CN105758837B - 基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，为实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离，有效地去除夹杂在拉曼光谱数据中的背景噪声，提高信噪比，并且保护拉曼光谱信息的完整性。本发明采用的技术方案是，基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，步骤如下：1.在阵列式检测器感应面处划分拉曼散射光检测区域和背景光检测区域；2.二维光谱数据是由阵列式检测器采集的沿波长维度和一维空间维度两个维度变化的光强数据组成的；3.当拉曼散射光束和背景光束经过分光元件后，不同波长的光束沿阵列式检测器感应面的横轴方向入射到感应面的不同位置；4.通过记录入射到不同垂直高度h处的光束的光谱数据。本发明主要应用于拉曼光谱检测。

Description

基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法。

背景技术

拉曼光谱属于分子光谱，基于拉曼散射效应，通过激发光照射到物质上发生光子与分子间能量交换而产生的具有特征频移的非弹性散射，表征物质分子的振动能级或者转动能级的特征变化，从而区分不同的物质分子基团的振动形式或者转动形式，识别物质的分子组成和结构，从定性的角度实现物质成分的检测。在此基础上，结合化学计量学的方法，实现物质成分含量信息的准确测定，从定量的角度实现物质成分的检测。随着激光技术和计算机技术的不断发展，拉曼光谱检测技术日益成熟，体现出显著的优势，包括：实现无损检测，适合黑色样品和含水样品的检测，适应高温、低温和高压等复杂、恶劣的检测环境，检测过程快速、简便、实时等。因此，拉曼光谱检测技术成为医学和药学、化学和材料科学、食品科学、环境保护、地质考古、刑侦鉴定等领域中一种可靠的检测方法。

拉曼光谱数据是实现拉曼光谱检测技术的基础，其质量决定着检测结果的可靠与否，然而，在拉曼光谱数据的采集过程中往往会伴随着强烈的背景噪声干扰，因此，需要对采集到的拉曼光谱数据进行预处理，去除背景噪声。目前，背景噪声的去除主要是基于一维拉曼光谱数据的预处理，主要方法包括：数字平滑滤波，去除高频随机噪声的干扰；多项式拟合基线校正，去除低频噪声的干扰；小波变换，通过其多分辨率的特性实现噪声的去除；高通、低通滤波法等。由于一维拉曼光谱数据仅仅记录波长维度的光强信息，将待分析的拉曼光谱信号和背景噪声干扰叠加混合在一起，造成对一维拉曼光谱数据的预处理在去除背景噪声的同时难免会丢失部分有用的拉曼光谱信号，影响后续的信息提取的准确性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离。在此基础上，根据提取的纯背景光谱数据，有效地去除夹杂在拉曼光谱数据中的背景噪声，提高信噪比，并且保护拉曼光谱信息的完整性。本发明采用的技术方案是，基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，步骤如下：

1.在阵列式检测器感应面处划分拉曼散射光检测区域和背景光检测区域，其中，拉曼散射光检测区域是指拉曼散射光能够到达的检测器感应面区域，不仅检测到拉曼散射光，而且检测到背景光，该区域获取的是夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据；背景光检测区域是指只有背景光能够到达的检测器感应面区域，该区域获取的是纯背景光谱数据；

2.二维光谱数据是由阵列式检测器采集的沿波长维度和一维空间维度两个维度变化的光强数据组成的，其中，阵列式检测器感应面的横轴对应波长维度，具体是指波长λ的变化方向；纵轴对应空间维度，具体是指垂直高度h的变化方向；

3.当拉曼散射光束和背景光束经过分光元件后，不同波长的光束沿阵列式检测器感应面的横轴方向入射到感应面的不同位置，沿横轴方向的每一行像素记录的一组光强数据构成了入射到某一垂直高度h处的拉曼散射光束或背景光束的一维光谱数据，仅记录了沿波长维度的光强变化信息；

4.通过记录入射到不同垂直高度h处的光束的光谱数据，增加了一维空间维度的光强变化信息，构成了二维光谱数据，获取纯背景光谱数据，实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离。

获取纯背景光谱数据是，由于待检测的拉曼散射光束具有较小的尺寸，小于阵列式检测器感应面沿纵轴方向的宽度，因而，在某些垂直高度h处，存在只有背景光能够到达的检测器感应面区域，在垂直高度h处获取纯背景光谱数据。

拉曼散射光检测区域沿波长λ递增方向呈扩展趋势，表现为像素行数b1<a1<a2<b2,因为光学系统存在色差，造成不同波长的光束具有不同的成像位置和成像大小，其中，波长较长的拉曼散射光束在检测器感应面处能够被较多的像素检测到，为了更好地保留拉曼散射光信息，以b1行至b2行像素区域作为拉曼散射光检测区域。

拉曼散射光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加，构成夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)；

背景光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加并平均，构成单行像素检测平均纯背景光谱数据IN,AVG(λ)，由于拉曼散射光检测区域包括(b2-b1+1)行像素，则整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)＝(b2-b1+1)IN,AVG(λ)；

夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)与整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)按波长λ对应相减，获得去除背景噪声的拉曼光谱数据I(λ)：

I(λ)＝IS(λ)-IN,TOTAL(λ)＝IS(λ)-(b2-b1+1)IN,AVG(λ)。

本发明的特点及有益效果是：

本发明通过在波长维度的基础上增加空间维度(一维)的光强变化信息构成二维拉曼光谱数据，可以实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离，从而有效地去除夹杂在拉曼光谱数据中的背景噪声，提高信噪比，并且保护拉曼光谱信息的完整性。

附图说明：

图1是本发明提供的阵列式检测器同时检测拉曼散射光和背景光的示意图。

其中，横轴表示波长维度，从左到右，波长λ呈递增趋势；纵轴表示空间维度(一维)，具体指垂直高度h，从上到下，垂直高度h呈递减趋势。

其中，行序号i＝1,2,…,n和列序号j＝1,2,…,m用于确定阵列式检测器中的每一个像素，表示为(i,j)，阵列式检测器左上角像素表示为(1,1)，总像素数为n×m。

具体实施方式

本发明旨在一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，利用阵列式检测器，在波长维度的基础上增加空间维度(一维)的光强变化信息。由于拉曼散射光只能入射到阵列式检测器的部分区域，在感应面上会存在独立的背景光检测区域，从而实现拉曼光谱信号和纯背景噪声信号在空间维度的分离。因此，可以获取背景光的光谱检测数据，再根据背景光的光谱数据去除夹杂在拉曼光谱数据中的背景噪声干扰，不仅保护拉曼光谱信息的完整性，而且有效地抑制背景噪声的干扰，提高信噪比，为后续的信息提取提供可靠的拉曼光谱数据。本发明的技术方案如下：

5.本发明提供的阵列式检测器同时检测拉曼散射光和背景光的具体方式是：在阵列式检测器感应面处划分拉曼散射光检测区域和背景光检测区域，其中，拉曼散射光检测区域是指拉曼散射光能够到达的检测器感应面区域，不仅检测到拉曼散射光，而且检测到背景光，该区域获取的是夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据；背景光检测区域是指只有背景光能够到达的检测器感应面区域，该区域获取的是纯背景光谱数据。

6.二维光谱数据是由阵列式检测器采集的沿波长维度和空间维度(一维)两个维度变化的光强数据组成的，其中，阵列式检测器感应面的横轴对应波长维度，具体是指波长λ的变化方向；纵轴对应空间维度，具体是指垂直高度h的变化方向。

7.当拉曼散射光束和背景光束经过分光元件后，不同波长的光束沿阵列式检测器感应面的横轴方向入射到感应面的不同位置。沿横轴方向的每一行像素记录的一组光强数据构成了入射到某一垂直高度h处的拉曼散射光束或背景光束的一维光谱数据，仅记录了沿波长维度的光强变化信息。

8.通过记录入射到不同垂直高度h处的光束的光谱数据，增加了空间维度(一维)的光强变化信息，构成了二维光谱数据，体现了拉曼散射光与背景光在阵列式检测器感应面的分布特点。由于待检测的拉曼散射光束具有较小的尺寸，小于阵列式检测器感应面沿纵轴方向的宽度，因而，在某些垂直高度h处，存在只有背景光能够到达的检测器感应面区域，可以获取纯背景光谱数据，实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离，为拉曼光谱背景噪声的去除提供可以参照的背景噪声光谱数据。

本发明提出了一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，针对基于一维光谱数据的背景噪声去除方法在去除背景噪声的同时难免会丢失部分有用的拉曼光谱信号的问题，提出了基于由阵列式检测器采集的沿波长维度和空间维度(一维)两个维度变化的光强数据组成的二维光谱数据的背景噪声去除方法，结合附图，详细说明如下。此处所描述的主要是一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法的实现方法。

图1示出了本发明提供的阵列式检测器同时检测拉曼散射光和背景光的示意图，详述如下。

拉曼散射光束和背景光束经过分光元件后，按照波长的不同沿阵列式检测器感应面的横轴方向，即波长维度，入射到阵列式检测器感应面的不同位置。每一行像素检测到的光强数据构成了入射到对应垂直高度h处的拉曼散射光束或背景光束的光谱数据。h的具体范围与拉曼散射光入射到阵列式检测器的具体区域有关。通常，拉曼散射光入射到阵列式检测器的中部区域，那么“某些垂直高度h”在阵列式检测器的两侧区域，不存在拉曼散射光入射的区域。

由于待检测的拉曼散射光束具有较小的尺寸，小于阵列式检测器感应面纵轴方向的宽度，因而，沿垂直高度h方向，即空间维度(一维)，阵列式检测器感应面被划分为“背景光检测区域+拉曼散射光检测区域+背景光检测区域”的布局，其中，背景光检测区域只能检测到背景光，拉曼散射光检测区域同时检测到拉曼散射光和背景光。

a1、a2与b1、b2均用于表示拉曼散射光入射到阵列式检测器的具体区域，由于光学系统存在色差，导致了拉曼散射光检测区域沿波长λ递增方向呈扩展趋势的现象，具体表现为像素行数b1<a1<a2<b2。因为光学系统存在色差，造成不同波长的光束具有不同的成像位置和成像大小，其中，波长较长的拉曼散射光束在检测器感应面处能够被较多的像素检测到。为了更好地保留拉曼散射光信息，可以以b1行至b2行像素区域作为拉曼散射光检测区域。

拉曼散射光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加，构成夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)。

背景光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加并平均，构成单行像素检测平均纯背景光谱数据IN,AVG(λ)，由于拉曼散射光检测区域包括(b2-b1+1)行像素，则整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)＝(b2-b1+1)IN,AVG(λ)。

夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)与整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)按波长λ对应相减，可以获得去除背景噪声的拉曼光谱数据I(λ)，I(λ)＝IS(λ)-IN，TOTAL(λ)＝IS(λ)-(b2-b1+1)IN，AVG(λ)。

Claims (2)

1.一种基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，其特征是，步骤如下：

1)在阵列式检测器感应面处划分拉曼散射光检测区域和背景光检测区域，其中，拉曼散射光检测区域是指拉曼散射光能够到达的检测器感应面区域，不仅检测到拉曼散射光，而且检测到背景光，该区域获取的是夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据；背景光检测区域是指只有背景光能够到达的检测器感应面区域，该区域获取的是纯背景光谱数据；

2)二维光谱数据是由阵列式检测器采集的沿波长维度和一维空间维度两个维度变化的光强数据组成的，其中，阵列式检测器感应面的横轴对应波长维度，具体是指波长λ的变化方向；纵轴对应空间维度，具体是指垂直高度h的变化方向；

3)当拉曼散射光束和背景光束经过分光元件后，不同波长的光束沿阵列式检测器感应面的横轴方向入射到感应面的不同位置，沿横轴方向的每一行像素记录的一组光强数据构成了入射到某一垂直高度h处的拉曼散射光束或背景光束的一维光谱数据，仅记录了沿波长维度的光强变化信息；

4)通过记录入射到不同垂直高度h处的光束的光谱数据，增加了一维空间维度的光强变化信息，构成了二维光谱数据，获取纯背景光谱数据，实现拉曼光谱数据和纯背景光谱数据在空间维度的分离；

拉曼散射光检测区域沿波长λ递增方向呈扩展趋势，表现为像素行数b1<a1<a2<b2,因为光学系统存在色差，造成不同波长的光束具有不同的成像位置和成像大小，其中，波长较长的拉曼散射光束在检测器感应面处能够被较多的像素检测到，为了更好地保留拉曼散射光信息，以b1行至b2行像素区域作为拉曼散射光检测区域；

拉曼散射光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加，构成夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)；

背景光检测区域的每行像素检测到的光强数据按波长λ对应叠加并平均，构成单行像素检测平均纯背景光谱数据IN,AVG(λ)，由于拉曼散射光检测区域包括(b2-b1+1)行像素，则整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)＝(b2-b1+1)IN,AVG(λ)；

夹杂着背景噪声的拉曼光谱数据IS(λ)与整体纯背景光谱数据IN,TOTAL(λ)按波长λ对应相减，获得去除背景噪声的拉曼光谱数据I(λ)：

I(λ)＝IS(λ)-IN,TOTAL(λ)＝IS(λ)-(b2-b1+1)IN,AVG(λ)。

2.如权利要求1所述的基于二维光谱数据的拉曼光谱背景噪声去除方法，其特征是，获取纯背景光谱数据是，由于待检测的拉曼散射光束具有较小的尺寸，小于阵列式检测器感应面沿纵轴方向的宽度，因而，在某些垂直高度h处，存在只有背景光能够到达的检测器感应面区域，在垂直高度h处获取纯背景光谱数据。