CN105784637B - 标识光谱差异性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种标识光谱差异性的方法，该方法为将谱图定义多个不同尺度的移动窗口；在每个尺度下，计算窗口内互相比对的光谱的向量夹角值，通过移动窗口，得到整个光谱范围的系列夹角值；再调整窗口大小，从而得到各个尺度下的完整谱线差异；然后，考察谱线不同位置和尺度的差异分布，由差异分布判断谱线的一致性。本发明通过判断测量光谱与标准光谱的一致性，可以实现近红外光谱的定性判断，所用设备简单，成本低，而且增强了辨识的合理性，方法简便直观，便于理解。

Description

标识光谱差异性的方法
技术领域
本发明涉及光谱学及仪器分析领域，特别是一种标识光谱差异性的方法。
背景技术
光谱是一种表达物质特性的手段，通常中红外、拉曼等包含的清晰特征峰会被用来进行物质定性。但是近红外光谱通常缺乏清晰的特征峰，影响到定性的准确性。目前，近红外定性多采用模式识别方法，通过较为笼统的相关系数、夹角余弦值等相似系数判别。
由于近红外光谱特征不显著，仪器响应差异也会引起既有相似系数缺乏特异性。
以图中所示谱线为例，图1是样本1在低光度值的谱线，图2是样本1叠加了一个其他响应峰（即样本2）的谱线，图3是仪器在大响应值下样本1的谱线，图4是将三张谱线放在一起进行对比，为了对比将图3的响应值按比例做了缩小，在该图4中，y1所示的谱线为样本1的谱线，y2所示的谱线为样本1的谱线，y3所示的谱线为样本1大响应值按比例缩小的谱线。由图中可以看出三条谱线不一致，图2与图1的差异由不同样本导致，而图3与图1是同一样本，由于仪器的非线性响应导致。
图1与图2的相关系数为0.9991，图1与图3的相关系数为0.9981，同一台光谱仪对同一样本的响应差异大于不同样本的响应差异。如果以相关系数度量光谱一致性，根据相关系数判断，将得到不合理的结论。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种标识光谱差异性的方法，以实现近红外光谱的定性判断。
解决上述技术问题的技术方案是：一种标识光谱差异性的方法，该方法为将谱图定义多个不同尺度的移动窗口；在每个尺度下，计算窗口内互相比对的光谱的向量夹角值，通过移动窗口，得到整个光谱范围的系列夹角值；再调整窗口大小，从而得到各个尺度下的完整谱线差异；然后，考察谱线不同位置和尺度的差异分布，由差异分布判断谱线的一致性。
本发明的进一步技术方案是：该方法包括以下步骤：
S1. 选择被比较的两个谱图；
S2.根据谱图所包含的数据点数，分别以总数据点数的1/2、1/4、1/8、……、1/2n分割，最小尺度的移动窗口内包含8至10个数据点，定义不同尺度下的移动窗口大小；
S3.从最小尺度的移动窗口开始，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角；
S4.将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端；
S5. 将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp；
S6.选择下一尺度的移动窗口，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角，将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端，将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp，重复步骤S6的以上操作，直至所有大小的移动窗口都完成计算，得到一个完整光谱在不同尺度下的向量夹角数据序列Sall；
S7.计算数据序列Sall的方差值D；
S8.将方差值D除以π/2，得到光谱差异系数τ ；
S9.根据光谱差异系数τ判断两个谱图的相似度：光谱差异系数τ的值介于0和1之间，它越趋近于0，代表被比较的两个谱图越相似；光谱差异系数τ趋近于1，表明两个谱图的差异越大。
本发明的再进一步技术方案是：在步骤S１中，选择的谱图要求谱图的横坐标一致，也就是对应的数据点处于相同的波长。
由于采用上述结构，本发明之标识光谱差异性的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
１.可实现近红外光谱的定性判断：
由于本发明是将谱图定义多个不同尺度的移动窗口；在每个尺度下，计算窗口内互相比对的光谱的向量夹角值，通过移动窗口，得到整个光谱范围的系列夹角值；再调整窗口大小，从而得到各个尺度下的完整谱线差异；然后，考察谱线不同位置和尺度的差异分布，由差异分布判断谱线的一致性。因此，本发明通过判断测量光谱与标准光谱的一致性，可以实现近红外光谱的定性判断。
２．所用设备简单：
本发明无需复杂的设备，成本较低。
３. 增强了辨识的合理性：
从图5-图7的角度序列图可以看出，本发明加入了细节辨识，将原来采用粗略的相关系数整体辨识转化增加了细节辨识，有效增强了辨识的合理性。
４. 方法简便直观，便于理解：
由于向量间的夹角越大，相似性越低，其最大值是π/2，最小值为0。本发明将角度序列方差值归一至光谱差异系数τ，根据光谱差异系数τ判断两个谱图的相似度：光谱差异系数τ的值介于0和1之间，它越趋近于0，代表被比较的两个谱图越相似；光谱差异系数τ趋近于1，表明两个谱图的差异越大。因此，本方法比较简便直观，也便于理解。
下面，结合附图和实施例对本发明之标识光谱差异性的方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：样本1在低光度值的谱线，
图2：样本1叠加了一个其他响应峰（即样本2）的谱线，
图3：仪器在大响应值下样本1的谱线，
图4：三条谱线的对比图，
图5：图1和图2的移动窗口夹角序列值，
图6：图1和图3的移动窗口夹角序列值，
图7：图2和图3的移动窗口夹角序列值。
具体实施方式
一种标识光谱差异性的方法，该方法为将谱图定义多个不同尺度的移动窗口；在每个尺度下，计算窗口内互相比对的光谱的向量夹角值，通过移动窗口，得到整个光谱范围的系列夹角值；再调整窗口大小，从而得到各个尺度下的完整谱线差异；然后，考察谱线不同位置和尺度的差异分布，由差异分布判断谱线的一致性。
该方法包括以下步骤：
S1. 选择被比较的两个谱图，选择的谱图要求谱图的横坐标一致，也就是对应的数据点处于相同的波长；
S2.根据谱图所包含的数据点数，分别以总数据点数的1/2、1/4、1/8、……、1/2n分割，最小尺度的移动窗口内包含8至10个数据点，定义不同尺度下的移动窗口大小；
S3.从最小尺度的移动窗口开始，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角；
S4.将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端；
S5. 将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp；
S6.选择下一尺度的移动窗口，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角，将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端，将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp，重复步骤S6的以上操作，直至所有大小的移动窗口都完成计算，得到一个完整光谱在不同尺度下的向量夹角数据序列Sall；
S7.计算数据序列Sall的方差值D；
S８.将方差值D除以π/2，得到光谱差异系数τ ；
S９.根据光谱差异系数τ判断两个谱图的相似度：光谱差异系数τ的值介于0和1之间，它越趋近于0，代表被比较的两个谱图越相似；光谱差异系数τ趋近于1，表明两个谱图的差异越大。
以下是具体的实施案例：
实施例一：
S1.先择图1、图2、图3所示的三张谱图，分别比较图1与图2，图1与图3，图2与图3的差异；
S2. 图1、图2、图3中分别含有1026个数据点，分别取8、16、32、64、128、256、512个数据点的移动窗口；
S3. 自谱图的左端，计算8个数据点移动窗口内的两条谱线的向量夹角；
S4.移动窗口移至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口到达谱图的右端；
S5. 将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp；
S6.增大数据窗口，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角，将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端，将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp，重复步骤S6的以上操作；直至所有大小的数据窗口计算完成；将Stemp输出为Sall，得到一个有关向量夹角的数据序列Sall；
S7.计算数据序列Sall的方差值D；
S8.将方差值D除以π/2，得到光谱差异系数分别为：τ13=0.0177 ，τ12=0.1257，τ32=0.1227；
S9. 根据光谱差异系数τ判断相似度：
由光谱差异系数τ13=0.0177 ，τ12=0.1257，τ32=0.1227可看出，同一样本谱图1和图3之间的差异，显著小于与不同样本的谱图2的差异，推断出图1与图3为同一样本光谱。

Claims (2)

1.一种标识光谱差异性的方法，其特征在于：该方法为将谱图定义多个不同尺度的移动窗口；在每个尺度下，计算窗口内互相比对的光谱的向量夹角值，通过移动窗口，得到整个光谱范围的系列夹角值；再调整窗口大小，从而得到各个尺度下的完整谱线差异；然后，考察谱线不同位置和尺度的差异分布，由差异分布判断谱线的一致性；该方法包括以下步骤：
S1. 选择被比较的两个谱图；
S2.根据谱图所包含的数据点数，分别以总数据点数的1/2、1/4、1/8、……、1/2n分割，最小尺度的移动窗口内包含8至10个数据点，定义不同尺度下的移动窗口大小；
S3.从最小尺度的移动窗口开始，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角；
S4.将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端；
S5. 将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp；
S6. 选择下一尺度的移动窗口，从谱图左端移动，计算移动窗口内两条谱图的向量夹角，将移动窗口移动至下一点，计算向量夹角，直至移动窗口移至谱图右端，将移动窗口移动计算得到的向量夹角保存至数据序列Stemp，重复步骤S6的以上操作，直至所有大小的移动窗口都完成计算，得到一个完整光谱在不同尺度下的向量夹角数据序列Sall；
S7.计算数据序列Sall的方差值D；
S8.将方差值D除以π/2，得到光谱差异系数τ ；
S9.根据光谱差异系数τ判断两个谱图的相似度：光谱差异系数τ的值介于0和1之间，它越趋近于0，代表被比较的两个谱图越相似；光谱差异系数τ趋近于1，表明两个谱图的差异越大。
2.根据权利要求1所述的标识光谱差异性的方法，其特征在于：在步骤S1中，选择的谱图要求谱图的横坐标一致，也就是对应的数据点处于相同的波长。
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