色谱信号无相移滤波技术研究.doc

色谱信号无相移滤波技术研究胡劲松1，周方洁2，管博1（1、宁波工程学院，宁波 315010；2、宁波理工监测设备有限公司，宁波保税区 315800）摘 要： 把无相移滤波技术（Zero Phase Shifting Filter Technology）引入了色谱信号预处理领域。通过对色谱信号的实验研究表明，相比普通的数字滤波方法，无相移滤波不但具有普通数字滤波的优点，而且不会产生滤波前后的相位偏移，具有良好的应用前景，尤其对于需要准确计算保留时间的场合，用此预处理方法非常适合。关键词：色谱信号；无相移滤波技术中图分类号：O657.7 文献标识码： 文章编号：The Study of Chromatogram Signals Zero Phase Shifting Filter TechnologyHu Jing-song1 Zhou Fang-Jie2 Guan Bo1(1 Ningbo University of Technology, Ningbo 315010; 2 Ningbo Online Monitoring System Co.Ltd, Ningbo Free Trade Zone 315800)Abstract: The Zero Phase Shifting Filter Technology was introduced to the field of chromatogram signal pretreatment. A simulate experiment was researched using the method, comparing to the normal digital filter technology, results showed that the method has no phase shifting between input vibration signal and outputs. The conclusion was obtained that the Zero Phase Shifting Filter Technology is better than the normals in the field of chromatogram signal pretreatment.Key words: Chromatogram signal; Zero Phase Shifting Filter Technology色谱信号预处理是为了提高色谱信号处理的精度和便于下步算法的处理，一般采用滤波的方法去除信号中的干扰和杂波。滤波的方法一般有中值滤波、线性滤波等。中值滤波是一种非线性的滤波方法，对去除突变的毛刺滤波效果较好。张云华 张云华，胡上序，俞蒙槐. 模式滤波器在色谱信号除噪中的应用. 色谱，1996，14（6）：435437；等人把模式滤波器用于色谱信号中宽带噪声的去除，应用原理是基于色谱信号与宽带噪声的形态差异。杨黎 杨黎，许国旺，张玉奎 等. 快速傅立叶变换用于色谱噪声平滑及微弱信号的检测. 色谱，1998，16（5）：386389；等人应用快速傅立叶变换法（FFT）对色谱噪声进行平滑处理及微弱信号检测，表明可以较好地平滑数据使信噪比提高。陈锋 陈锋，胡上序，俞蒙槐. 自适应形态滤波器用于色谱信号的处理. 分析化学，1999，27（7）：773777；等人建立了一种能自适应地调整尺度的形态滤波器对色谱信号中混杂的离散脉冲型噪声加以滤除的方法。蔡文生 蔡文生，于芳，邵学广 等. 基于小波神经网络的新型算法用于化学信号处理. 高等学校化学学报. 2000，21（6）：855859；陈锋 陈锋，胡上序，俞蒙槐. 用分段训练的Elman递归神经网络滤除色谱数据中的噪声. 高等学校化学学报，2000，21（2）：193197；等人对把神经网络用于色谱信号的噪声滤除进行了有益的探索。李一波 李一波，黄小原，沙明. 基于小波变换的色谱数据平滑滤噪和高效压缩. 航空计算技术，2000，30（4）：15；等人根据色谱信号及色谱分析的特征和小波变换能精细刻划信号奇异性的特点，把多分辨小波分析引入，对色谱信号进行滤噪和压缩，取得了较好的效果。前述的方法，普通线性滤波会产生相位滞后，影响色谱信号峰位的准确定位；小波分析虽然无相位偏移，但是不能确切地定义截止频率，小波基的选择和分解的层数随意性较大，并且算法也较复杂；基于神经网络等滤波方法，一方面算法复杂，另一方面直观性不好，不能确切定义截止频率。针对这些缺点，把无相移滤波技术 Gustafsson, F., Determining the initial states in forward-backward filtering, IEEE Transactions on Signal Processing, April 1996, Volume 44, Issue 4, pp. 988992；引入了色谱预处理领域，取得了较好的效果。1 无相移滤波原理实现零相位数字滤波的方法可以采用FRR或RRF方法：FRR滤波方法是：先将输入序列按顺序滤波（Forward Filter），然后将所得结果逆转后反向通过滤波器（Reverse Filter），再将所得结果逆转后输出（Reverse Output），即得精确零相位失真的输出序列，为方便起见将这种滤波方法取名为FRR滤波。RRF滤波方法是：先将输入信号序列反转后通过滤波器（Reverse Filter），然后将所得结果逆转后再次通过滤波器（Reverse Filter），这样所得结果即为精确零相位失真的输出序列，为方便起见将这种滤波方法取名为FRR滤波。FRR的滤波原理可作如下推证： （1） （2） （3） （4）式中，表示输入序列，表示所用数字滤波器的冲击脉冲响应序列，为滤波或逆转后的结果，为输入数据序列的点数。（1）（4）式的相应频域表示为： （5） （6） （7） （8）由（5）（8）式可得： （9）由（9）式可见，输出与输入没有附加的相位差。FRR确实实现了精确无相移滤波。RRF滤波法也可以获得同样的结果，不再撰述。由（9）式可得这一系统的频率响应： （10）由（10）式可得系统的单位脉冲响应： （11）由（11）可知，直接可以由构建无相移滤波器而不必通过FRR方法，因此设计起来更为直接和方便。2 无相移滤波实验研究色谱信号采样频率为8赫兹，一次采集7530点数据，六个峰的成分从左到右为氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔、乙烷。数字滤波器采用8阶巴特沃斯滤波器，截止频率为0.25赫兹。图 1为色谱信号采用普通数字滤波的效果，可见，滤波后的波形与原始波形相比，产生了明显的相位偏移，也就是保留时间的偏移，不利于后步信号处理工作。无相移滤波中用到的数字滤波器的参数和普通数字滤波一样，图 2所示为无相移滤波的效果，图 3为甲烷峰局部放大图。由图可见，滤波前后的波形没有产生相位（保留时间）的偏移，非常适合下步的色谱定性等信号处理，经过预处理后噪声获得了平滑，可见效果较好。图 1 普通滤波效果图 2