Улучшенный алгоритм Савицкого–Голея для измерений содержания кислорода в фармацевтических пробах на основе волновой модуляционной спектроскопии

Zhu Gao Feng, Zhu Hong Qiu, Yang Chun Hua, Gui Wei Hua

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Gao Feng Zhu, Hong Qiu Zhu, Chun Hua Yang, Wei Hua Gui An improved Savitzky–Golay filtering algorithm for measuring pharmaceutical vial’s oxygen content based on wavelength modulation spectroscopy (Улучшенный алгоритм Савицкого–Голея для измерений содержания кислорода в фармацевтических пробах на основе волновой модуляционной спектроскопии) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 5. С. 86–91.

Gao Feng Zhu, Hong Qiu Zhu, Chun Hua Yang, Wei Hua Gui An improved Savitzky–Golay filtering algorithm for measuring pharmaceutical vial’s oxygen content based on wavelength modulation spectroscopy (Улучшенный алгоритм Савицкого–Голея для измерений содержания кислорода в фармацевтических пробах на основе волновой модуляционной спектроскопии) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 5. P. 86–91.

Ссылка на англоязычную версию:

Gao Feng Zhu, Hong Qiu Zhu, Chun Hua Yang, and Wei Hua Gui, "Improved Savitzky-Golay filtering algorithm for measuring a pharmaceutical vial’s oxygen content based on wavelength modulation spectroscopy," Journal of Optical Technology. 84(5), 355-359 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000355

Аннотация:

Для снижения уровня шумов при онлайновых измерениях содержания кислорода в фармацевтических пробах методом волновой модуляционной спектроскопии применен улучшенный алгоритм фильтрации Савицкого–Голея. Алгоритм предусматривал обработку сигнала второй гармоники, содержащего шум, в плавающем окне и снижение или устранение интерференции импульсов. Далее, набор данных, не содержащий особых точек, подвергался обработке посредством взвешенной усредняющей фильтрации. Моделировались сигналы второй гармоники, и выполнены эксперименты по измерению содержания кислорода в фармацевтических пробах с применением предложенного алгоритма. Проведено сравнение с результатами использования традиционных алгоритмов, а также с фильтрацией методом вейвлетного преобразования. Показано, что предлагаемый метод столь же эффективен, как вейвлетный анализ, но заметно превосходит его в скорости обработки: время получения ответа составляло около 300 мс. Показано, что улучшенный алгоритм Савицкого–Голея пригоден для измерений концентрации газов в реальном времени.

Ключевые слова:

улучшенный алгоритм фильтрации Савицкого–Голея, волновая модуляционная спектроскопия, сигнал второй гармоники, вейвлетные преобразования, метод наименьших квадратов

Благодарность:

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Основной государственной программы национального фонда естественных наук Китая (грант № 61533021) и Фонда инновационных исследований национального фонда ествественных наук Китая (грант № 61321003).

Коды OCIS: 300.6360

Список источников:

1. Werle P. A review of recent advances in semiconductor laser based gas monitors // Spectrochimica Acta Part A. 1998. V. 54. P. 197–236.
2. Ayan Ray, Amitava Bandyopadhyay, Sankar De, Biswajit Ray, Pradip N. Ghosh. A simple scanning semiconductor diode laser source and its application in wavelength modulation spectroscopy around 825 nm // Optics & Laser Technol. 2007. V. 39. P. 359–367.
3. Frish M.B., Wainner R.T., Laderer M.C., Green B.D., and Allen M.G. Standoff and miniature chemical vapor detectors based on tunable diode laser absorption spectroscopy // IEEE Sensors J. 2010. V. 10. P. 639–646.
4. Neethu S., Verma R., Kamble S.S., Radhakrishnan J.K., Krishnapur P.P., Padaki V.C. Validation of wavelength modulation spectroscopy techniques for oxygen concentration measurement // Sensors and Actuators B. 2014. V. 192. P. 70–76.
5. Werle P., Mücke R. The limits of signal averaging in atmospheric trace-gas monitoring by tunable diode-laser absorption spectroscopy // Appl. Phys. B. 1993. V. 57. P. 131–139.
6. Werle P.W., Scheumann B., and Schandl J. Real-time signal-processing concepts for trace-gas analysis by diode-laser spectroscopy // Opt. Eng. 1994. V. 33. P. 3093–3105.
7. Leleux D.P., Claps R., Chen W., Tittel F.K., and Harman T.L. Applications of Kalman filtering to real-time trace gas concentration measurements // Appl. Phys. B. 2002. V. 74. P. 85–93.
8. Li J., Parchatka U., and Fischer H. Applications of wavelet transform to quantum cascade laser spectrometer for atmospheric trace gas measurements // Appl. Phys. B. 2012. V. 108. P. 951–963.
9. Tian G. and Li J. Tunable diode laser spectrometry signal de-noising using discrete wavelet transform for molecular spectroscopy study // Opt. Appl. 2013. V. 43. P. 803–815.
10. Yunxia Meng, Tiegen Liu, Kun Liu, Junfeng Jiang, Ranran Wang, Tao Wang, and Haofeng Hu. A modified empirical mode decomposition algorithm in TDLAS for gas detection // IEEE Photonics J. 2014. V. 6. P. 6803209. [10] 窗体顶端
11. Bolshov M.A., Kuritsyn Yu.A. Tunable diode laser spectroscopy as a technique for combustion diagnostics // Spectrochimica Acta Part B. 2015. V. 106. P. 45–66.