一種用于微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法，該方法用diff函數(shù)對(duì)去噪后的氣體拉曼光譜W求數(shù)值微分,用find函數(shù)和極小值點(diǎn)左邊曲線的斜率小于0且右邊曲線的斜率大于0的條件求得極小值點(diǎn)，用三次樣條曲線插值函數(shù)spline和極小值點(diǎn)求得一次包絡(luò)線L1，對(duì)前后譜峰密集度不一致的氣體拉曼光譜進(jìn)行分段處理，并引入包絡(luò)線迭代思想，使用密集段迭代次數(shù)多余稀疏段迭代次數(shù)的方式，得到包絡(luò)線L2(即為氣體拉曼光譜基線)，W減去基線L2，完成對(duì)W的基線校正。該方法處理結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地校正微量氣體拉曼光譜的基線，減少校正后的光譜熒光背景殘留，提高氣體拉曼光譜定量分析準(zhǔn)確度。
【專利說(shuō)明】
一種用于微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及氣體拉曼光譜檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及微量氣體拉曼光譜的基線校正技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼光譜(Ramanspectroscopy)是一種基于拉曼散射效應(yīng)的散射光譜，由印度物理學(xué)家Raman所發(fā)現(xiàn)，具有非侵入、無(wú)損傷和無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)。隨著激光光源的引入、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，拉曼光譜技術(shù)正日益地應(yīng)用于化學(xué)化工、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。
[0003]然而受儀器系統(tǒng)、檢測(cè)環(huán)境以及樣品等諸多因素的影響，獲得的拉曼光譜檢測(cè)信號(hào)總存在不同程度的噪聲和背景干擾。由熒光背景等因素使拉曼光譜基線升高的現(xiàn)象稱為基線漂移。當(dāng)基線漂移較大時(shí)，將嚴(yán)重影響拉曼特征峰的提取以及被測(cè)物質(zhì)的識(shí)別，降低定性定量分析的準(zhǔn)確性。因此，基線校正直接關(guān)系到光譜分析質(zhì)量的好壞，對(duì)這方面的研究一直備受廣大學(xué)者關(guān)注。目前減小基線漂移的方法主要是兩個(gè)方面，拉曼光譜分析儀器改良和數(shù)據(jù)處理方法。拉曼光譜分析儀器改良成本較高且無(wú)法完全消除熒光物質(zhì)的影響，而數(shù)據(jù)處理方法則成本較低且效果較好。現(xiàn)有的多項(xiàng)式擬合及分段多項(xiàng)式擬合算法是最常用的基線校正方法，但都存在熒光背景殘留較多的問(wèn)題，從而導(dǎo)致基線校正準(zhǔn)確度較差，不利于提高氣體拉曼光譜檢測(cè)準(zhǔn)確度。而小波變換基線校正法是將拉曼信號(hào)分解為一系列正弦波的疊加，能夠?qū)⑿盘?hào)的低頻和高頻分開(kāi)，具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但分解尺度依靠經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于不同的實(shí)際問(wèn)題難以達(dá)到最佳處理效果，且基線校正易失真或不充分，其計(jì)算量和計(jì)算復(fù)雜度也相對(duì)較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有拉曼光譜基線校正方法存在的不足，提出一種微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法，該方法基于三次樣條曲線插值算法和包絡(luò)線迭代思想，能夠更加準(zhǔn)確地表示氣體拉曼光譜的基線，減少氣體拉曼光譜熒光背景的殘留，提高氣體濃度的定量分析檢測(cè)準(zhǔn)確度。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法，步驟如下:
[0007]步驟一:對(duì)獲得的氣體拉曼光譜進(jìn)行去噪處理，定義去噪后的氣體拉曼光譜為W;
[0008]步驟二:用dif f函數(shù)對(duì)W求數(shù)值微分，設(shè)W共有N+1個(gè)點(diǎn)，則數(shù)值微分后得到N個(gè)值，將其中第I至第N-1值存入矩陣dl中，第2至第N值存入矩陣d2中；
[0009]步驟三:用find函數(shù)和極小值點(diǎn)左邊曲線的斜率小于O且右邊曲線的斜率大于O的條件求得極小值點(diǎn) indmin，即 indmin = find (dl.*d2〈0&dl〈0)+l ；
[0010]步驟四:用三次樣條曲線插值函數(shù)spline和步驟三求得的極小值點(diǎn)indmin求得一次包絡(luò)線L1;[0011 ] 步驟五:判斷W譜峰密度，若W前后譜峰密集度一致，重復(fù)步驟二至步驟四，對(duì)1^進(jìn)行m次迭代求得包絡(luò)線L2;若W前后譜峰密集度不同，分離1^譜峰的密集段與稀疏段，分別用步驟二至步驟四對(duì)L1稀疏段迭代m次，對(duì)密集段迭代m+1次，得到包絡(luò)線L2,即為氣體拉曼光譜檢測(cè)基線。其中迭代次數(shù)m可根據(jù)W情況進(jìn)行增減，，m通常為2?4。
[0012]步驟六:W減去基線1^2，即用迭代的包絡(luò)線作為基線，原始光譜減去包絡(luò)線法形成的基線，即完成對(duì)W的基線校正。
[0013]在本發(fā)明的步驟一中，對(duì)測(cè)量所得的氣體拉曼光譜進(jìn)行去噪處理，使譜線平滑，可以保證步驟三中極小值點(diǎn)求取的準(zhǔn)確度，使步驟五求取的包絡(luò)線更接近氣體拉曼光譜的實(shí)際基線，在一定程度上減少了熒光背景的殘留。
[0014]在發(fā)明的步驟二中，由于計(jì)算機(jī)只能處理離散數(shù)據(jù)，故引入diff函數(shù)求數(shù)值微分，以得到單位橫坐標(biāo)Ax下離散數(shù)據(jù)的Ay，并以此來(lái)代替氣體拉曼光譜曲線的斜率。
[0015]在本發(fā)明的步驟三中，利用極小值點(diǎn)左邊曲線斜率小于O且右邊曲線斜率大于O的性質(zhì)，結(jié)合find函數(shù)可以準(zhǔn)確求得氣體拉曼光譜中所有的極小值點(diǎn)橫坐標(biāo)。此外，考慮到步驟二中數(shù)值微分后數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)的缺失，對(duì)極小值點(diǎn)的橫坐標(biāo)進(jìn)行了加I補(bǔ)償，保證了基線校正的準(zhǔn)確性。
[0016]在本發(fā)明的步驟四、五中，對(duì)前后譜峰密集度不一致的氣體拉曼光譜進(jìn)行分段處理，并引入包絡(luò)線迭代思想，使用密集段迭代次數(shù)多余稀疏段迭代次數(shù)的方式，全面考慮氣體拉曼光譜的特點(diǎn)，體現(xiàn)了微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法的通用性。
[0017]本發(fā)明方法處理結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地校正微量氣體拉曼光譜的基線，減少校正后的光譜熒光背景殘留，提高氣體拉曼光譜檢測(cè)準(zhǔn)確度，對(duì)于氣體拉曼光譜的定量分析及應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義。該方法的優(yōu)點(diǎn)具體如下:
[0018]①使用微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法后，可有效減少光譜熒光背景殘留，提高氣體拉曼光譜檢測(cè)準(zhǔn)確度
[0019]②全面考慮氣體拉曼光譜的特點(diǎn)，對(duì)氣體拉曼光譜進(jìn)行分段處理，密集段迭代次數(shù)多，稀疏段迭代次數(shù)少，體現(xiàn)了微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法的通用性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法流程圖；
[0021]圖2是出拉曼光譜去噪前后的對(duì)比圖；
[0022]圖3是去噪后的出拉曼光譜及迭代包絡(luò)線L2;
[0023]圖4H2拉曼光譜基線校正前后對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容。
[0025]如圖1所示為微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法流程圖，以微量氣體H2為例，按該方法對(duì)H2拉曼光譜進(jìn)行基線校正處理，用MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)，【具體實(shí)施方式】如下:
[0026]①.利用拉曼光譜分析系統(tǒng)對(duì)微量H2進(jìn)行拉曼光譜測(cè)量，運(yùn)用小波模極大值法對(duì)獲得的出拉曼光譜進(jìn)行去噪處理，定義去噪后的出拉曼光譜數(shù)據(jù)為W，其結(jié)果如圖2所示。
[0027]②.基于diff函數(shù)對(duì)W求數(shù)值微分，W共有2000個(gè)點(diǎn)，數(shù)值微分后得到1999個(gè)值，將第I至1998值存入矩陣dl中，第2至1999值存入矩陣d2中。
[0028]③.基于find函數(shù)求極小值點(diǎn)indmin并對(duì)其進(jìn)行加I補(bǔ)償，即indmin = find(dl.*d2〈0&dl〈0)+l求得的極小值點(diǎn)。
[0029]④.用三次樣條曲線插值函數(shù)spline和極小值點(diǎn)indmin求得一次包絡(luò)線Li;
[0030]⑤.在出拉曼光譜數(shù)據(jù)第1000個(gè)點(diǎn)處分段，對(duì)左右兩邊分別重復(fù)步驟③和④，進(jìn)行兩次迭代，得到迭代的包絡(luò)線L2如圖3所示。
[0031]⑥.用迭代的包絡(luò)線L2代替基線，原始光譜W與基線應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)相減完成基線校正，基線校正前后對(duì)比分析結(jié)果如圖4所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法，其特征在于，步驟如下: 步驟一:對(duì)獲得的氣體拉曼光譜進(jìn)行去噪處理，定義去噪后的氣體拉曼光譜為W; 步驟二:用diff函數(shù)對(duì)W求數(shù)值微分，設(shè)W共有N+1個(gè)點(diǎn)，則數(shù)值微分后得到N個(gè)值，將其中第I至第N-1值存入矩陣dl中，第2至第N值存入矩陣d2中； 步驟三:用find函數(shù)和極小值點(diǎn)左邊曲線的斜率小于O且右邊曲線的斜率大于O的條件求得極小值點(diǎn)indmin，即 indmin = f ind(dl.*d2〈0&dl〈0)+l ； 步驟四:用三次樣條曲線插值函數(shù)spline和步驟三求得的極小值點(diǎn)indmin求得一次包絡(luò)線L1; 步驟五:判斷W譜峰密度，若W前后譜峰密集度一致，重復(fù)步驟二至步驟四，對(duì)1^進(jìn)行m次迭代求得包絡(luò)線L2;若W前后譜峰密集度不同，分離1^譜峰的密集段與稀疏段，分別用步驟二至步驟四對(duì)L1稀疏段迭代m次，對(duì)密集段迭代m+1次，得到包絡(luò)線L2,即為氣體拉曼光譜檢測(cè)基線； 步驟八:W減去基線L2，即完成對(duì)W的基線校正。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微量氣體拉曼光譜檢測(cè)基線校正的包絡(luò)線迭代方法，其特征在于，步驟五的迭代次數(shù)m可根據(jù)W情況進(jìn)行增減，，m通常為2?4。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK106053430SQ201610430372
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】陳偉根, 王建新, 楊曼琳, 賀鵬, 王品, 王品一, 萬(wàn)福
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)