一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法技术

一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法利用傅里叶插值法的优势，通过在频域上添加高频0值，缩小无缺失采样光谱的采样间隔，增加采样数据量。原理上，如果原始数据具有足够的采样密度，傅里叶插值相对于局部插值法有更高的精度。本发明专利技术提出利用光谱峰的分布特性，重新设定原始数据采样密度，满足插值前提后，提取更高密度的傅里叶插值来弥补原始数据的采样缺失，获得比线性插值和样条插值更高精度的估计值。本发明专利技术带来的益处，其一是获得了更高精度的补齐值，其二由于未改变光谱的频率分布特性，保证了衍生的数据的处理精度。保证了衍生的数据的处理精度。保证了衍生的数据的处理精度。

【技术实现步骤摘要】
一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法


[0001]本专利技术涉及阵列光谱仪研究领域，特别涉及一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法。

技术介绍

[0002]光谱测量往往会因仪器本身缺陷和环境因素而产生异常点，例如感光阵列的热点或者宇宙射线引起的随机锐线等。通常的操作是将异常点剔除后，再以插值补齐，最常用的差值方法是线性插值和样条插值。线性插值利用最近相邻点，以直线估计缺失点，最简单但误差也最大；样条采用高次多项式回归，扩大数据点的利用范围，误差有所降低，但是由于龙格现象的限制，扩展范围有限，不能充分利用光谱峰的连续特性，难以进一步降低估计值的误差。
[0003]傅里叶插值是另一类插值途径，通过频域补零的方式提高采样数量，达到插值的目的。但是，如果原始采样个别的数据缺失，会导致整体频谱的频率分布破坏，不满足傅里叶插值应用的前提。因此，傅里叶插值尽管可以充分利用光谱峰的整体分布，提供精度更高的采样估计值，却不能用于缺失采样点的补齐。
[0004]插值的本质是利用临近数据的相似性，估计出缺失数据。根据奈奎斯特
‑
香农采样定律，采样频率大于所需信号频率的2倍，信号可以被准确还原；也就是说，阵列采样获得的光谱峰，其峰宽如果大于其中缺失点数量的2倍，该光谱峰可以被完整还原，缺失的采样点可利用谱峰在频域上的信息冗余还原出来。

技术实现思路

[0005]为解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法，由如下步骤构成，
[0008]步骤一、采集光谱，标注各个数据点序号；测量值为SY，对应序号为SX；
[0009]步骤二、因光谱测量的首尾值的可用度不佳，如果SY和SX中数据点数量为奇数，则将最末点舍弃，使SY和SX采样点数保持为偶数；
[0010]步骤三、找出SY中的异常点SYF，在SX中标出对应值SXF，并将SYF在SY中定义为空值；
[0011]步骤四、如果SY中存在超过1个空值，用样条插值填补这些空值，得到新的光谱序列SYS；
[0012]步骤五、将SYS按照数据点奇偶位置分成两个序列，其中奇数位置为SYO，偶数位置为SYE；
[0013]步骤六、将SYO和SYE用傅里叶插值将其采样点数还原为与SX数据点数一致；
[0014]步骤七、根据SXF中的奇偶性，分别从SYO和SYE找出对应点，构成还原值YR；
[0015]步骤八、将YR填补回SY中，还原缺失的数据，得到补充缺失后的光谱SYR。
[0016]进一步的，所述步骤三中，异常点SYF根据热点或宇宙射线判断；热点即阵列检测器上存在的异常点；每次测量该位置均偏低或偏高于相邻点，宇宙射线是测量时突发的显著高于相邻点的瞬时响应值。
[0017]相对于现有技术，本专利技术的有益效果为：
[0018]本专利技术利用傅里叶插值法的优势，通过在频域上添加高频0值，缩小无缺失采样光谱(即信号的时域或空间域)的采样间隔，增加采样数据量。原理上，如果原始数据具有足够的采样密度，傅里叶插值相对于局部插值法(线性、多项式、样条)有更高的精度。
[0019]本专利技术提出利用光谱峰的分布特性，重新设定原始数据采样密度，满足插值前提后，提取更高密度的傅里叶插值来弥补原始数据的采样缺失，获得比线性插值和样条插值更高精度的估计值。本专利技术带来的益处，其一是获得了更高精度的补齐值，其二由于未改变光谱的频率分布特性，保证了衍生的数据(如导数值)的处理精度。
附图说明
[0020]图1为模拟测量光谱信号图；
[0021]图2为补充缺失后的光谱(a)及局部放大图(b)；
[0022]图3为本专利技术方法与线性插值和样条插值处理结果比较；
[0023]图4为还原后的谱线导数谱(a)和异常点位置放大图(b1、b2、b3)。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术技术方案做进一步详细描述：
[0025]实施例：
[0026]如图1
‑
4所示，一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法；
[0027]本例选用2个高斯峰的构成的101个采样值的数字信号，将101个真值中的三个点设置为缺陷点，通过本专利技术将其还原为原始的真值。
[0028]步骤一、如图1所示，其中为测量值SY(图1中实线)，对应序号为SX(图1中横坐标)。由于异常点的存在，导致谱线偏离真值(图1中虚线)。标注SY各个数据点序号。
[0029]步骤二、将SY和SX采样点数保持为偶数，即将数据点数量选定为100。
[0030]步骤三、找出光谱SY中的异常点，包括3个点，即SXF＝[26,47,60]，并在SY中将这些点定义为空值。
[0031]步骤四、用样条插值填补这些空值，得到新的序列SYS。
[0032]步骤五、将SYS按照数据点奇偶位置分成两个序列，其中奇数位置序列为序列SYO，偶数位置为序列SYE。
[0033]步骤六、将SYO和SYE分别用傅里叶插值将其采样点数还原为与SX数据点数一致的两个序列，SYOR和SYER。
[0034]步骤七、根据SXF中的奇偶性，分别从SYOR和SYER找出对应点，构成还原值YR。
[0035]步骤八、将YR填补回SY中，还原缺失的数据，得到补充缺失后的光谱SYR，如图2所示。
[0036]所述步骤三中，异常点SYF根据热点或宇宙射线判断；热点即阵列检测器上存在的
异常点；每次测量该位置均偏低或偏高于相邻点，宇宙射线是测量时突发的显著高于相邻点的瞬时响应值。
[0037]图3为本专利技术方法与线性插值和样条插值处理后还原值与真值的差值结果比较。
[0038]从图2、3可以清晰看出本专利技术的效果，与目前常用的线性和样条插值相比，缺失点被完好地复原为真值。
[0039]进一步的，对还原后的谱线求导数，结果如图4(a)所示。对异常点位置局部放大如图4(b1)、图4(b2)、图4(b3)，可以更清晰看出本专利技术的还原效果，在一阶导数处理后，仍然与真值很好的重合。
[0040]结果表明，本专利技术的精度和准确度显著优于目前采用的光谱缺值弥补方法，却并未更多地增加计算和操作难度，是一种提升光谱仪性能的有效方法。
[0041]以上所述，仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阵列光谱仪缺失采样点的还原方法，其特征在于：由如下步骤构成，步骤一、采集光谱，标注各个数据点序号；测量值为SY，对应序号为SX；步骤二、若SY和SX中数据点数量为奇数，则将最末点舍弃，使SY和SX采样点数保持为偶数；步骤三、找出SY中的异常点SYF，在SX中标出对应值SXF，并将SYF在SY中定义为空值；步骤四、如果SY中存在超过1个空值，用样条插值填补这些空值，得到新的光谱序列SYS；步骤五、将SYS按照数据点奇偶位置分成两个序列，其中奇数位置为SYO...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志湘，粟晖，马宁，洪刚，常化仿，
申请(专利权)人：苏州沓来软件科技有限公司，
类型：发明
国别省市：