[논문]형광 X-선 스펙트럼의 잡음 특징 분석

이재환; 천선일; 양상훈; 박동선

doi:10.5762/kais.2012.13.5.2298

형광 X-선 스펙트럼의 잡음 특징 분석
Noise Characteristic Analysis of X-Ray Fluorescence Spectrum 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.5, 2012년, pp.2298 - 2304

이재환 (전북대학교 전자정보공학부) , 천선일 (전북대학교 전자정보공학부) , 양상훈 (전북대학교 전자정보공학부) , 박동선 (전북대학교 IT융합연구센터)

초록
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형광 X-선 스펙트럼을 분석 방법은 RoHS 성분 및 중금속 함량 분석 등 여러 분야에 응용이 가능하며 비교적 빠른 시간 안에 함량 분석 결과를 얻을 수 있다. 형광 X-선 스펙트럼에는 잡음 및 여러 요인이 포함되어 있어 분석 정확도를 떨어뜨린다. 본 논문에서는 여러 요인 중 잡음의 특징을 분석하여 형광 X-선 스펙트럼 분석의 정확도를 높이고자 한다. 형광 X-선 스펙트럼은 산탄잡음(푸아송 잡음)의 특징을 가지고 있으며, 따라서 작은 신호에서는 잡음의 크기가 상대적으로 크고, 큰 신호에서는 잡음의 크기가 상대적으로 작은 특징을 가지고 있다. 기존에 잡음을 분석하고 제거하는 방법 및 알고리즘은 이러한 특징을 반영하지 않은 일반적인 목적으로 사용되는 방법으로 일반적인 알고리즘을 사용하여 잡음을 제거하게 되면 왜곡된 결과를 얻게 된다. 정확한 잡음 분석을 기반으로 효율적인 잡음 제거 알고리즘을 설계할 수 있고, 또한 높은 정확도의 원소 함량 분석 결과를 기대할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

X-ray fluorescence spectrum analysis method can be applied in many areas, including concentration analysis of RoHS elements and heavy metals etc. and we can get analysis results in a relatively short time. Because X-ray fluorescence spectrum has noises and several artifacts that lowers the accuracy of the analysis. This paper analyzes the characteristics of the noise of the X-ray fluorescence spectrum to increase the accuracy of analysis. X-ray fluorescence spectrum have the characteristics of shot noise (Poisson noise), so the noise size is relatively large in the small signal portion and the noise the size is relatively small in the large part of the signal. Existing methods of analysis and to remove noises is a method for general purposes algorithm. Since these algorithm does not reflect these noise characteristics, we get distorted analysis result. We can design efficient noise remove algorithm based on the accurate noise analysis method, and we expect high accuracy results of the elemental concentration analysis result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 분석의 정확도를 떨어뜨리는 여러 요인 중 잡음의 특징을 분석하여 형광 X-선 스펙트럼의 분석 정확도를 높이는데 기여하고자 한다.
형광 X-선 스펙트럼 분석은 짧은 시간에 정확한 분석 결과를 얻는 것을 목표로 한다. 형광 X-선 스펙트럼에는 원소의 형광 X-선 피크 신호 외에 잡음, 배경신호, Escape 피크, Sum 피크, 중첩 피크 등이 존재하고 있어 분석의 정확도를 떨어뜨리는 요인으로 작용한다[1].

가설 설정

웨이블릿을 이용한 잡음제거는 기본적으로 신호와 잡음의 관계가 두 가지 가정 아래 진행된다. 1. Noise의 세기는 신호의 세기보다 작다. 2.
Noise의 세기는 신호의 세기보다 작다. 2. Noise는 빠르게 변화하는 값으로 고주파수 성분을 가지고 있다. 즉 신호의 대부분의 성분은 저주파수 성분으로 구성되어 있다.

제안 방법

최근 모 환경단체가 홍콩 내 100여개의 장난감과 문구에서 휴대형 X-선 기계를 사용하여 상품의 중금속 함량을 검사하였다. 그 결과 23가지 장난감과 문구용품에서 중금속 납(Pb), 안티몬(Sb), 비소(As), 크롬(Cr), 수은(Hg) 등이 검출되었다.

데이터처리

모의 실험 및 데이터 확인은 MATLAB을 이용하여 진행하였다.

이론/모형

웨이블릿 기반 잡음 제거 기법들은 신호와 잡음을 구별하기 위해 웨이블릿의 다중해상도 분석 특성을 이용한다. 고주파수 성분 값들 중에서 잡음 성분을 구별하는 문턱값(Threshold)을 정의한다.

성능/효과

50개 스펙트럼의 잡음의 특징을 살펴보면 신호가 작은 부분에서는 잡음도 작지만 신호가 큰 부분에서는 잡음의 크기도 커지고 있음을 확인할 수 있다. 해당 잡음이 산탄 잡음인지 확인하기 위하여 원소의 피크 신호가 있는 채널의 제곱근 값과 채널 값들의 표준편차 값을 비교해 보면 아래 표와 같다.
최근 모 환경단체가 홍콩 내 100여개의 장난감과 문구에서 휴대형 X-선 기계를 사용하여 상품의 중금속 함량을 검사하였다. 그 결과 23가지 장난감과 문구용품에서 중금속 납(Pb), 안티몬(Sb), 비소(As), 크롬(Cr), 수은(Hg) 등이 검출되었다. 특히 납은 아이들의 중추신경에 해를 입혀 지적능력을 떨어뜨릴 수 있는 치명적인 독소이다.
실제 XRF 스펙트럼의 잡음 분포형태를 살펴보기 위하여 대각 다항회귀(Orthogonal Polynomial Regression)방법을 이용하여 실제 측정한 PE_High 의 스펙트럼에서 형광 X-선 신호가 없는 배경 신호 부분만을 유추하여 차이값의 히스토그램 분포를 살펴보면 그림 5, 그림 6과 같이 동일하게 Cauchy 분포 형태를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
표를 통해서 각 채널의 제곱근 값과 50개 채널의 표준편차 값이 유사함을 확인할 수 있으며 각 채널이 푸아송 분포를 따라 산탄 잡음이 포함되어 있음을 분석할 수 있다.

후속연구

정확한 잡음 분석 결과를 기반으로 효율적인 원본 신호 복원 알고리즘을 설계할 수 있고, 이러한 알고리즘을 이용하여 작은 신호 부분에서 높은 정확도의 분석 결과를 기대할 수 있다.
정확한 잡음 분석 결과를 기반으로 효율적인 원본 신호 복원 알고리즘을 설계할 수 있으며, 잘 설계된 알고리즘을 이용하여 큰 신호 뿐 아니라 작은 신호 부분에서까지 정확도 높은 분석 결과를 기대할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨이블릿을 이용한 잡음제거는 기본적으로 신호와 잡음의 관계가 두 가지 가정 아래 진행되는데 그것은 무엇인가?	웨이블릿을 이용한 잡음제거는 기본적으로 신호와 잡음의 관계가 두 가지 가정 아래 진행된다. 1. Noise의 세기는 신호의 세기보다 작다. 2. Noise는 빠르게 변화하는 값으로 고주파수 성분을 가지고 있다. 즉 신호의 대부분의 성분은 저주파수 성분으로 구성되어 있다.
	형광 X-선 스펙트럼을 분석 방법의 특징은?	형광 X-선 스펙트럼을 분석 방법은 RoHS 성분 및 중금속 함량 분석 등 여러 분야에 응용이 가능하며 비교적 빠른 시간 안에 함량 분석 결과를 얻을 수 있다. 형광 X-선 스펙트럼에는 잡음 및 여러 요인이 포함되어 있어 분석 정확도를 떨어뜨린다.
	납이 몸에 끼치는 영향은?	그 결과 23가지 장난감과 문구용품에서 중금속 납(Pb), 안티몬(Sb), 비소(As), 크롬(Cr), 수은(Hg) 등이 검출되었다. 특히 납은 아이들의 중추신경에 해를 입혀 지적능력을 떨어뜨릴 수 있는 치명적인 독소이다.

참고문헌 (24)

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