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专利号: 2019103963403
申请人: 广西科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2025-12-17
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于光谱分辨增强的逆矩阵迭代反卷积方法,包括如下步骤:步骤一、序列卷积和卷积方阵

对于序列f(n)和g(n)的卷积结果为:

如果f(n)是一个含有m个值的光谱序列,g(n)序列截断为2m-1个元素,式(1)表达为:改写成矩阵形式:

式(3)中,保留其中可计算部分,即:

式(4)中F的元素重新编号,有:

考察式(4a),如果卷积核g是有限峰宽的对称函数,其中g(m)是峰值,而峰值前后b个元素值趋于0;同时,f序列的最前和最后的b个元素值也趋于零;那么,式(4)可完成计算,计算结果与式(2)相等;即得到结论式(4)是一种通过构造对称卷积核方阵完成卷积计算的方法;用矩阵乘的形式表达为:F=f·G            (5)

进一步的,

f=F·inv(G)      (6)

式(6)的含义是,已知序列F与卷积方阵的逆相乘,得到去卷积结果f;

步骤二、卷积方阵累积乘与卷积核函数峰展宽

以高斯函数为例,对于

记:

G(1)(y)=Vonvlve[g(x),g(x),x,y]            (8)有:

即,高斯函数自身卷积后仍为高斯函数,峰宽增加至卷积次数n的 倍;

根据该结论,矩阵G连乘,记为:

只要单位G峰宽足够小,只需调整n,就可以逼近至需要精度的卷积和反卷积要求;而不同的卷积核函数,只需要替换G中的序列g(n)即可;

步骤三、峰分辨增强

峰宽是影响分辨的主要因素,通过缩小峰宽,达到分辨增强,使得相互重叠覆盖的峰得到辨识;式(9)表明正向卷积导致峰变宽,而逆向可实现峰收窄,根据式(6)和式(10),可构造出相应的反卷积核函数单位矩阵,继而通过迭代计算得到需要精度的反卷积核函数矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,该方法的具体步骤为:步骤一、生成单位卷积和反卷积矩阵

1)输入需要处理的光谱序列值峰f(n),前后保留或增加若干个不含出峰的平坦数据点;

2)根据f(n)中元素数量m,以及f中峰的性质,确定反卷积所用的分布函数;

3)根据计算精度要求,确定分布函数峰宽(半峰宽),可以在0.1到1之间选择;

4)生成g(n)序列,其中元素数量为2m-1,峰值位置为第m个元素;将g(n)序列值放在第1行,依次向后平移,生成第2行、……,直至第m行,平移中缺失元素用0或者‘NaN’替代,得到尺寸为m×(3m-2)的矩阵M;

5)从M中,切出第m列至2m-1列,得到一个m×m的方阵,该方阵即为单位卷积矩阵G;

6)对G求逆,即得到单位反卷积矩阵IG;

生成的单位卷积和反卷积矩阵是斜对角对称矩阵,针对不同元素数量光谱序列,不需要每次重复生成,首先生成一个元素数量大的单位阵,后续需要用到时,从大矩阵中截取相应尺寸的方阵;

步骤二、应用反卷积矩阵增强光谱分辨率

1)选择需要分辨增强的光谱峰;对于拉曼或红外光谱,由于不同波数上峰展宽情况不一致,为了保证分辨增强稳定、准确,从完整图谱上选择需要分辨增强的部分,同时尽可能保留一部分头尾基线;

2)选择反卷积核函数类型;根据峰型特点和宽度,判断展宽主要影响因素后选择;如果无法判断或者缺乏先验知识,也可以随机或者枚举试算,考察分辨率增强结果;

3)依据分峰精度的要求,定义单位卷积矩阵的序列峰宽,生成单位反卷积矩阵;

4)输入的原始峰F,按照f=F·inv(G(n)),或者f=F·IG(n),其中IG(n)与G(n)类似,即:计算去卷积后的分辨增强峰f;

5)不断增加n进行迭代,峰宽降至重叠峰可满足识别要求时可停止计算,或者继续计算,信号的信噪比达到用户可容忍极限;

需要注意的,分辨率与信号的信噪比关系密切,分辨率提升实际是信号频率从低频向高频的转换,由于分辨率提高,原来隐含在信号中的低频噪声,也会同时表现为显著的高频噪声,导致信噪比恶化;为降低信噪比限制,应该选择信噪比好的信号进行分辨增强;本发明的去卷积分辨增强是渐进过程,因此过程中可以视情况,穿插平滑降噪,改善输出结果的信噪比。

3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤一的步骤1)中,前后各大于10个数据点,以便于在最终结果中舍弃。

4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤一的步骤2)中,所述分布函数具体为高斯分布、洛伦兹分布。

5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤一的步骤6)中,具体为:已生成元素数量为m×m的大矩阵G(m×m),如果只需要p×p个元素(p