[發(fā)明專利]一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的拉曼光譜數(shù)據(jù)降噪方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810698127.3
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN109030452A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳偉根;李劍;王有元;萬福;李曉博;范舟;楊定坤;張榮華
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G06K9/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

本發(fā)明涉及拉曼光譜檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的拉曼光譜數(shù)據(jù)降噪方法，包括以下步驟：(1)對獲取的實(shí)測樣品拉曼光譜進(jìn)行去基線處理得到初始光譜；(2)對步驟(1)得到的初始光譜進(jìn)行五點(diǎn)三次平滑；(3)將步驟(2)得到的光譜數(shù)據(jù)作為初始光譜進(jìn)行m?1次步驟(2)中的五點(diǎn)三次平滑，得到最終輸出光譜，其中m為迭代次數(shù)，m＝3?5。其能夠有效過濾掉拉曼光譜數(shù)據(jù)的隨機(jī)干擾誤差，突出待測成分信號的特征性，確保光譜數(shù)據(jù)的光滑性，提高原始光譜信號的信噪比，能有效提高光譜數(shù)據(jù)的分析準(zhǔn)確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及拉曼光譜檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的拉曼光譜數(shù)據(jù)降噪方法。

背景技術(shù)

拉曼光譜(Raman Spectrum)技術(shù)作為一種通過檢測物質(zhì)在單色光照射產(chǎn)生的散射光譜，可提供快速、簡單、可重復(fù)且無損傷的定性定量分析。近年來，隨著激光技術(shù)和CCD檢測技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于固體和液體材料的結(jié)構(gòu)檢測和性能分析。

然而拉曼光譜用于檢測物質(zhì)時(shí)，除了得到包含待測物的拉曼信號外，還會受到激光器波動、檢測環(huán)境變化及樣品本身等因素的干擾，這些干擾信號包括熒光背景干擾和不同程度的噪聲。其中，拉曼光譜信號的噪聲信號主要來源于CCD陣列檢測器，包含光子散粒噪聲和暗噪聲。光子散粒噪聲是CCD檢測器在收集光子時(shí)出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)誤差，其本質(zhì)在于通過CCD測量得到的光強(qiáng)能夠給出收集到的光子的平均數(shù)量，但無法得知任意時(shí)刻實(shí)際收集到的光子數(shù)量。當(dāng)噪聲振幅較大時(shí)，會引起拉曼譜圖的抖動，出現(xiàn)毛刺尖峰，光譜的信噪比會降低，這將嚴(yán)重影響拉曼特征峰的提取以及待測物質(zhì)的識別，降低拉曼光譜數(shù)據(jù)用于物質(zhì)成分濃度分析的準(zhǔn)確性。因此，對于降低拉曼信號噪聲的研究，一直引起學(xué)者的關(guān)注。

目前減小拉曼光譜信號噪聲的方法主要有兩個(gè)方面，拉曼光譜檢測系統(tǒng)的改良以及數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。現(xiàn)階段拉曼光譜檢測系統(tǒng)的改良成本很高且無法完全消除由于系統(tǒng)本身影響帶來的隨機(jī)噪聲，數(shù)據(jù)預(yù)處理算法有很好的效果且成本較低。常用的方法主要基于小波的時(shí)頻局域化特性，通過小波變換分解信號為高頻和低頻部分，但需要人為確定截?cái)喑叨鹊葏?shù)，降噪結(jié)果受操作者人為因素影響，并且僅適用于信號頻率與噪聲頻率相差較大的情況。另一種小波濾波方法利用信號和噪聲的小波系數(shù)模值隨尺度變化規(guī)律不同，將二者區(qū)分，但主要用于低頻噪聲的情況，且噪聲去除的不夠完全。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題本發(fā)明提供一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的拉曼光譜數(shù)據(jù)降噪方法，該方法簡便快捷、所需參數(shù)數(shù)量小，可避免計(jì)算過程中算法本身的誤差引入，能夠?qū)庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的降噪效果，減少噪聲對拉曼光譜信號的干擾，提高拉曼光譜數(shù)據(jù)的信噪比，提高拉曼光譜數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度。

一種基于五點(diǎn)三次平滑算法的拉曼光譜數(shù)據(jù)降噪方法，包括以下步驟：

(1)對獲取的實(shí)測樣品拉曼光譜進(jìn)行去基線處理得到初始光譜；

(2)對步驟(1)得到的初始光譜進(jìn)行五點(diǎn)三次平滑，得到擬合光譜；

(3)將步驟(2)得到的擬合光譜作為初始光譜進(jìn)行m-1次步驟(2)中的五點(diǎn)三次平滑，得到最終輸出光譜，其中m為迭代次數(shù)，m＝3-5。

進(jìn)一步的，步驟(2)的五點(diǎn)三次平滑是指：定義初始光譜為y，且y為關(guān)于波數(shù)x的函數(shù)。用泰勒級數(shù)將y展開，為減少計(jì)算量，展開式取前四項(xiàng)，

用最小二乘法來確定式I中的待定系數(shù)a₀,a₁,a₂,a₃，令

要使ρ(a₀,a₁,a₂,a₃)最小，在式II中分別對a_i求偏導(dǎo)，并令其為0，則得到式III：