不同铅浓度土壤XRF光谱的频率域去噪及规律研究

摘要

近年来,全球工业快速发展和城市化的推进引发了一系列环境问题,其中土壤重金属铅(Pb)污染引起了科研人员的广泛关注.X射线荧光(XRF)光谱技术具有成本低、分析速度快、适合大面积监测等优势,已被广泛应用在土壤污染检测与生态环境保护等多个领域,发展前景广阔,因此充分挖掘土壤XRF光谱信息具有很强的现实意义,可为高效地进行土壤污染检测、土壤环境生态指标参量反演及矿区重金属污染早期预警等提供解决方案.目前关于XRF光谱研究大多集中在土壤重金属浓度测量结果的精度评价和环境质量评估,而对于土壤XRF光谱差异特征变化的深入分析研究较少.时频分析可将时域复杂信号变换到频率域空间,从频率域角度检测光谱、信号中存在的异常信息,是一种有效的谱差异特征变化检测方法,其中,谐波分析(HA)可用于电磁信号去噪;平滑伪魏格纳分布(SPWVD)可筛选合适的基函数,突出信号时频局域性细节特征.首先采用HA方法探究不同Pb浓度土壤XRF光谱的去噪效果,然后利用光谱的SPWVD研究实地采样土壤样品的去噪XRF光谱局部规律.研究结果表明:当谐波分解次数为400时,土壤XRF光谱去燥效果较好并节省了时间,且保留了光谱的特征.土壤样品Pb浓度与XRF光谱的SPWVD在400和600～700波段序列上的频率峰值的分布具有一定的规律性,根据此规律性可识别该地区土壤的Pb浓度超标:全部实地采样土壤中,能够识别75％ 的Pb浓度不超标的样品,在波段序列为400附近有1个较高的频率峰(频率小于400 Hz)或有2个很强的频率峰值(频率大于400 Hz);全部实地采样土壤中,能够识别79.17％ 的Pb浓度超标的样品,在波段序列为400附近有1个很强的频率峰(频率大于400 Hz),且在600～700波段序列之间有3个层次明显的频率峰分布,据此推断该地区土壤Pb浓度超标的XRF光谱特征波段区间为6.42和9.42～10.92 keV.因此,研究通过引入时频分析法实现了对土壤XRF光谱频域甄析和可视化显现,为深度挖掘Pb污染谱规律特征及异常信息提供一种新思路.