Выбор параметров цифровых фильтров при спектрофотометрических исследованиях

Abstract

В различных областях знаний при исследовании изменяющихся процессов, по отклику, получаемому с помощью физического прибора, анализируемый сигнал условно можно разделить на две компоненты: «полезный» сигнал и сигнал «помех». В частности при решении задач качественного и количественного спектрофотометрического анализа возникают проблемы искажения полос поглощения помехами различной природы: наличием нескомпенсированных спектров поглощения атмосферы, влиянием спектров адсорбированных на поверхности образца молекул, наличием интерференционных помех в тонких или многослойных объектах. Проведен сравнительный анализ влияния фильтрации модельного спектра поглощения медианным фильтром и фильтрами Савицкого–Голая нулевого–первого (SG0), второго–третьего (SG2), четвертого–пятого (SG4) порядков. Модельный спектр описывался контурами поглощения гауссовской и лоренцевской формы. По результатам численного эксперимента приведены рекомендации по оптимальной фильтрации экспериментальных спектров поглощения конденсированных сред с целью их последующего анализа и обработки: – для полного подавления полос поглощения «помех» предпочтительно применение медианного фильтра, при этом для гауссовского контура ширина окна фильтра должна быть в 5 раз больше полной ширины на половине высоты подавляемой полосы поглощения, а для контура лоренцевской формы это соотношение должно быть более 20. – изменение относительной интенсивности полосы поглощения «полезного» сигнала менее чем на 1 % реализуется при определенной относительной ширине окна. В случае гауссовской полосы поглощения относительная ширина окна для медианного фильтра должна составлять не более 0,2, для фильтров SG0 – 0,2, SG2 – 0,9, SG4 – 1,6. Для контура лоренцевской формы это соотношение должно быть для медианного фильтра не более 0,2, для фильтров SG0 – 0,2, SG2 – 0,7, SG4 – 1,1. In various fields of knowledge when studying changing processes, the response received by a physical instrument allows to nominally divide the analyzed signal into two components: “useful” signal and “disturbances” signal. In particular, while solving tasks on qualitative and quantitative spectrophotometric analysis there occur problems with distortion of absorption bands by disturbances of various natures: presence of uncompensated atmosphere absorption spectra, influence of spectra of molecules adsorbed on a sample’s surface, presence of interference noise in thin and multi-layer objects. This paper provides a comparative analysis of the influence of filtration of model absorption spectrum by median filter and Savitzky–Golay filters of zero-first order (SG0), second-third order (SG2), and fourth-fifth order (SG4). The model spectrum was described by Gauss and Lorentz absorption contours. Based on the results of the numerical experiment recommendations are given on optimal filtration of experimental absorption spectra of condensed mediums for their further analysis and processing: – for complete suppression of “disturbances” absorption bands the use of median filter is preferable, while for Gauss contour the filter bandwidth should be 5 times bigger than the full width at the half height of the suppressed absorption band, and for Lorentz contour this ratio should exceed 20; – changing of the relative intensity of the “useful” signal absorption band by less than 1 % is fulfilled at a certain relative bandwidth. In case of Gauss absorption band the relative bandwidth for median filter should not exceed 0,2, for filters SG0 – 0,2, SG2 – 0,9, SG4 – 1,6. For Lorentz contour this ratio should for median filter not exceed 0,2, for filters SG0 – 0,2, SG2 – 0,7, SG4 – 1,1.