（检测技术与自动化装置专业论文）色谱数据工作站的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文是对在线色谱分析系统进行硬件、软件及通信的研制及开发，并在 w i n d o w s 操作系统下完成了整个系统。软件设计参照软件工程的要求和步骤，j 用面向对象的编程技术，合理划分了功能模块。系统分上、下位机两个部分，下 位机负责数据采样和完成也上位机的通信；上位机负责其余所有工作，如：系统 控制、参数在线修改、信号数据处理、峰识别、结果输出等。本系统工作量很大， 特别是通信模块、系统控制模块上及参数在线修改等模块上，花费了大量的时间 与精力进行深入的研究，设计出了较高质量的应用程序。 本文参照软件工程的要求，详细地描述了在w i n d o w s 系统平台下开发在线 色谱工作站的具体过程。 首先通过对国内外最新资料的介绍，提出了分析仪器的发展趋势，从而引出 本课题，即在w i n d o w s 平台下开发本系统的必要性与可能性。通过对本课题背 景的介绍，及系统应有功能的阐述，进而提出系统的高层逻辑模型。接着文章介 绍了系统总体结构和各功能模块，又进一步详细地介绍了它们的实现。随后对系 统开发过程的难点与技术进行了较深入的讨论，揭示了开发本系统的高难度与复 杂性。通过对系统运行与调试中遇到一些具体问题进行分析，提出了今后应完善 的环节。最后列出了对比实验结果，表明了系统工作良好，预计功能完全都已实 现。 塑坚盔兰塑! 兰竺堡= ! ! ； a b s t r a c t u n d e rt h e b a c k g r o u n d o ft h e d e v e l o p m e n t o ft h eo n 1 i n e c h r o m a t o g r a p h y w o r k s t a t i o n ，w e h a v e d e v e l o p e d t h eo n l i n e c 1 1 r o m a t o g r a p h ya n a l y s i ss y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ，s o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o n ，a n d 矗n i s h e d i tu n d e rt 1 1 ew i n d o w sp l a t f o r ma t l a s t a c c o r d j n g t ot h e r e g u i a r i t i e so fs o f h v a r e e n g i n e e r i n g ，w eu s et h et e c h n 0 1 0 9 yo ft h eo r i e m e do b j e c tp r o g r 眦m i n ga n dd i v i d e t h ew h 0 1 es y s t e mi n t os e v e r a l 胁c t i o n a lm o d u l e s t h es y s t e mw a sc o n s i s t e do f t w o p a n s ，t h eu p p e rc o m p u t e ra r l d t h ed o w nc o m p u t e la u 、v o r kw a sf i n j s h e da tm e u p p e rc o m p u t e re x c e p ts 锄p l i n ga i l dv a l v ea c t i v i u s u c ha st h es y s t e mc o n t r o l ，m e p a r 嬲e t e rc h a l l g i n go n 一1 i n e ，t h es i g n a lp r o c e s s i n & m ep e a kr e c o g n i t i o n ，t h er c s u l t o u t p u t t i n g ，a 1 1 ds oo n t h en e e d e dt i m ea i l de n e 唱yf o rd e s i g n i n ga 1 1 dc o m p i l i n gt h e m a r e 伊e a t e s p e c i a l l yj t t o o kal o to fe n e 略ya n dt i m et o e x p l o r ea 1 1 dr e a l i z et 1 1 e c o r 咖u i l i c a t i o n ，t h es y s t e m s t a t ec o m m la i l dt h ep a r 锄e t c r c h a n g m go n 1 i n e ，e c t a c c o r d m g t om e r e g u l a r i t i e so fs o f t w a r ee n g i n e e r i r 堰，t h i st h e s i si n 艋o d u c e sm e s y s t e md e v e l o p m e n ti nd e t i a l f i r s t l y ，b yr e v i e 嘶n g t l l eu p - t o d a t ef e s e a r c hi nt h ew o r l da i l di no u rc o u n 时，t l l e d e v e l o p i n gt r e n d so ft h ea n a l y t i c a li n 鼬m m e n t sh a v eb e e np o i n t e do u t ；m e nt h e p r o j e c ti nt h i sr 印o r tc 锄eu pn a t u r a l l y t h a ti s t o s a y ，i th a sm en e c e s s 时a n d p r o b a b i l i t yt od e v e l o p t h es y s t e mu n d e r 山ew i n d o w s p l a t f o 彻，a f t e ri n l r o d u c i n gt l l e b a c k 盯o l h l do f t h ep r o j e c ta i l da n a l y z i n gm e n e c e s s a r yp e r f o n n a i l c eo f t l l es y s t e m ，w e c o m eu pw i mt l l eg e n e r a l1 0 9 i c a im o d u i e f o l l o 、v i n gt h a t ，w ei n 仃o d u c et 1 1 e g e n e r a i s t r u c t u r ea n de a c hf i l n c t i o n a lm o d u l e sa 1 1 dt h em e t h o d st or e a l i z em e m i nd e 诅i 1 w i t h t h ed e e p l yd i s c u s s i o no nm e t e c h n 0 1 0 9 yu s e di nt h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n dt h ed i f m l t p o i n t si nt h es y s t e md e v e l o p m e n t ，w ea l s os h o w t h ed i 伍c u l t ya n d c o m p l e x i t y o fm e s e p r o j e c ti nt h et h e s i s b e i n ga n a l y z e dt i l ep r o b i e m se n c 0 1 1 1 1 t e r e dt od 血n gm es y s t e m e x e c u t i n g ，t h ea s p e c t s t h a ts h o u l db ei m p r o v e d i nt h ef l n 眦eh a v eb e e n p o i m e d o u t a t l a s tt h ee x p e r i m e n t e dr e s u l t ss h o wt i l a tt h es y s t e m p e r f o h n sv e r y w e l l 1 1 塑坚叁兰婴! ：兰! ! 堡苎 第一章综述 1 1 化学分析仪器的发展 为适应和推动现代生命科学的需要和发展，分析化学必须是高灵敏度( 达原 子级、分子级) 、快速、自动、简便、经济、分析仪器自动化、数字化和计算机 化并向智能化、信息化纵深发展1 。 下图列出了分析化学的主要发展趋势： 化学计量学自动化新型化 新原理新技术 、新仪器】f 生物分析 ttt 厂， 、 在线分析卜| 、 厂、弋一环境分析j 原位分析 i 叫一过程分析， 分析化学主要 一表面分析 实时分析 发展趋向 1 一大分子表征 活体分析 i m 时，峰顶点左右的m 个数据，称为峰顶区数据，大于周围的其它峰 数据。记大小仅次于这m 个峰顶区数据的数据为h z ，由于峰宽至少为m + 1 ，故h ： 不会是h o 。在移动过程中，宽度为2 m + l 的窗口连续有m + 1 次包含全部m 个峰 顶区数据，所以，窗口输出的中位数连续都是h z ，即在峰顶区形成一个宽度为 m + 1 的平台。 根据以上分析可见，采用中位数的滑动滤波法，若窗口宽度取为2 m + l ，则： 宽度k 小于或等于m 的峰将被完全滤去，而宽度k 大于m 的峰将于峰顶区产生 宽度为m + 1 的平台。同理，对于峰谷，若其宽度小于或等于m ，则将被完全滤 去，若其宽度大于m ，则将于峰谷区产生宽度为m + 1 的平台。 对于上述方法，若取滑动窗口的宽度为2 m + 1 ，则宽度小于或等于2 吲3 地峰 将被完全滤除，而宽度大于或等于2 m 1 的峰将被完全保留。而宽度大于2 r 1 1 3 并且小于2 m 1 的峰只是宽度和高度上发生收缩，即只被部分滤除。 重要特性： 中位数滤波法最显著的特性是其与众不同的保真能力。由上所述，中位数滤 波实质上是一种基于噪声和信号频率差异的频率滤波，能够彻底滤除宽度较小的 峰而又完全保留宽度较大的峰，所以能够在有效滤除高频噪声的同时，而又保证 第j 7 页 低频信号不失真。 中位数滤波法还具有无偏移的特性。显而易见，当滑动窗口中包含的是单调 上升或单调下降的数据时，其输出的中位数就是窗口内居中的那个数据本身，此 时滤波数据与原始数据之间没有位置上的错动。这种无偏移地特性在很多场合， 如化学谱图的谱峰定性分析中十分重要。 中位数滤波法具有自然的排除太大或太小的异常数据以及偏向性噪声的能 力，使异常数据在滤波过程中被完全滤去，不影响滤波值。和其它滑动窗口滤波 方法一样，中位数滤波法所采取得窗口宽度越大，则滤波后曲线的尖噪声越少， 但要保证窗口宽度不能大至将信号峰也作为噪声滤除。 中位数滤波法相当于使低频的化学分析仪器信号通过的同时抑制高频噪声 的低通滤波器，算法中只有一个参数，即滑动窗口宽度，此参数决定了低通滤波 器的滤波频带。由于通常化学分析仪器响应信号都是低频信号，化学谱图中的信 号峰宽度水平与高频噪声的宽度水平有显著的差异，所以此参数的设置较为宽松 容易。 方法c 卡尔曼( k a l m a n ) 滤波 卡尔曼滤波法是一种利用信号与噪声在统计特性之间的差异，根据某一最佳 准则对信号进行估计，从而实现信号与噪声分离的方法4 1 4 6 。简要地说，它把状 态空间法引入到滤波中，在对系统( 信号模型和观测模型) 及其统计特性作了某 些在实际应用这具有相当广泛的假设以后，以线性、无偏、最小方差为准则，运 用统计理论，在时域上得到一整套最佳滤波的递推算法。 基本故值理论 卡尔曼滤波实质上是一类故值问题。一般来讲，从受噪声干扰的观测信号中 确定被观测系统的状态或参数的问题，就是故值问题。为了从数学上来描述这个 问题，可以把观测信号写成为： z ( t ) = y ( t ) + v ( t ) = h ( x ( t ) ) + v ( t ) 这里，z ( t ) 代表观测信号，y ( t ) 代表被观测系统的输出，是有用信号，它与系统的 状态或参量x ( t ) 有确定的函数关系，v ( t ) 代表测量噪声。要想获得系统的状态值， 就必须从观测信号中把有用信号分离出来，若用x ( f ) 表示从被分离出来的有用信 号中获得的系统状态值，则x ( f ) 就是x ( t ) 的故值。问题是如何才能从有噪声干扰 第1 8 贞 的z ( t ) 中分离出有用信号y ( t ) 。如果说有用信号占据一个频带，而噪声又占据另 一个频带- 两个频带彼此分离，用普通的基于频率滤波的方法就可以把噪声滤除 了。但是，实际情况是噪声的频带和有用信号的频带交叠在一起。这样用普通的 频率滤波方法只能滤除信号频带以外的噪声，对于那部分与信号频带相重叠的噪 声是无济于事的。 为了进一步滤除这部分噪声获得对x ( t ) 的更加精确的估计，可以从统计观点 出发，利用有用信号和噪声的统计特性不同，把两者分开，这样就可起到进一步 滤波的作用，从上面的讨论可以看出，故值问题实际就是滤波问题。 进行故值时，总是希望估计值x ( ，) 尽可能地接近真实值x ( t ) ，这就是故值得“最佳” 问题。所谓“最佳”，是指在某种统计平均意义上讲的。如何才算；( f ) 与x ( t ) 最接 近，人们可以给出不同的标准，因此也就有不同的最佳准则和相应不同的故值方 法。这种最佳准则有许多，其一是使线性系统的输出信噪比为最大，如诺茨提出 的匹配滤波器“，其二是最小方差意义下的最佳，卡尔曼滤波器就是这种意义下 的最佳滤波器。 卡尔曼滤波器有很多特点，其一是它的数学模型在离散时间情况下是阶差 分方程组，处理起来比较容易，适合于计算机运算。其二是由于采用了状态转移 矩阵来描述实际的动态系统。因此，既可用于线性系统，也可用于非线性系统： 既可用于时不变系统，也可用于时变系统：既可用来处理单输入单输出情况，也 可用来处理多输入多输出情况。其三是卡尔曼滤波器的每一次输出，只要求使用 前一时刻的输出数据和当前的一次观测数据，因此，在使用计算机时，就不必要 求储存大量的历史数据。 化学谱图的卡尔曼滤波 事实上，化学谱图数据中的噪声和信号在频域上是互相重叠的，采用滑动平 滑法或中位数平滑法无法完全将噪声从有用信号中分离出来。与众不同的是，卡 尔曼滤波不是基于信号与噪声在频带上可分的特点进行除噪，而是基于最佳统计 意义上消除噪声。对时间离散点上的化学谱图采样数据进行卡尔曼滤波，可以假 定一个一维的线性时不变系统，即信号模型与观测模型用下面的一阶差分方程来 描述，其中由为常数，般地取为l 。 第1 9 页 ? 折江大学坝f 学位论文 x k + l = 中x k + k z k + l ；x k + v k 式中 uk 为独立高斯随机序列，其均值e ( u k ) = o ，方差e ( 甜；) = q ， v k 为独立高斯随机序列，其均值e ( v k ) 。o ，方差e ( 呼) = r 当状态扰动噪声q 很小，或测量噪声r 很大，则滤波器的增益很低，从而抑 制了观测信号的输入，也抑制了观测噪声，并保证了对状态模型的依靠。当状态 扰动噪声q 很大或测量噪声r 很小，则滤波器的增益很高，就增强了观测信号对状 态预测不准的修正。当然，这不可避免地要付出代价地使测量噪声的影响增加， 但是，滤波器的增益却保证了总的代价很低。由于滤波前未知道uk 、v k 的任何 信息，故q 、r 的值应根据实际的滤波效果进行设置。由上所述，滤波器的滤波 效果只与q 、r 之间的相对大小有关，所以可以固定地取q 为1 ，通过调节参数r 来影响滤波效果。 就理论而言，为了得到无偏故值，初值估计应取： x o = e ( z o ) 其相应的误差方差p o 可根据先验知识确定。但从应用的角度看，实际上初值估 计对滤波的影响并不大。 卡尔曼滤波方法的前提是对所研究的系统信号模型和观测模型及其参 数的统计特性予以符合实际的确定，在此基础上按最小均方准则进行滤波。但化 学谱图信号是一种非平稳随机过程，因而难以用确定性模型进行描述，不适当的 模型参数将影响到卡尔曼滤波器的除噪结果，难以达到“最佳”。 方法d人工神经网络滤波 人工神经网络是一个非线性系统，可以完成复杂的输入输出的非线性映射， 即以合适的非线性函数f = acr n 冉bcr n ，晌应以下的样本集合： ( 。l ，y i ) ，( x 2 ，y 2 ) ，( x 。，y m ) ，( 这里y 尸f 酞) 或y 尸f 。) + n ，其中n 为噪声) 。信息处理 的大部分问题可抽象为数学映射，如模式分类、函数拟合等。 神经网络涉在信息处理的很多方面具有比传统的方法更有明显的优势蝎。通 过观测样本，神经网络完全能够发现其隐含的规律。经过学习，神经网络建立一 个规则，该规则最小程度地受到人为的干预。这样就避免或大大地减少了数据分 第2 0 页 浙江大学帧f 。学位论文 析工作和建模工作，而且在没有关于信号结构先验知识的前提下取得优良的性 能。 神经网络涉及到非编程的自适应信息处理系统。该系统不断变化以响应周围 环境的改变，通过训练，网络将从实践中学习，规划自己的行为，逐渐适应于进 行信息或信号处理的各种操作。这种使网络输出信号不断接近期望信号的自适应 系统，成为自适应信号处理强有力的工具。 色谱谱图中的谱峰接近于高斯分布，属于程度较高的非线性信号，若采用线 性方法近似此非线性系统，则会引起定的误差。而人工神经元网络的非线性处 理能力为非线性信号处理开辟了一个崭新的途径，如何提高神经网络的非线性滤 波性能将是一项十分有意义的工作。 方法e 噪声滤除专家系统 色谱谱图数据中不仅含有大量的平稳随机信号，还含有非平稳随机噪声，即 有色噪声。一般的滤波方法是建立在无结构的随机噪声基础上的，用这些方法难 以充分滤除有色噪声。在信号数据处理中，有色噪声的去除一直为人们所关心。 有人曾试图用k a l m a i l 滤波法去除有色噪声，但所用算法复杂，处理效果并不理 想。中位数滤波法实际上也可滤除有色噪声，但主要滤除脉冲式偏向性噪声，对 其它结构的有色噪声的滤除能力较差。由于有色噪声不具有平稳随机噪声的一些 统计特性，其去除没有固定的数值方法可循。对于化学谱图中的有色噪声，谱图 分析专家往往是凭经验来判断的。有鉴于此，有人提出了基于有色噪声结构识别 的模式滤波器”。但由于实际中的有色噪声模式千变万化，这种基于模式识别滤 除噪声的方法只能用于比较特定的场合，要成为通用的有色噪声滤波器必须在其 基础上构筑更为庞大、周全的系统。 专家系统是一门正在迅速成熟起来的科学，虽然核心的问题以及一般的设计 原理已经清楚，已经出现了一些基本规则和系统化的方法，但有关这门学科的技 术的发展却仍然非常有限，缺乏统一的理论来指导系统的设计和建设，每项新的 应用都要求创造性的复杂的工作。从这点来看专家系统仍是一个通用理论很少的 高度实践的领域，所以把专家系统技术应用到各种领域，是一个方向性探索问题。 建立噪声滤除专家系统应根据噪声滤除领域知识的特点，认真探讨除噪专家系统 的构造，即滤波知识的获取、组织、表示、精炼、调试、修改及扩充等，为在具 第2 l 页 浙江人学颤 。学垃论文 体实现除噪专家系统时提供指导性原则。 在实际研制除噪专家系统时，系统的建造应是一个逐步扩充、完善的反复过 程。开始可以先建造一个简单的、初级的专家系统进行调试修改，满意后，再进 行一般事例的知识获取，装进系统，再调试修改，在调试应用过程中，逐步修改 旧知识，加进新知识，使系统性能不断提高。这样，从一个较小的系统开始，逐 渐扩大成一个具有相当规模的可以进行试验的滤波系统，这种可扩充的方式将使 滤波系统的性能不断提高与完善。 2 2 谱图识别 在对化学谱图采样数据进行高频滤波后，就可以进行谱图的识别了。谱图识 别包括峰检测( 主要是指峰起点的检测) 、峰上各特征点的检测、峰结构的识别、 相邻峰重叠的判别、谱图基线校正等。通过谱图识别，就可以获取谱图中谱峰的 位置及净强度，为后续的定性、定量计算提供依据，因此准确性是谱图识别中所 着重强调的。 2 2 1 峰检测的传统方法 目前已有许多谱峰检测方法4 7 瑚，其中幅值法最为简单。其步骤是：将输入 的幅值与预先设定的阀值相比较，若是输入信号大于预先设定的阀值时，就认定 那个信号点为峰的起点。在起峰点与峰高点相继确定之后，当输入信号的幅值小 于设定的阀值时，则定出峰的结束点。这种利用信号幅值来进行峰检测判别的方 法2 较简单，容易实现。阀值可根据谱图基线噪声大小情况来确定。方法之一是 在未出峰前的基线信号中取出若干个点，计算出基线的平均值及噪声的标准偏 差，阀值可设定为基线的平均值加上两倍的噪声偏差。但是这种幅值判别法由于 它的原理限制，对化学谱图中的一些常见现象无法适用。如只有一个峰强极大点 的肩峰型重叠峰的判别，气相色谱中程序升温或液相色谱中梯度洗淋所造成的基 线漂移等。再者，这种幅值判别法的峰检测灵敏度较低。目前，这种方法己很少 为人们所采用。 利用信号的一阶导数来进行峰检测是目前最常见的一种方法。此方法是根据 信号的一阶导数值及符合进行峰检测。当一阶导数为正并大于预先设定的峰起始 斜率阀值，判定此时为峰的起点。当一阶导数由正变负，判定此时为峰的顶点。 当一阶导数为负且小于预先设定的峰结束斜率阀值，判定此时为峰的结束点。此 第2 2 页 浙江火学硕i 学位论文 方法需要设罱两个斜率阀值，是由于实际谱峰曲线的一阶导数在峰起始和结束处 并不一定为零，而是在零点上下波动。斜率阀值可由基线噪声情况束确定。可在 未出峰的一段时间内，根据基线的信号，计算出基线噪声偏差，斜率阀值可定为 基线噪声偏差的二倍或三倍。用谱图信号的一阶导数来进行峰检测，此方法较幅 值法灵敏，但对扁平峰的检测灵敏度仍较低，在判别扁平峰时误差较大，甚至出 现漏峰现象。另外，当基线漂移的斜率大于预先设置的峰起始斜率阀值时，此方 法会出现误检。对于肩峰也不能用一阶导数法作出判别。 二阶导数法利用谱峰与其二阶导数曲线之间的对应关系来检测峰。二阶导数法的 灵敏度较一阶导数法高，对存在基线漂移情况，二阶导数法也有其优越性，因为 二阶导数不受缓慢地基线漂移( 近似于线性漂移) 的影响。但是，在经过高频滤 波后，虽然在宏观上原始谱图曲线变得平滑，但微观上仍存在抖动，这些微弱抖 动随着衄线导数阶次的增加而迅速增大，它们对二阶导数产生远大于对一阶导数 的干扰。以至于原始谱图曲线上的微弱噪声已可使二阶导数曲线上各特征点被完 全淹没，因而防碍了二阶导数方法的应用。 2 2 2 准二阶导数判峰法 从前面提到的幅值法、一阶导数法和二阶导数法三种方法来看，在峰检测灵 敏度提高的同时，所受噪声的影响也随之增大。为此，可以采用一阶导数曲线的 变化趋势，即准二阶导数进行峰检测，同时使方法本身带有对噪声的抗干扰能力。 这种峰检测法不同于顺序地将采样信号导数值与设定的峰起始阀值相比较，从而 判断是否“起峰”的一阶或二阶导数法，而是利用一组相邻的阶导数值进行一 阶导数曲线变化趋势的判断，由于二阶导数值反映了一阶导数曲线的变化趋势， 故采用这种准二阶导数法进行峰检测的灵敏度与二阶导数法相当。其具体步骤列 述如下： ( 1 ) 设置一“数据窗口”，其宽度。即窗口内包含的顺序采样数据个数为n 。 将这些数据的强度值记为1 1 0 、h l 、h i 、h 。1 ，窗口最左边一点的 位置记为t o 。将相邻采样数据间的一阶差分值记为d l 、d 2 、d i 、 d n _ l ，其中d = h h 。由于两次采样的时间间隔固定，用一阶差分来代替 阶导数可达到一定精度。 ( 2 )设控制变量s ，并初始化为s = l 。 第2 3 页 浙江人学坝l ：学f 立论文 ( 3 ) 移动数据窗口。即将窗口向右移动一个数据点，这样新的一个数据被g 入窗口最右边，原窗口中最左边的一个数据被排出窗口。 ( 4 ) 在s 2 l 时，检测峰起点。若窗口内的数据满足0 d l d 2 dn - l o ，则 置s = 3 ，调用( 3 ) ，并转第( 6 ) 步。否则s = 2 ，调用( 3 ) ，再执行第( 5 ) 步。 ( 6 ) 在s = 3 时，检测峰顶点及前肩峰。同时检查如下两个条件： o d i d 2 d 2 d n 1 若窗口内的数据满足第一个条件，则判定有前肩峰，置s = 2 ，调用( 3 ) ，并 转第( 5 ) 步。若满足第二个条件，则判定t o 处为峰起点，置s = 4 ，调用( 3 ) ， 并转第( 7 ) 步若两个条件都不满足，则置s = 3 ，调用( 3 ) ，再执行第( 6 ) 步。 ( 7 ) 在s = 4 时，检测峰右拐点。若窗口内的数据满足d l d 2 h n 1 ( b ) d 1 d 2 d n 1 ( c ) h o h l d 2 d n i 若窗口内的数据同时不满足( a ) 及条件( b ) ，则判定t 0 处为峰的结束点，置s = 1 调用( 3 ) ，并转第( 4 ) 步。若满足条件( c ) ，则判定t o 处为重叠峰的谷点，置 s = 2 ，调用( 3 ) ，并转第( 5 ) 步。若满足条件( d ) ，则判定有后肩峰，置s = 4 ， 调用( 3 ) ，并转第( 7 ) 步。若不符合以上三种情况，则置s = 5 ，调用( 3 ) ，再 执行第( 8 ) 步。 这个峰检测算法只需要将数据窗口单方向往前推移，不需要返回查找数据， 故无需开设采样数据缓冲区，同时具有良好的实时处理能力，在进行谱图数据采 第2 4 页 浙江人学顾 ：学垃论上 集的同时就能完成谱峰的识别工作。它本质上是种二阶导数法，能够不受基线 漂移的影响，而且能判别肩峰型重叠峰，还可以获得谱峰曲线上各个拐点的位置。 需要强调指出的是，此算法中的第( 8 ) 步能区分落回到基线上的峰结束点和未 落回基线的重叠峰的谷点，因而能判断是否存在两峰的重叠。 根据谱峰曲线与其一阶导数曲线的对应关系，以上s = 1 至s = 4 执行的步骤都 不难理解，但对s = 5 时执行的步骤尚需作如下的逻辑说明。当曲线经过峰的右拐 点后，窗口内的数据有四种可能： 既满足条件( a ) 又满足条件( b ) ， 不满足条件( a ) 但满足条件( b ) ， 满足条件( a ) 但不满足条件( b ) 既不满足条件( a ) 又不满足条件( b ) 对第种可能，说明此时窗口内数据仍符合峰后沿的趋势，峰尚未结束。 对于第可能，说明此时窗口内数据已不符合峰后沿的趋势。由于这是不满足条 件( a ) 造成的( 注意此时条件( b ) 仍被满足) ，如果再追加一个与条件( a ) 对立的条件( c ) ： h o h l d 2 d n i 若符合条件( d ) ，则说明窗口内数据不满足条件( b ) 是由于满足条件( d ) 造 成的。此时窗口内数据既满足条件( a ) ，又满足条件( d ) ，这正好符合峰后沿 第2 5 页 浙江人学硕卜学位论文 出现肩峰时趋势。所以得出结论：窗口内数据由于符合出现肩峰的趋势从而导致 了不满足峰后沿的正常趋势，在峰的后沿有肩峰。 对于第种可能，由于在过了峰的右拐点后，只有峰信号落回基线才会出现 此情况，所以可断定此时峰已经结束。 2 2 3 峰检测限的提高 化学谱图，如色谱、光谱中，往往存在着1 p p m 甚至l p p b 级微量物质对应 的弱小信号峰，这种弱小信号峰相对与正常峰来说几乎微不足道，常常淹没在基 线噪声之中难以用肉眼观察到。谱图数据处理的计算机化大大提高了弱小信号峰 的检测限，体现了计算机处理谱图数据的优越性。 需要说明的是，峰检测的关键在于峰起点的检测。因为在检出峰起点之后， 峰上其余各特征点的检测只需“按部就班”，所以提高峰检测灵敏度的关键在于 提高峰起点检测的灵敏度。提高峰起点检测灵敏度的消极方法是降低峰起点阀 值，这样做的同时将带来检峰正确率的降低，造成许多噪声也被确认为峰。所以 提高峰的检测限是要在保证检峰准确率的前提下，从峰检测方法上提高峰检测的 灵敏度。 2 2 3 1 伪导数法 对信噪比较低的弱小信号峰的检测，用一阶导数法往往检测不到。这是由于 信噪比小时，噪声对一阶导数值的影响变得明显。在一阶导数法中，阶导数值 由相邻两采样点的差值来代替，如果用相隔几点的差值来代替相邻两点间的差 值，可以观察到，这类差值图形的最大点随着两点间的距离增加而增加。当两点 间的距离接近半峰宽时，图形的最大振幅达到最大值，且等于相应的峰高。因此， 利用两点之差值来检测峰的最优方法应是用以下所定义的伪导数( p s e u d o d e r i v a t i v e ) 4 9 ： p s d o ) = ( f ) 一 ( 一w ) 其中，p s d ( t ) 称为伪导数，h ( t ) 、h ( t w ) 分别为时间t 、t w 时的采样值，w 为半峰 宽。 伪导数法之所以比一阶导数法提供了更为灵敏的峰检测方法，是因为它能压 低基线噪声的干扰，其中的噪声小于一阶导数的噪声。 2 2 3 2增加斜率检索法 第2 6 页 浙江人学硕i 学位论文 增加斜率检索法( i t s ；i n c r e a s i n g g e n ts e a r c h ) 5 0 的原理是，将一个采样 点固定，记为h o ，用以后连续的四个采样点，记为h l 、h 2 、h 3 、1 1 4 ，分别对应于 h o 点计算出斜率值，当这四个斜率值是连续增加时，则认为h 。为峰的起始点。 上述条件可用下列的数学式来表示： ( 向2 矗o ) 2 ( 向l 一向o ) ( 3 o ) 3 ( 2 一) 2 ( 4 舶) 4 ( 胁一) 3 将以上关系式加以整理，可得： 2 2 而+ 南o o 2 3 3 矗2 + 向o o 3 向4 4 3 + 向o o i t s 法本质上是一种二阶导数法的变形，但它与二阶导数法相比较，又具有 压低基线噪声的功能。因此，i t s 法既具有二阶导数法的优点，又克服了二阶导 数法的缺点。i t s 法并不因为具有压低基线噪声的功能而使其检测限灵敏度受到 影响，相反，i t s 法的检测限甚至比二阶导数法的检测限还要低。如果数据点满 足二阶导数检测法的条件： 2 2 l + 矗o o 胁一2 2 + m 0 4 2 胁+ 2 o 也必定能满足i t s 法的检测条件： 矗2 2 向l + 矗o o 2 3 3 矗2 + o = 2 3 4 2 + 2 + o 2 3 4 2 + 2 1 = 2 ( 矗3 2 矗2 + 矗1 ) o 3 4 4 矗3 + o 3 4 6 h 3 + 3 2 = 3 ( 4 2 矗3 + 2 ) 0 反之就不定成立。也就是说，能满足i t s 法条件的数据点不一定能满足二阶导 数法的条件。 上面从两种峰橙测方法上讨论了峰检测灵敏度的提高。在化学谱图数据处理 中，峰检测的前一步高频噪声滤除对峰检测限的提高也有很大的影响，因为 一个好的滤波方法是保证峰检测免除噪声干扰的前提，如果选用的噪声滤除方法 第2 7 页 一 塑垩苎兰堕! ：兰垡堡兰 不佳，则非但不能有效地滤除噪声，甚至还会产生假峰干扰峰检测的正常进行。 例如加权求和滤波法虽有一定的滤波效果，但在使谱图曲线得到平滑的同时，却 也使微弱的信号峰变得更为扁平，而一些尖脉；中噪声却被圆滑成假峰。如果采用 中位数保真滤波法对谱图数据进行滤波，就可以克服上述缺陷。 2 3 谱图基线校正 化学谱图中的基线是在没有分析样品情况下系统的本底信号。计算谱峰大小 时需扣除仪器系统的本底背景，即需要扣除基线以下的面积以获得谱峰的净面 积，因为待测物质的含量只与谱峰的净强度有对应关系。化学谱图中的基线往往 会发生漂移、扭曲等现象，属于化学谱图中宽度大于峰宽水平的低频类噪声，当 接连发生谱峰重叠时，谱图中还会出现基线“消失”的情况。因此，就需要一种 确定化学谱图基线的方法，称为基线校正。谱图基线校正方法很多，归纳起来主 要有以下几种： 线性模型法：这种方法可以校正近似线性的背景信号，s t a t h a l l l 已将其成功 地应用于光谱的背景信号校正”。在系统比较稳定、基线漂移不大的情况下， 可简单地采用水平基线校正。 高阶模型法：这种方法采用二阶或二阶以上模型校正非线性背景信号，l i u 等人对该方法作了详细的研究5 2 。 动态模型法：上述两种方法均采用静态模型逼近背景信号，因此不能用于实 时处理。目前常用的另一类背景校正方法为动态模型法5 1 。许多具有良好自适 应性的建模方法，如k a l m a i l 滤波器，已被广泛应用于化学谱图的背景校正。 这里介绍一种与峰检测紧密联系结合在一起的自适应基线校正方法。由于准 二阶导数峰检测算法能区分出落回基线的峰结束点和未落回基线的重叠峰间的 谷点，因而能够划分出峰群。峰群是由多个峰重叠而成的，其最前一个峰的起点 和最后一个峰的结束点是真正落在基线上的，而中间各个峰之间的最低点都是不 在基线上的谷点。最简单的峰群就是一个独立峰。在检测到一个峰群后，就可随 即对其进行基线校正，这种基于峰群划分的基线校正方法非常及时，除非整张谱 图即是一个峰群，一般不需要等到整张谱图流出之后再进行基线校正，不仅在时 线性或高阶的模型法需要等待整张谱图走完之后才能进行基线校f ，不仅在时间 上严重滞后，而且实际上谱图中只有那些峰存在的地方才有必要进行基线校正， 第2 8 页 ! i ! 三查兰堡! ：兰垡堡兰 并不需要对整张谱图都作基线校正。 对一个峰群进行基线校f 的算法如下( 入口参数a 初始化为峰群第一个峰的 起点，b 初始化为峰群最后一个峰的结束点) ： b a s e l i n e ( a ，b ) b e g i n 从点a 向其后的点b 作一直线； i f ( a ，b 两点间有重叠峰间的谷点落在此直线上) t h e n 将落在此直线之上的第一个谷点记为c ，并 调用b a s e l i n e ( a ，c ) 和b a s e l i n e ( c ，b ) e i s e 将线段a b 作为如两点间重叠峰的基线。 e n d ： 这是一个自嵌套的递归算法，很容易由计算机实现，程序在判断出一个峰群 后，就可立即对这个峰群进行基线校正，并随之进行峰群中的重叠峰的分解，并 对分解后的谱峰进行定性、定量分析，这样可以真正做到对谱峰的在线实时处理。 2 4 重叠蜂分解 现代化学分析仪器使混合物中的各个组份在化学谱图上得以分离，但对某些 混合物，无论怎样改变仪器的操作条件，很难使其中的某些组份在谱图上充分分 离。这就形成了化学谱图中常见的谱峰重叠现象。显然，谱峰的重叠对组份的定 性、定量分析有着直接的影响。理论和实践均表明，在线性范围并且操作相同时， 组份单独存在时的谱峰与混合物中该组份的谱峰相同，这样就为从数学上分解物 理上未实现分离的重叠峰提供了理论依据。研究重叠峰分解问题的目的就是利用 数学手段把通过仪器未能完全分离的谱峰给以分解。 目前流行的重叠峰分解方法可以分为三大类5 3 _ 6 0 ，不妨称之为：几何法、代 数法和模式识别法。属于几何法的有垂线法、切线法等，这类方法十分直观且处 理速度很快，可用于实时处理谱图数据，但是分解的精度随谱峰重叠情况而定， 没有保障。代数法中最常用的是函数拟合法，它的原理是：首先确立一种可以最 优化方法通过不断迭代对函数中所有待定参数进行优化，使拟合曲线不断逼近实 第2 9 页 浙江人学坝卜学位论上 际曲线，最后得到所有参数的组最优估计值，并由这些参数值求出各重叠子峰 的面积。这类方法的最大缺点就是计算工作量很大，难以在实时处理中应用。摸 式识别是随现代计算机技术的进展而兴起的一类综合利用数值分忻和人工智能 逻辑推理的新方法，正在迅速发展中。人工神经网络分峰方法属于模式识别类， 它同时具有较高的精度和较快的处理速度，实际上，人工神经网络分峰方法并没 有进行重叠峰曲线的分解，而是直接获取重叠峰中各子峰的面积分率，再根据整 个重叠峰实际的积分面积算出各子峰的面积。此方法首先在重叠峰的一阶导数曲 线上取出若干个无因次特征值，然后在多层前传网来表达这些特征值和重叠峰中 子峰面积分率之间的关系，一系列实验表明，用神经网络方法所得子峰面积的准 确度高，计算工作量较小，可用于实时处理。 2 4 1 重叠程度的衡量 相邻两峰能够清晰分离的必要条件是两峰的宽度窄且距离远，而且可用分离 度r s 来定量地表示相邻两峰的分离程度： b ：堡二墅 2 p l + 盯2 ) 式中t 2 一t2 为两峰的峰位之差，即两峰间的距离，o 。+ o ：为两峰的标准偏差之 和，其大小正比于两峰的峰宽。相邻两峰的距离越远、宽度越窄，则分离度r 。 越大表明两峰分离的越好。一般地，当r ；= 0 8 时，两峰分离达8 9 ，当r 。= 1 o 时，两峰分离达9 8 ，当r s = 1 5 时，两峰分离达9 9 7 ，也就是说，当r 。1 5 时，两峰就基本上清晰分离。 分离度r s 是从横向上( 时间轴) 确定相邻两峰的分离程度，而谷峰高度比 r h 则是从纵向上衡量两峰的重叠高度，其计算公式为： r ： 坐 m i n h l ，2 其中，h 、心分别为两峰的高度，m 为两峰间谷底的高度。显而易见，当r h = o 时两峰已完全分离，当r h = l 时两峰严重重叠，已接近只有一个峰强极大点的肩 峰型重叠峰。 第3 0 页 浙江人学坝f 学位论_ 芷 在化学谱图中，还存在相邻两峰严重重叠以至于其亡 ，的小峰被另一个大峰淹 没的情况，即肩峰型重叠峰。这时两峰重叠印只有一个峰强极大点，形状上象一 个独立峰，但“独立峰”的前沿或后沿上却有不止一个拐点，在阶导数曲线上 表现为四个极值点，而不是通常的两个。 上述两个表示重叠峰分离程度的参数分别从两个方向上衡量两峰的重叠程 度，有时必须结合起来才能更真实地反映两峰的重叠情况。在两峰严重不对称， 或高度、宽度相差悬殊时，还需同时考虑其它一些参数，如两峰的不对称因子、 高度比、宽度比等，才能更加真实地衡量两峰的重叠重叠。另外，对于肩峰型重 叠峰，这两个参数已无法直接测量得到。 2 4 2 函数拟合法分峰 函数拟合分峰即要找出组成重叠峰的子峰函数。不少学者己在函数拟合分峰 上做了大量工作，概括起来主要有以下三个方面： 谱峰数学模型的建立 数值优化方法的研究 谱峰函数参数初始值的确定 2 4 2 1 谱峰的函数模型 选择合适的谱峰函数，是保证拟合法效果的决定性因索。一个好的函数模型， 应满足如下要求： a ) 对各种峰形要有良好的拟合能力 b ) 在满足精度要求的前提下，函数包含的参数越少越好。 关于谱峰的模型有很多的报导，很多作者采用统计函数描述谱峰，提出了一些常 用的统计分布函数如高斯函数、w e i b u ll 函数、g a m m a 函数、l o g n o 瑚a l 函数等。 但实际谱峰一般并不会严格服从某个函数，特别是在峰的尾部。有的函数模型只 适合某一类物质的某种化学谱图，在特定条件下才具有良好的拟合效果。因而有 的学者提出采用复合函数形式描述谱峰，如高斯一柯西、高斯一洛伦茨等。下面 介绍的几个子峰函数，即是发表的研究资料的一种，它对一般谱图的拟合，如色 谱、红外、核磁等谱峰的拟合，基本可以适用7 。 洛伦次函数： = l 1 + ( x x o ) 2 盯2 】 第3 l 贞 浙江人学硕：卜学位论文 式中：h - 、x n 和。为待定参数，分别表示峰高、峰位和半峰高处的半峰宽。 高斯函数： 厂= g e x p 一( 1 n 2 ) ( x x o ) 2 ( 2 盯2 ) 】 式中：h ；是峰高，x 。和。意义同前。 改进的高斯函数： 厂= e x p 卜( 1 n 2 ) ( 一o ) 2 ( 盯2 ) 】 式中：h ，、x 0 和。意义同前。 复合的高斯和洛伦茨函数： 厂= 唧【- ( 1 n 2 ) ( x x o ) 2 ，( 仃2 ) 】+ 风【l + ( x x o ) 2 ，仃2 式中：h 。、h 分别是高斯分量的峰高和洛伦茨分量的峰高，x 。和。意义同前 不对称的复合高斯和洛伦茨函数： 厂= e x p 卜( 1 n 2 ) ( x 一鼻o ) 2 ( p 盯2 ) 】+ 而【1 + ( x x o ) 2 ( p 叮2 ) 】 式中：h 。、h 。、x 。和。意义同前，p 为不对称因子，在极值一侧( x x 。 o ) 不等于1 ，比较对称和不对称的复合高斯和洛伦茨函数可知， 后者在峰的两侧虽然都是复合高斯和洛伦茨函数，但半峰高不相同，p 越小半峰 宽越小，即曲线越陡不对称的复合函数适用于不对称趋向的拟合，如果这种不对 称性是由于更多的子峰引起的，则应该用增加子峰的方法来解决 改进的双高斯函数： e x p 卜1 2 ( ( x j 。) 矾) i 】 ( x 1 ) 和( 1 ) 来改变( ( x x 。) m ) 鼠和 ( ( z x 。) 0 j ) 缸的值来改变曲线的下降速率。 2 4 2 2 用双高斯函数分解重