均方误差与信噪比这两个指标对其去噪效果进行客观地评价。

（三）实验结果

为了能够更加直观评价小波阀值法的去噪效果，文章就以CO和NO混合气体所构成的透过率光谱作为例子来进行简要的说明。根据上述的方法来进行阀值选定，接着再用软阀值法来对各层小波系数实施阀值化处理，同时利用新产生的这些各层小波系数来实施信号的重构，以此获得去噪以后的光谱。表1为小波阀值法和平滑滤波法的去噪结果，在这些结果中可直观看出，采用小波阀值法来将光谱信号中噪声消除，其得到的效果较为明显。

表1小波阀值光谱去噪效果评价

通过研究结果来看，在小波分析中参数对于去噪效果有有着非常大的影响。对此，在采用这种方法时，应该对其产生的参数进行深入研究。

三、改进后小波阀值法的光谱去噪

随着科学技术的不断进步，出现了一种启发式的随机搜索算法，该算法也被称之进化计算法，相对于传统算法而言，这种算法的主要特征就是群体搜索，目前这种方法已被广泛应用于各种复杂问题的解决中，但是该算法在具体应用过程中，还存在着一些缺陷与问题，为了有效地解决这些问题，在1998年的时候，孙承意等人员提出了一种新的算法，即思维进化算法。

（一）思维进化算法的特征

这种算法的特点如下：第一，将群体划分成为了临时子群体与优胜子群体。基于该定义的异化与趋同操作分别实施开发、探测，这两种功能可互相协调且保持相应的独立性，有利于提高效率和算法整体的搜索效率。第二，结构固有并行性；第三，可记忆超过一代的相关进化信息，便于指导趋同和异化操作的方向。

（二）改进后小波阀值法的去噪算法

（三）实验结果

和上述实验相似，在这里把CO和NO所混合成为的气体红外光谱信号作为实例，以此来实施测试，通过其实验结果来看：第一，通过若干次的迭代以后，各个子群体均较为稳定，则表明各子群体倾向于成熟。第二，在整个异化过程中，大约有三个临时子群体所得到的分数高于三个优胜子群体，对此，可利用这三个临时子群体来代替其所对应的这些优胜子群体。第三，通过思维进化算法的优化以后，光谱信号中具有一定特征的这些信息可保留下来，剔除没有用的噪声信息。

四、大气污染气体浓度的反演法

FTIR光谱测量分析法的定量分析不管是在工业分析，还是在实验室研究或者环境监测中均有着非常重要的意义。在本文研究内容中FTIR光谱定量分析为主要的研究内容。

不管采用哪一种定量分析法，首先均应该建立校正模型，基于FTIR测量的数据与各种已知信息的标准样本，利用较为适合的方式来构建性能较好的一种定量分析模型，利用该模型来定量分析各种未知样本，以此预测这些未知样本浓度信息，通过计算出来的仪器线型函数相卷积和高分辨光谱仪，来进行实际测量情况下低分辨光谱模型的模拟。

在建好模型以后，在实际应用中，应对模型实施相应的验证，从而明确模型对于浓度信息与光谱信息之间回归关系的正确性，同时还应确定模型是否需要实施修正，模型是否符合定量测量精度要求等。

五、大气污染气体的测量以及数据处理系统

（一）测量系统

文章在初始研究中，在实验室内建立了有紧闭气室的一种FTIR测量系统，在该测量系统中，需要对温度、气体浓度以及压力等相关参数进行精确地控制，同时优化系统设计。在该系统中，紧闭气室为100mm常规气室，气室和光谱仪间的联接是利用光路接口来实施的，利用其中的抛物镜或者平面镜来实现红外光束在干涉仪与气室间的切换。在配置气体的时候，首先用空气压缩机将空气压入到管道，实施管道的吹扫和检查，待所有的准备工作做好后，开始进行气体的配置。此外，在该系统中还包括了计算机系统，该系统主要是用于对FTIR光谱仪的实际工作情况进行监控，同时把所获得的气体光谱实施定量与定性分析、计算，从而获得不同组分气体的浓度以及种类。

为了利用FTIR对污染气体浓度进行有效的测量，基于上述这一测量系统，还利用实验室开放光程构建了相应的定量分析模型，以此对实际环境中一些常见的污染气体的浓度、种类进行准确且实时地预测。

（二）数据处理系统

基于上述内容的阐述，在MATLAB2009a平台上重新开发了一套大气污染气体数据处理系统，这种系统具备有利于扩展、界面友好、便于维护以及操作方便等优势，按照其功能的需求，该数据处理系统一共可分为以下几个部分，其主要如下：

第一，污染气体红外光谱管理系统。该系统的功能为读取光谱文件，绘制、删除以及对比光谱图。

第二，校准光谱的计算。在校准光谱计算中包含了高分辨率的校准光谱计算与低分辨率的校准光谱计算模拟，通过HITRAN这一数据库，设置光谱计算范围、谱线线型、光程、温度、浓度、压力等参数，从而更为方便和快捷地获得透过率光谱、分子吸收截面以及高分辨率吸收光谱等。

第三，红外光谱的预处理，可基于小波变换法、平滑以及微分法的利用来实现光谱去噪，以此提升光谱信噪比。

第四，建立定量分析模型。通过该模型可更为方便和快捷地进行模型参数的设置，归一化和交叉验证所获得的数据信息，在模型构建后，可从其界面上更为直观地看到的样本预测结果，明确评价相对误差、均方误差以及平均绝对误差等指标的值，综合评价该模型性能。

第五，IntervalELM法光谱波长筛选，其主要功能为通过IntervalELM来筛选光谱范围内中的波长，以此来选择更具有代表性与针对性的波长点，并将其引入到模型的构建中去，以此减少其建模时间，提高定量分析模型的性能。

第六，污染气体浓度的预测，该模块可让用户更为方便地导入到要预测的样本光谱与定量分析模型的选择中，通过该模块可直接查看污染气体样本浓度的预测结果与其各种性能的指标。在该系统中，通过这几个部分自身所具备的功能，可实现日常生活中常见的大气污染气体的定量分析。

主要参考文献：

1.焦洋,徐亮,高闽光等.污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究[J].光谱学与光谱分析,2012,32(7):54-57.

2.陈媛媛.基于FTIR大气污染气体红外光谱处理方法研究[D].中北大学,2011.

3.李伟.基于FTIR的多组分污染气体监测技术的研究[D].合肥工业大学,2011.

4.闫丹.基于FTIR的污染气体预处理与神经网络模式识别研究[D].中北大学,2012.

5.徐亮,高闽光,刘建国等.北京奥运期间石化工业区多组分污染气体的开放光程FTIR监测[J].大气与环境光学学报,2009,4(5):376-381.

6.李胜.基于倾斜补偿的FTIR光谱仪关键技术研究[D].中国科学院研究生院,2011.

7.王智文.贝叶斯神经网络与FTIR技术在多气体定量分析中的应用研究[D].中北大学,2011.

8.彭淑静.常压等离子体处理对PVA薄膜溶解性能和棉织物退浆效果的影响研究[D].东华大学,2009.

（责任编辑：王胜强）

MethodsofDealingwithAtmosphericpollutionBasedonFTIRInfraredSpectrum

LiangJie,LiuJiankang

Abstract:AirpollutionistheprimaryproblemofenvironmentpollutionbothinChinaandabroad.Tocontrolenvironmentpollution,weshouldfirstofallinspecttheatmosphericenvironmentandtimelyholdthesituationofatmosphericpollution.ThepaperintroducesandanalyzesthemethodofcurbingatmosphericpollutionbasedonFTIRairpollution,proposescorrespondingimprovingmeasurestosolvethedrawbacksanddeficiencyexisting,constructsrelevantmodelaccordingtothemodifiedmeasuresandestablishesnewsystemofinspectingairpollutionanddateanalyzing.

Keywords:FTIR;airpollution;concentrationinversion;infraredspectrum;