Например, Бобцов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ БАЗИСНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ПРИМЕСЕЙ В ИЗОТОПНОМ МАСС-СПЕКТРЕ ТРАНСУРАНОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

УДК 621.384.8
В. В. МАНОЙЛОВ, А. И. СОЛОДОВНИКОВ, И. В. ЗАРУЦКИЙ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ БАЗИСНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НАЛИЧИЯ ПРИМЕСЕЙ
В ИЗОТОПНОМ МАСС-СПЕКТРЕ ТРАНСУРАНОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Рассматриваются возможности использования спектральных преобразований в системе базисных функций для выявления наличия примесей в изотопном массспектре трансурановых элементов. В качестве эталонных сигналов используются масс-спектры стандартных образцов элементов. Показывается, что использование данного подхода к обработке сигналов обеспечивает возможность выявления наличия примеси с массой, отличающейся на 0,001% от массы одного из изотопов в стандартном образце. Ключевые слова: масс-спектрометрия, изотопный анализ, система обработки сигналов, система базисных функций.
Введение. Во многих научно-технических областях, где применяются масс-спектрометрические приборы, основу решения прикладных задач составляет обработка сигналов, анализ которых как носителей информации раскрывает их информативное содержание, связанное с решаемой задачей. Получение достоверной информации посредством анализа сигналов массспектрометра в ряде случаев осложняется недостаточным разрешением приборов, наличием нежелательных шумов и наводок, а также посторонних примесей в анализаторе массспектрометра. В связи с этим в настоящее время является актуальным использование алгоритмов, позволяющих снизить влияние мешающих факторов при реализации программного обеспечения масс-спектрометров. Во многих практических задачах, связанных с обработкой сигналов, нашли применение ортогональные преобразования, в частности, те из них, которые имеют быстрый вычислительный алгоритм, обеспечивающий возможность оперативного анализа данных. В этой области в последнее время активно развиваются параметрически перестраиваемые ортогональные преобразования с быстрыми алгоритмами [1—5], позволяющие путем изменения параметров приспосабливать оператор преобразования к характеру исходных данных.
В настоящей статье предлагается при обработке сигналов применять аппарат ортогональных преобразований с параметрически перестраиваемыми по форме базисными функциями, что обеспечит возможность приспосабливать такое преобразование к анализируемым данным. Разработка и экспериментальный анализ алгоритмов оценки наличия примесей в изотопных масс-спектрах трансурановых элементов являются предметом исследования в настоящей статье.
Выбор математической основы для разработки алгоритма. Задача по выявлению информативных признаков в масс-спектрометрических сигналах может быть представлена как задача нахождения вектора Y:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 7

18 В. В. Манойлов, А. И. Солодовников, И. В. Заруцкий

Y = FX ,

где X =[ x1, x2 , ..., xN ]T — вектор исходных данных преобразования; F — оператор преобра-

зования; Y =[ y1, y2 , ..., yN ]T — вектор информативных признаков, характеризующий полез-

ную информацию исходного сигнала.

При решении этой задачи возникает проблема выбора класса оператора преобразования F.

Известно [1, 3, 5], что общий подход к поиску процедур оценки признаков (параметров масс-

спектрометрических сигналов) основан на линейных преобразованиях. Среди них наиболь-

шее распространение получили ортогональные преобразования [4], использование которых

позволяет выбрать систему базисных функций (СБФ), наиболее приспособленных к решае-

мой задаче. При этом может быть обеспечено высокое быстродействие таких преобразова-

ний, которые могут выполняться по быстрым алгоритмам.

Ортогональные преобразования, основные свойства. В рамках теории цифровой об-

работки сигналов понятие ортогонального преобразования может быть представлено в виде

матричного уравнения

Y = HX ,

где Н — матрица ортогонального преобразования; Y =[ y1, y2 , ..., yN ]T — вектор информа-

тивных признаков, представляющий собой вектор спектральных коэффициентов (является

отображением вектора Х в спектральной области).

Оператор преобразования Н включает в себя систему базисных функций и имеет сле-

дующую структуру:

⎡ h1 ⎤ ⎡ [h11

H



=

⎢ ⎢

h2

⎥⎢

⎥ ⎥

=

⎢ ⎢

[h21

⎢⎣hM

⎥ ⎦

⎢⎣⎢[ hM 1

h1N ] ⎤

h2

N

]

⎥ ⎥ ⎥

,

hMN ]⎦⎥⎥

где [hi1, hi2 , …, hiN ] — вектор дискретных значений i-й базисной функции.

Система функций {hi } является базисной, если все функции ортогональны друг другу и

образуют полную систему, для которой не существует ни одной другой функции, ортогональ-

ной ко всем остальным. При выполнении этого условия справедливо равенство М=N. Систе-

ма ортогональных базисных функций является нормированной (или ортонормированной),

если норма каждой базисной функции в пространстве L2 равна единице.

Выбор той или иной системы базисных функций производится в соответствии с требо-

ваниями конкретной задачи анализа сигналов. При решении задачи оценки наличия примесей

в изотопных масс-спектрах СБФ должна обеспечивать получение пространства информатив-

ных признаков невысокой размерности и должна быть выражена в факторизованной форме,

что позволяет оперативно выполнить ортогональное преобразование по быстрому алгоритму.

Сокращение размерности при этом заключается в том, что при ортогональном преобразовании

основная часть исходных данных отображается k спектральными коэффициентами (k