[發(fā)明專利]一種基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810813401.7
• 申請(qǐng)日: 2018-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN108801944B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐德剛;劉松;蔡耀儀;陽春華;桂衛(wèi)華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/27
• 分類號(hào): G01N21/27
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 歐陽迪奇

本發(fā)明公開了一種基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法。通過二元數(shù)據(jù)集合表示光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)是否為背景點(diǎn)，初始化二元數(shù)據(jù)集合為隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集。取二元數(shù)據(jù)集合中元素為1的數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)作為基線數(shù)據(jù)，采用懲罰B樣條擬合基線數(shù)據(jù)得到光譜基線。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法以及將擬合基線和最佳估計(jì)基線比較，不斷更新光譜二元數(shù)據(jù)集合，從而擬合得到最佳基線。本算法獲得的背景基線準(zhǔn)確度高，算法適用性強(qiáng)，并且所需確定的參數(shù)較少，能夠有效地消除背景光譜，從而獲得良好的基線校正效果，為進(jìn)一步分析光譜數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜分析領(lǐng)域，具體涉及一種基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法。

背景技術(shù)

基線校正是一種常用的消除光譜熒光干擾的方法，是光譜數(shù)據(jù)處理的必要步驟之一。近年來，基于光譜技術(shù)的分析檢測(cè)方法受到了越來越廣泛的關(guān)注，并且已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。其中原子光譜技術(shù)有原子熒光光譜、原子吸收光譜、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜等，常用的分子光譜技術(shù)包括紅外光譜、拉曼光譜、紫外可見光譜等。在將光譜應(yīng)用于物質(zhì)定量分析的過程中，往往會(huì)因?yàn)闊晒馕镔|(zhì)干擾、檢測(cè)環(huán)境及樣品的各種噪聲干擾，使獲得的光譜存在較大的基線背景，從而影響數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，因此需要對(duì)獲得的光譜進(jìn)行基線校正。光譜的基線校正方法有很多，主要是基于以下幾種思想：導(dǎo)數(shù)思想、插值擬合、頻域分析等。如孫毅等基于導(dǎo)數(shù)的思想，采用微分-平滑法校正異丁烷氣體近紅外光譜的背景基線，并與光譜儀自帶的基線校正方法進(jìn)行了對(duì)比。插值擬合一般采用多項(xiàng)式或者B樣條，如Vickers T J等提出了一種扣除非線性背景的方法，首先由人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指定若干基線點(diǎn)，然后利用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，該方法原理簡(jiǎn)單，但需要用戶干預(yù)，耗時(shí)較長且容易造成光譜變形。LieberCA等則基于改進(jìn)的最小二乘多項(xiàng)式曲線擬合，通過迭代優(yōu)化提出一種背景自動(dòng)扣除方法，該方法的不足之處在于迭代次數(shù)比較多。頻域分析的方法主要是傅里葉變換和小波變換，如Villanueva-Luna A E等人基于小波理論，提出了一種消除拉曼光譜熒光背景的新方法，但該方法存在著復(fù)雜度較大的缺點(diǎn)，靈活性較差。針對(duì)以上問題，本發(fā)明所提出的基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正算法，首先通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法選擇和改變屬于可疑背景的波束范圍，接下來使用懲罰B樣條平滑法對(duì)可疑背景數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到光譜背景，迭代過程的引入使得擬合背景不斷收斂于實(shí)際背景，最后達(dá)到或者最大程度接近實(shí)際背景。本算法人工干預(yù)較少，復(fù)雜度較低，可針對(duì)紅外光譜、拉曼光譜等進(jìn)行背景扣除，十分適用于光譜的基線校正。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決實(shí)際光譜背景的自動(dòng)扣除問題，提出來一種基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法，包括以下步驟：

步驟一，參數(shù)初始化：對(duì)基于二元狀態(tài)轉(zhuǎn)換的懲罰B樣條平滑光譜基線校正方法的參數(shù)進(jìn)行初始化，需要初始化的參數(shù)包括最大迭代次數(shù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法中的替代因子SF和交換率SR、B樣條平滑的懲罰參數(shù)p和每個(gè)光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)的二元狀態(tài)信息變量

步驟二，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法中的交換和替代操作，改變二元狀態(tài)信息變量所形成的二元個(gè)體集合x′j的項(xiàng)；

步驟三，懲罰B樣條平滑擬合：將x′j與光譜橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)項(xiàng)相乘，刪除其中為0的項(xiàng)，并取剩余項(xiàng)對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度，組合得到背景迭代點(diǎn)；使用懲罰B樣條平滑擬合背景迭代點(diǎn)，獲得基線數(shù)據(jù)；

步驟四，計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)，用于評(píng)判迭代過程中擬合的性能；

步驟五，迭代過程中最佳二元個(gè)體集合和基線選擇：用適應(yīng)度函數(shù)的最小值選擇當(dāng)前局部最佳二元個(gè)體集合和基線；

步驟六，終止迭代過程：當(dāng)連續(xù)兩次迭代過程中最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)之差小于設(shè)定閾值，或者達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，則轉(zhuǎn)至步驟八，否則轉(zhuǎn)到步驟七；