Влияние систематичности псевдослучайной последовательности на отношение полезного и мешающего сигнала в спектрометрии ионной подвижности с преобразованиями Адамара
Authors: А.П. Сарычева , А.Ю. Адамов , С.С. Лагунов , Г.В. Лапшов , С.С. Потешин , А.А. Сысоев 
Published: December 2024

Формирование артефактного сигнала может оказывать существенное влияние на чувствительность дрейфового спектрометра ионной подвижности (СИП) в режиме Адамара. Этот сигнал, представляющий собой систематическую ошибку модуляции псевдослучайной последовательностью (ПСП), может проявляться в виде ложных пиков или может быть похож на наводку и шум. Артефактный сигнал как правило неотличим от последних для традиционных алгоритмов математической обработки. В дрейфовой спектрометрии ионной подвижности с преобразованиями Адамара наличие артефактного сигнала при использовании стандартных алгоритмов обработки данных приводит к тому, что хотя благодаря прямому преобразованию Адамара каждый отдельный декодированный спектр демонстрирует заметное увеличение отношения сигнал/шум, в интегральном усредненном спектре это преимущество по сравнению со стандартным режимом СИП нивелируется. Заметное улучшение отношения сигнал/шум в случае модификации ПСП разбавлением нулями для интегрального спектра главным образом объясняется подавлением систематического шумоподобного артефактного сигнала. В настоящем исследовании мы провели сравнительный анализ измеряемого отношения сигнал/шум в усредненных спектрах для теоретических и экспериментальных данных при различных режимах мультиплексирования методом преобразований Адамара, а также проанализировали влияние «случайности» кода модулирующих ПСП на отношение сигнал/шум в итоговом спектре для случая немодифицированных последовательностей. В качестве критерия «случайности» ПСП был выбран коэффициент автокорреляции – среднеквадратическое отклонение функции автокорреляции последовательности. Для случая последовательностей, модифицированных разбавлением нулями, наблюдается хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными значениями относительного улучшения отношения сигнал/шум. Это косвенно подтверждает столкновение с ограничениями мультиплексирования методом преобразований Адамара при сложении статистически значимого числа единичных спектров и необходимость создания продвинутых стратегий мультиплексирования и декодирования данных для дальнейшего увеличения чувствительности. Частью поиска стратегий улучшения чувствительности является выбор оптимальных ПСП по набору критериев, одним из которых является минимизация артефактного сигнала. Из представленных в статье данных следует, что подбор коэффициента автокорреляции в качестве критерия для выбора ПСП является оправданным, но ограниченным: он не дает исчерпывающее решение проблемы выбора ПСП при поиске стратегий улучшения чувствительности в спектрометрии ионной подвижности с преобразованиями Адамара.

The formation of an artefact signal can greatly influence the sensitivity of the drift tube ion mobility spectrometer (IMS) in multiplex mode (Hadamard transform mode). This signal is a systematic error of multiplexed signal modulation via pseudorandom sequence (PRS), and it can appear as false peaks, or it can be similar to interference or noise. The artefact signal usually cannot be differentiated from the latter by standard mathematical processing algorithms. In Hadamard transform ion mobility spectrometry, the presence of an artefact signal when utilizing standard data processing algorithms results in the following situation. Even though each individual recovered spectrum demonstrates a noticeable improvement in signal-to-noise ratio due to forward Hadamard transform, this improvement is reduced or even disappears completely for averaged recovered multiplexed spectra when compared to the conventional IMS averaging mode. A noticeable improvement in signal-to-noise ratio can be achieved by modifying PRSs by incorporating fixed numbers of additional zeros after every element (modulation bin) of the conventional PRSs. The improvement can be explained because the addition suppresses systematic noise-like artefact signals. In this paper, we analyze the observed signal-to-noise ratio in averaged spectra for simulated via theoretical model and experimental data for various multiplexing modes of Hadamard transform. We also analyzed the influence of modulating PRSs’ “randomness” on signal-to-noise ratio in the resulting spectra in the case of non-modified sequences. We chose the standard deviation of PRS's autocorrelation function, or the autocorrelation coefficient, to serve as the "randomness" criterion. For modulation with PRSs modified with additional zeros, we observed a considerable correlation between theoretical and experimental values of relative improvement of the signal-to-noise ratio. This indirectly proves the existence of boundaries of Hadamard multiplexing mode when a statistically significant amount of individual spectra is averaged. This also leads to the necessity of improved strategies of data multiplexing and decoding for further sensitivity improvement. The choice of optimal PRS is part of the strategy’s search. One of the choice’s criterion is the minimization of the artefact signal. The data presented in this paper suggests that the autocorrelation coefficient as the criterion of choice for PRS is justified but not sufficient: it leaves the problem of PRS selection when searching for a strategy for sensitivity improvement in Hadamard transform ion mobility spectrometry.