CN107576645A - 一种拉曼光谱提取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种拉曼光谱提取系统及方法。其中，所述系统包括分别与第一激光器和第二激光器相连的激光器驱动单元、第一激光器、第二激光器、第一激光准直器、第二激光准直器、Y型光纤、第一滤光单元、微量取样池、第二滤光单元、微型光谱仪和上位机，第一滤光单元通过Y型光纤分别与第一激光准直器和第二激光准直器相连；微量取样池通过入射光纤与第一滤光单元相连，通过出射光纤与第二滤光单元相连，微量取样池获取被检测样品；微型光谱仪接收经过第二滤光单元滤光后的背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息；上位机根据拉曼散射信息获得拉曼光谱。本发明提供的拉曼光谱提取系统及方法，提高了拉曼光谱获取的准确性。

Description

一种拉曼光谱提取系统及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种拉曼光谱提取系统及方法。

背景技术

拉曼光谱是一种分子振动和转动光谱，激发光子与分子通过相互作用产生表征分子振动或转动能级差的特征频移，由此可判断出分子中所含有的化学键或官能团，从而得到分子结构或成分的信息，每种物质都有对应的“指纹”拉曼光谱，因而拉曼光谱在光谱学大家族中占着重要地位。目前，拉曼光谱已经广泛应用于化学、生物医学、材料、环保、安检和考古等领域。随着激光技术和信号检测技术的发展，拉曼光谱技术在当代工农业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用。

拉曼信号的强度与激发波长的关系为1/λ⁴。所以短波激光器激发产生的拉曼信号更强，但是导致的荧光干扰也更为严重，使得拉曼峰难以辨识。长波长激光器虽然能够很大程度上抑制荧光，但是当拉曼散射信号的波长大于1060nm时，近红外增强型背照CCD获得的光量子效率接近零，对于拉曼光谱在2700-3300cm-1内的化合物中的CH/OH/NH的伸缩振动已经无法检测。傅里叶拉曼光谱仪包括典型的中心波长为1064nm的激光器、锗或铟镓砷检测器和干涉仪，尽管能够检测完整的拉曼光谱，但是需要超高的拉曼激发光功率，而且被测样品存在被灼烧的风险。另外锗或铟镓砷探测器不具有散粒噪声限制，与CCD检测器相比，传递的拉曼光谱信噪比偏差大且积分时间太长。除此之外，便携式拉曼光谱仪存在着光谱分辨率低的问题。光谱分辨率是指检测器在波长方向上的记录宽度，受限于CCD检测器的尺寸，一般为了观察高分辨率的拉曼指纹区域和被检测化合物中CH/OH/NH伸缩区域，要求集成大幅面CCD检测器，增加了昂贵和复杂的光学设计费用。

因此，如何提出一种拉曼光谱提取系统，能够减少荧光干扰，提高拉曼光谱获取的准确性成为业界亟待解决的重要课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种拉曼光谱提取系统及方法。

一方面，本发明提出一种拉曼光谱提取系统，包括激光器驱动单元、第一激光器、第二激光器、第一激光准直器、第二激光准直器、Y型光纤、第一滤光单元、微量取样池、第二滤光单元、微型光谱仪和上位机，其中：

所述激光驱动单元分别与所述第一激光器和所述第二激光器相连，所述第一滤光单元通过所述Y型光纤分别与所述第一激光准直器和所述第二激光准直器相连；所述微量取样池通过入射光纤与所述第一滤光单元相连，并通过出射光纤与所述第二滤光单元相连，所述微量取样池用于获取被检测样品；其中，所述第一激光器的中心波长为785纳米，所述第二激光器的中心波长为852纳米；

所述激光驱动单元用于驱动所述第一激光器或所述第二激光器产生拉曼激发光，所述第一激光器产生的拉曼激发光通过所述第一激光准直器进入所述Y型光纤，所述第二激光器产生的拉曼激发光通过所述第二激光准直器进入所述Y型光纤，所述拉曼激发光通过所述Y型光纤传输至所述第一滤光单元，在经过所述第一滤光单元带通滤波处理后，通过所述入射光纤传输至所述微量取样池，照射到所述微量取样池内的所述被检测样品后产生拉曼散射，所述拉曼散射产生的背向拉曼散射光被所述出射光纤传输至所述第二滤光单元；所述微型光谱仪接收经过所述第二滤光单元滤光后的所述背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息；所述上位机根据所述拉曼散射信息获得拉曼光谱。

其中，所述第一激光器和所述第二激光器采用体布拉格激光器芯片，所述拉曼激发光的激光线宽小于10MHz。

其中，所述第一激光准直器和所述第二激光准直器包括非球面透镜。

其中，所述第一滤光单元包括第一直联式滤光片架和双通道陷波滤光片，所述双通道陷波滤光片设置在所述第一直联式滤光片架内，用于对所述拉曼激发光进行带通滤波处理。

其中，所述第二滤光单元包括第二直联式滤光片架和长通滤光片，所述长通滤光片设置在所述第二直联式滤光片架内，用于对所述背向拉曼散射光进行滤波。

其中，所述微量取样池包括所述入射光纤、玻璃腔体、推杆，液芯光纤波导和所述出射光纤，所述玻璃腔体内设置所述推杆，所述推杆与所述玻璃腔体的内壁密封接触，可以相对所述玻璃腔体做活塞运动，所述入射光纤和所述出射光纤设置在所述推杆上，所述液芯光纤波导设置在与所述推杆相对的所述玻璃腔体的另一端，所述液芯光纤波导将所述被测样品吸入到所述玻璃腔体内。

另一方面，本发明提供一种拉曼光谱提取方法，采用上述任一实施例所述的拉曼光谱提取系统，包括：

根据预设操作流程获取两组拉曼光谱；

分别对所述两组拉曼光谱进行重建处理，获得两组修正拉曼光谱；

将所述两组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。

本发明提供的拉曼光谱提取系统及方法，通过激光驱动单元驱动第一激光器或第二激光器产生拉曼激发光，第一激光器产生的拉曼激发光通过第一激光准直器进入Y型光纤，第二激光器产生的拉曼激发光通过第二激光准直器进入Y型光纤，拉曼激发光通过Y型光纤传输至第一滤光单元，在经过第一滤光单元带通滤波处理后，通过入射光纤传输至微量取样池，照射到微量取样池内的被检测样品后产生拉曼散射，拉曼散射产生的背向拉曼散射光被出射光纤传输至第二滤光单元，微型光谱仪接收经过第二滤光单元滤光后的背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，上位机根据上述拉曼散射信息获得拉曼光谱，能够减少荧光干扰，提高了拉曼光谱获取的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例拉曼光谱提取系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例拉曼光谱提取系统的微量取样池的结构示意图；

图3为本发明一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图；

图4为本发明一实施例拉曼光谱提取方法的预设操作流程的示意图；

图5为本发明另一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图；

图6a-6c为本发明一实施例的拉曼光谱重建处理的模拟效果图；

图7为本发明又一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图；

图8为本发明一实施例两组修正拉曼光谱示意图；

图9为本发明一实施例合成拉曼光谱示意图；

附图标记说明：

1-激光器驱动单元； 2-第一激光器；

3-第二激光器； 4-第一激光准直器；

5-第二激光准直器； 6-Y型光纤；

7-第一滤光单元； 8-微量取样池；

9-被检测样品； 10-第二滤光单元；

11-微型光谱仪； 12-上位机；

81-入射光纤； 82-出射光纤；

83-推杆； 84-玻璃腔体；

85-液芯光纤波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一实施例拉曼光谱提取系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的拉曼光谱提取系统，包括激光器驱动单元1、第一激光器2、第二激光器3、第一激光准直器4、第二激光准直器5、Y型光纤6、第一滤光单元7、微量取样池8、第二滤光单元10、微型光谱仪11和上位机12，其中：

激光驱动单元1分别与第一激光器2和第二激光器相连3，第一滤光单元7通过Y型光纤6分别与第一激光准直器4和第二激光准直器5相连，Y型光纤6的输出端与第一滤光单元7相连；微量取样池8通过入射光纤与第一滤光单元7相连，并通过出射光纤与第二滤光单元10相连，微量取样池8用于获取被检测样品9；其中，第一激光器2的中心波长为785纳米，第二激光器3的中心波长为852纳米；

激光驱动单元1用于驱动第一激光器2或第二激光器3产生拉曼激发光，第一激光器2产生的拉曼激发光通过第一激光准直器4进入Y型光纤6，第二激光器3产生的拉曼激发光通过第二激光准直器5进入Y型光纤6，所述拉曼激发光通过Y型光纤6传输至第一滤光单元7，在经过第一滤光单元7带通滤波处理后，通过入射光纤传输至微量取样池8，照射到微量取样池8内的被检测样品9后产生拉曼散，所述拉曼散射产生的背向拉曼散射光被所述出射光纤传输至第二滤光单元10；微型光谱仪11接收经过第二滤光单元10滤光后的所述背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息；上位机12根据所述拉曼散射信息获得拉曼光谱。其中，上位机12采用便携式计算机，例如笔记本电脑。上位机12采用便携式计算机，便于移动。

其中，激光器驱动单元1通过电流-温度驱动第一激光器2或第二激光器3产生所述拉曼激发光，激光器驱动单元1可以依次驱动第一激光器2和第二激光器3产生序列拉曼激发光。第一激光器2产生的拉曼激发光通过第一激光准直器4准直后，耦合进入Y型光纤6，第二激光器3产生的拉曼激发光通过第二激光准直器5准直后，耦合进入Y型光纤6。第一滤光单元7对所述拉曼激发光进行带通滤波处理，仅通过半高宽(Full Width at HalfMaximum，以下简称FWHM)为5nm的785nm和852nm两个光谱区间的拉曼激发光。其中，第一激光器2和第二激光器3的温度调谐系数为0.074nm/K。

其中，第二滤光单元10可以通过光纤将经过滤光后的所述背向拉曼散射光传输到微型光谱仪11的狭缝，所述微型光谱仪11对上述背向拉曼散射光进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，并将所述拉曼散射信息上传至上位机12。上位机12接收到所述拉曼散射信息后，根据所述拉曼散射信息获得拉曼光谱。可理解的是，上位机12可以将源自于第一激光器2在不同温度产生的拉曼激发光的多个拉曼光谱组合成一组拉曼光谱，上位机12可以将源自于第二激光器3在不同温度产生的拉曼激发光的多个拉曼光谱组合成另一组拉曼光谱，上位机12可以分别对两组拉曼光谱进行重建，获得两组修正拉曼光谱，然后将所述两组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。所述合成拉曼光谱的具体获得过程参见下文拉曼光谱提取方法的具体描述，此处不进行赘述。

本发明提供的拉曼光谱提取系统，通过激光驱动单元驱动第一激光器或第二激光器产生拉曼激发光，第一激光器产生的拉曼激发光通过第一激光准直器进入Y型光纤，第二激光器产生的拉曼激发光通过第二激光准直器进入Y型光纤，拉曼激发光通过Y型光纤传输至第一滤光单元，在经过第一滤光单元带通滤波处理后，通过入射光纤传输至微量取样池，照射到微量取样池内的被检测样品后产生拉曼散射，拉曼散射产生的背向拉曼散射光被出射光纤传输至第二滤光单元，微型光谱仪接收经过第二滤光单元滤光后的背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，上位机根据上述拉曼散射信息获得拉曼光谱，能够减少荧光干扰，提高了拉曼光谱获取的准确性。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一激光器2和第二激光器3采用体布拉格激光器芯片，第一激光器2产生的拉曼激发光的激光线宽小于10MHz，第二激光器3产生的拉曼激发光的激光线宽小于10MHz。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一激光准直器4和第二激光准直器包括非球面透镜，所述非球面透镜用于将所述拉曼激发光聚焦于Y型光纤6的输入端。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一滤光单元7包括第一直联式滤光片架和双通道陷波滤光片，所述第一直连式滤光片架的输入端可以通过SMA905光纤接头与Y型光纤6的输出端相连，所述第一直连式滤光片架的输出端可以通过SMA905光纤接头与微量取样池8的输入光纤相连，所述双通道陷波滤光片设置在所述第一直联式滤光片架内，用于对所述拉曼激发光进行带通滤波处理。其中，所述双通道陷波滤光片仅通过FWHM为5nm的785nm和852nm两个光谱区间的拉曼激发光。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第二滤光单元10包括第二直联式滤光片架和长通滤光片，所述第二直联式滤光片架的输入端可以通过SMA905光纤接头与微量取样池8的输出光纤相连，所述第二直联式滤光片架的输出端可以通过SMA905光纤接头与所述光纤相连，所述光纤将经过所述长通滤光片滤光后的所述背向拉曼散射光传输到微型光谱仪11的狭缝，所述长通滤光片设置在所述第二直联式滤光片架内。其中，所述长通滤光片用于滤除微量取样池8传递来的所述背向拉曼散射光中的瑞利散射和受激反斯托克斯谱，所述长通滤光片的激光衰减(O.D.)>5，可通过波长大于865nm。

图2为本发明一实施例拉曼光谱提取系统的微量取样池的结构示意图，如图2所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，微量取样池8包括入射光纤81、玻璃腔体84、推杆83，液芯光纤波导85和出射光纤82，玻璃腔体84内设置推杆83，推杆83与玻璃腔体84的内壁密封接触，可以相对玻璃腔体84做活塞运动，入射光纤81和出射光纤82设置在推杆83上，液芯光纤波导85设置在与推杆83相对的玻璃腔体84的另一端，微量取样池8可以利用推杆83的活塞运动，通过液芯光纤波导85将所述被测样品吸入到玻璃腔体84内。通过入射光纤81进入到玻璃腔体内84的所述拉曼激发光照射到所述被测样品后发生拉曼散射，出射光纤82将收集到的所述背向拉曼散射光传输至第二滤光单元10。第二滤光单元10用于滤除所述背向拉曼散射光中的瑞利散射和受激反斯托克斯谱。其中，微量取样池8可以选用现有产品。

图3为本发明一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图，如图3所示，本发明提供的采用上述任一实施例所述的拉曼光谱提取系统的拉曼光谱提取方法，包括：

S301、根据预设操作流程获取两组拉曼光谱；

具体地，根据预设操作流程，上位机基于在不同温度下第一激光器产生的拉曼激发光与所述被检测样品，获得与所述每个温度对应的拉曼光谱，将上述多个拉曼光谱组合获得第一组拉曼光谱；所述上位机基于在所述不同温度下第二激光器产生的拉曼激发光与所述被检测样品，获得与所述每个温度对应的拉曼光谱，将上述多个拉曼光谱组合获得第二组拉曼光谱。

S302、分别对所述两组拉曼光谱进行重建处理，获得两组修正拉曼光谱；

具体地，所述上位机对所述第一组拉曼光谱进行重建处理，获得第一组修正拉曼光谱；所述上位机对所述第二组拉曼光谱进行重建处理，获得第二组修正拉曼光谱。

S303、将所述两组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。

具体地，所述上位机在获得所述第一组修正拉曼光谱和所述第二组修正拉曼光谱后，根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼位移，确定所述两组拉曼光谱的衔接点，然后根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼强度，计算光谱的缩放因子，再根据所述衔接点和所述缩放因子将所述第一组修正拉曼光谱和所述第二组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。所述合成拉曼光谱能够覆盖所述被检测样品的全部拉曼振动基频，避免荧光干扰，提高了所述被检测样品的拉曼光谱的分辨率。

本发明提供的拉曼光谱提取方法，通过激光驱动单元驱动第一激光器或第二激光器产生拉曼激发光，第一激光器产生的拉曼激发光通过第一激光准直器进入Y型光纤，第二激光器产生的拉曼激发光通过第二激光准直器进入Y型光纤，拉曼激发光通过Y型光纤传输至第一滤光单元，在经过第一滤光单元带通滤波处理后，通过入射光纤传输至微量取样池，照射到微量取样池内的被检测样品后产生拉曼散射，拉曼散射产生的背向拉曼散射光被出射光纤传输至第二滤光单元，微型光谱仪接收经过第二滤光单元滤光后的背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，上位机根据上述拉曼散射信息获得拉曼光谱，并对两组拉曼光谱进行处理获得合成拉曼光谱，能够减少荧光干扰，提高了拉曼光谱获取的准确性。

图4为本发明一实施例拉曼光谱提取方法的预设操作流程的示意图，如图4所示，在上述实施例的基础上，进一步地，所述根据预设操作流程获取两组拉曼光谱包括：

第一步、启动激光器驱动单元；

具体地，在使用本发明提供的拉曼光谱提取系统时，需要先开启激光器驱动单元，以便驱动所述第一激光器或所述第二激光器产生拉曼激发光。

第二步、调节第一激光器和第二激光器至初始工作温度，并通过微量取样池获取被检测样品；

具体地，在开启激光器驱动单元后，调节所述第一激光器和所述第二激光器至初始工作温度，所述初始工作温度范围为8-12℃，例如可以将初始工作温度设置为10℃，并将被检测样品抽到微量取样池内，所述被检测样品通过所述微量取样池的液芯光纤波导被抽取到所述微量取样池的玻璃腔体中。可理解的是，在使用所述第一激光器和所述第二激光器时，还需要进行常规的工作参数设置，例如将波长积分时间设置为500ms，所述工作参数可以根据实际情况进行设置，本发明实施例不做限定。

第三步、开启所述第一激光器进行一次拉曼光谱采集，获得第一组拉曼光谱的一个拉曼光谱，关闭所述第一激光器；

具体地，在设置完成所述第一激光器和所述第二激光器的所述工作参数并准备好所述被检测样品后，开启所述第一激光器，所述第一激光器产生的中心波长为785nm的拉曼激发光，通过第一激光准直器进入Y型光纤，然后通过所述Y型光纤传输至所述第一滤光单元，所述第一滤光单元对所述拉曼激发光进行带通滤波处理，通过所述第一滤光单元的所述拉曼激发光经过微量取样池的入射光纤进入所述微量取样池的玻璃腔体内，并照射到所述玻璃腔体内的所述第一个被检测样品，产生拉曼散射，所述微量取样池的出射光纤收集所述拉曼散射产生的背向拉曼散射光，并将所述背向拉曼散射光传输至第二滤光单元，所述第二滤光单元滤除所述背向拉曼散射光中的瑞利散射和受激反斯托克斯谱，经过所述第二滤光单元的所述背向拉曼散射光通过光纤传输至微型光谱仪的狭缝，所述微型光谱仪对上述背向拉曼散射光进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，并将所述拉曼散射信息上传至上位机。所述上位机接收到所述拉曼散射信息后，根据所述拉曼散射信息获得与所述初始温度对应的拉曼光谱，即第一组拉曼光谱的一个拉曼光谱，从而完成了所述第一激光器的一次拉曼光谱采集，然后关闭所述第一激光器。

第四步、开启所述第二激光器进行一次拉曼光谱采集，获得第二组拉曼光谱的一个拉曼光谱，关闭所述第二激光器；

具体地，在所述第一激光器完成一次拉曼光谱采集并关闭所述第一激光器后，开启所述第二激光器，所述第二激光器产生的中心波长为852nm的拉曼激发光，通过第二激光准直器进入所述Y型光纤，然后通过所述Y型光纤传输至所述第一滤光单元，所述第一滤光单元对所述拉曼激发光进行带通滤波处理，通过所述第一滤光单元的所述拉曼激发光经过所述微量取样池的入射光纤进入所述微量取样池的玻璃腔体内，并照射到所述玻璃腔体内的所述第一个被检测样品，产生拉曼散射，所述微量取样池的出射光纤收集所述拉曼散射产生的背向拉曼散射光，并将所述背向拉曼散射光传输至所述第二滤光单元，所述第二滤光单元滤除所述背向拉曼散射光中的瑞利散射和受激反斯托克斯谱，经过所述第二滤光单元的所述背向拉曼散射光通过光纤传输至微型光谱仪的狭缝，所述微型光谱仪对上述背向拉曼散射光进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息，并将所述拉曼散射信息上传至上位机。所述上位机接收到所述拉曼散射信息后，根据所述拉曼散射信息获得与所述初始温度对应的拉曼光谱，即第二组拉曼光谱的一个拉曼光谱，从而完成了所述第二激光器的一次拉曼光谱采集，然后关闭所述第二激光器。

第五步、调节所述第一激光器和所述第二激光器至下一个工作温度；

具体地，调节所述第一激光器和所述第二激光器至下一个工作温度，所述下一个工作温度大于当前工作温度且所述下一个工作温度与所述当前工作温度的差值为固定值，例如5℃，所述固定值根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定，可理解的是所述下一个工作温度不能大于所述第一激光器和所述第二激光器的工作温度。其中，每次进行所述拉曼光谱采集时需要调整所述第一激光器和所述第二激光器的工作温度，所述工作温度呈等差数列，例如，如果需要进行7次拉曼光谱采集，每次的工作温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃，相应地所述第一激光器输出的拉曼激发光的波长为783.89nm、784.26nm、784.63nm、785nm、785.37nm、785.74nm、786.11nm，852nm，所述第二激光器输出的拉曼激发光的波长为850.89nm、851.26nm、851.63nm、852nm、852.37nm、852.74nm、853.11nm。采用七个等间隔窄线宽波长顺序移频激发所述被检测样品。

第六步、若所述拉曼光谱采集的采集次数小于预设次数，重复第三步、第四步和第五步；

具体地，如果所述第一激光器和所述第二激光器分别进行的所述拉曼光谱采集的采集次数小于预设次数，重复第三步、第四步和第五步。其中，所述预设次数为6-9次。

第七步、若所述拉曼光谱采集次数等于所述预设次数，关闭所述激光器驱动单元。

具体地，当所述第一激光器和所述第二激光器完成所述预设次数的所述拉曼光谱采集时，获得了所述第一组拉曼光谱和所述第二组拉曼光谱，此时停止进行所述拉曼光谱采集，关闭所述激光器驱动单元。

图5为本发明另一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图，如图5所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，所述分别对所述两组拉曼光谱进行重建处理，获得两组修正拉曼光谱包括：

S2021、对一组所述拉曼光谱进行矩阵化，获得拉曼光谱矩阵；

具体地，所述上位机可以基于所述第一组拉曼光谱，获得拉曼光谱矩阵R_K×N，其中，K等于所述预设次数，N等于所述第一组拉曼光谱中每个拉曼光谱的光谱长度。

S2022、对所述拉曼光谱矩阵进行奇异值分解，获得第一主成分，根据所述第一主成分进行拉曼光谱重建，获得重建拉曼光谱；

具体地，所述上位机对所述拉曼光谱矩阵R_K×N进行奇异值分解(Singular ValueDecomposition，以下简称SVD)，即：

R_K×N＝TL'＝USV'

其中，L为载荷矩阵，代表R_K×N的协方差矩阵的特征值，载荷向量按照方差降序排列；T为得分矩阵，描述R_K×N中每一个拉曼光谱所需的每个主成分的权重，U和V为分别为K×N与N×K阶正交矩阵，S为N×N阶对角矩阵，且S＝diag(σ_i,σ₂,……,σ_r),σ_i>0(i＝1,…,r)，r＝rank(R_K×N)。由于第一主成分反映着移频激发波长对拉曼光谱的影响，其他主成分则独立于所述移频激发波长的改变，反映着激光器的随机噪声和受激荧光背景，因此，选择所述第一主成分进行拉曼光谱重建，获得重建拉曼光谱。

S2023、对所述重建拉曼光谱进行去伪逆，获得与所述一组拉曼光谱对应的重建拉曼光谱。

具体地，所述上位机在获得所述重建拉曼光谱后，可以利用Matlab软件，根据公式R_p＝U(:,:)*S(:,1:1)*V'(:,1:1)，R_p(R_p<0)＝0，其中R_p表示所述原始拉曼光谱的光谱强度，对所述重建拉曼光谱进行去伪逆，获得与所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱。同理，所述上位机对所述第二组拉曼光谱进行重建处理，获得与所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱。其中，对所述第二组拉曼光谱进行重建处理的具体过程与对所述第一组拉曼光谱进行重建处理的过程类似，此处不再赘述。

图6a-6c为本发明一实施例的拉曼光谱重建处理的模拟效果图，如图6a所示，从左到右显示了七组模拟的拉曼光谱，上述七组模拟的拉曼光谱的拉曼光强参见表1，上述七组模拟的拉曼光谱受到荧光干扰；如图6b所示，显示了上述七组模拟的拉曼光谱在矩阵化后，根据所述第一主成分进行拉曼光谱重建后，获得重建拉曼光谱的效果图，荧光干扰被消除了。图6c所示，显示了对上述重建拉曼光谱进行去伪逆后的效果图，即去掉光谱负值，还原真实空间光谱。

表1七组模拟的拉曼光谱

图7为本发明又一实施例拉曼光谱提取方法的流程示意图，如图7所示，所述将所述两组重建拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱包括：

S2031、根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼位移，确定所述两组修正拉曼光谱的衔接点；

具体地，所述上位机在获得所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱和所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱后，可以基于所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱获得第一拉曼位移，并基于所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱获得第二拉曼位移，所述第一拉曼位移和所述第二拉曼位移会有部分重叠，例如所述第一拉曼位移为1388cm^-1～3197cm^-1，所述第二拉曼位移为295cm^-1～2094cm^-1，1388cm^-1～2094cm^-1即为重叠部分，由于通过中心波长为852nm的所述第二激光器获得的拉曼光谱的精度较高，可以选取2094cm^-1作为所述两组重建拉曼光谱的衔接点。

S2032、根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼强度，计算光谱缩放因子；

具体地，所述上位机根据所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱，计算第一拉曼光谱标准差，以A表示，即计算所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱的所有拉曼强度的第一平均值，根据所述第一平均值和所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱中每个拉曼强度计算获得所述第一拉曼光谱标准差；所述上位机根据所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱，计算第二拉曼光谱标准差，以B表示，所述第二拉曼光谱标准差的计算过程与所述第一拉曼光谱标准差的计算过程类似，此处不再赘述；所述光谱缩放因子K＝B/A。

S2033、根据所述衔接点和所述光谱缩放因子，将所述两组重建拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。

具体地，所述上位机将所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱中所述第一拉曼位移小于所述衔接点的部分移除，将剩余部分对应的拉曼强度乘以缩放因子后拼接在所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱上，获得合成拉曼光谱，所述合成拉曼光谱的拉曼位移为所述第二拉曼位移的最小值至所述第一拉曼位移的最大值。

例如，图8为本发明一实施例两组修正拉曼光谱示意图，如图8所示，本发明提供的拉曼光谱提取系统以对乙酰氨基酚为被检测对象，利用所述第一激光器获得第一组拉曼光谱并利用所述第二激光器获得第二组拉曼光谱，并对上述两组拉曼光谱进行重建，获得与所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱和与所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱。所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱的所述第一拉曼位移为1388cm^-1～3197cm^-1，所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱的所述第二拉曼位移为295cm^-1～2094cm^-1，所述光谱衔接点定位在2094cm^-1位置；所述上位机根据所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱，计算第一拉曼光谱标准差，以A表示，所述上位机根据所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱，计算第二拉曼光谱标准差，以B表示，所述光谱缩放因子K＝B/A；所述上位机将所述第一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱中所述第一拉曼位移小于2094cm^-1的部分移除，将所述第一拉曼位移为2094cm^-1～3197cm^-1的部分对应的拉曼强度乘以K后拼接在所述第二组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱上，获得所述合成拉曼光谱。图9为本发明一实施例合成拉曼光谱示意图，所述合成拉曼光谱如图9所示。

本发明方法实施例的具体流程可以参照上述各系统实施例的介绍，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种拉曼光谱提取系统，其特征在于，包括激光器驱动单元、第一激光器、第二激光器、第一激光准直器、第二激光准直器、Y型光纤、第一滤光单元、微量取样池、第二滤光单元、微型光谱仪和上位机，其中：

所述激光驱动单元分别与所述第一激光器和所述第二激光器相连，所述第一滤光单元通过所述Y型光纤分别与所述第一激光准直器和所述第二激光准直器相连；所述微量取样池通过入射光纤与所述第一滤光单元相连，并通过出射光纤与所述第二滤光单元相连，所述微量取样池用于获取被检测样品；其中，所述第一激光器的中心波长为785纳米，所述第二激光器的中心波长为852纳米；

所述激光驱动单元用于驱动所述第一激光器或所述第二激光器产生拉曼激发光，所述第一激光器产生的拉曼激发光通过所述第一激光准直器进入所述Y型光纤，所述第二激光器产生的拉曼激发光通过所述第二激光准直器进入所述Y型光纤，所述拉曼激发光通过所述Y型光纤传输至所述第一滤光单元，在经过所述第一滤光单元带通滤波处理后，通过所述入射光纤传输至所述微量取样池，照射到所述微量取样池内的所述被检测样品后产生拉曼散射，所述拉曼散射产生的背向拉曼散射光被所述出射光纤传输至所述第二滤光单元；所述微型光谱仪接收经过所述第二滤光单元滤光后的所述背向拉曼散射光，并对其进行预处理和模数转换，获得拉曼散射信息；所述上位机根据所述拉曼散射信息获得拉曼光谱。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器采用体布拉格激光器芯片，所述拉曼激发光的激光线宽小于10MHz。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一激光准直器和所述第二激光准直器包括非球面透镜。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一滤光单元包括第一直联式滤光片架和双通道陷波滤光片，所述双通道陷波滤光片设置在所述第一直联式滤光片架内，用于对所述拉曼激发光进行带通滤波处理。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二滤光单元包括第二直联式滤光片架和长通滤光片，所述长通滤光片设置在所述第二直联式滤光片架内，用于对所述背向拉曼散射光进行滤波。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微量取样池包括所述入射光纤、玻璃腔体、推杆，液芯光纤波导和所述出射光纤，所述玻璃腔体内设置所述推杆，所述推杆与所述玻璃腔体的内壁密封接触，可以相对所述玻璃腔体做活塞运动，所述入射光纤和所述出射光纤设置在所述推杆上，所述液芯光纤波导设置在与所述推杆相对的所述玻璃腔体的另一端，所述液芯光纤波导将所述被测样品吸入到所述玻璃腔体内。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的拉曼光谱提取系统的拉曼光谱提取方法，其特征在于，包括：

根据预设操作流程获取两组拉曼光谱；

分别对所述两组拉曼光谱进行重建处理，获得两组修正拉曼光谱；

将所述两组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据预设操作流程获取两组拉曼光谱包括：

第一步、启动激光器驱动单元；

第二步、调节第一激光器和第二激光器至初始工作温度，并通过微量取样池获取被检测样品；

第三步、开启所述第一激光器进行一次拉曼光谱采集，获得第一组拉曼光谱的一个拉曼光谱，关闭所述第一激光器；

第四步、开启所述第二激光器进行一次拉曼光谱采集，获得第二组拉曼光谱的一个拉曼光谱，关闭所述第二激光器；

第五步、调节所述第一激光器和所述第二激光器至下一个工作温度；

第六步、若所述拉曼光谱采集的采集次数小于预设次数，重复第三步、第四步和第五步；

第七步、若所述拉曼光谱采集次数等于所述预设次数，关闭所述激光器驱动单元。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分别对所述两组拉曼光谱进行重建处理，获得两组修正拉曼光谱包括：

对一组所述拉曼光谱进行矩阵化，获得拉曼光谱矩阵；

对所述拉曼光谱矩阵进行奇异值分解，获得第一主成分，根据所述第一主成分进行拉曼光谱重建，获得重建拉曼光谱；

对所述重建拉曼光谱进行去伪逆，获得与所述一组拉曼光谱对应的修正拉曼光谱。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述两组修正拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱包括：

根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼位移，确定所述两组修正拉曼光谱的衔接点；

根据所述两组修正拉曼光谱的拉曼强度，计算光谱缩放因子；

根据所述衔接点和所述光谱缩放因子，将所述两组重建拉曼光谱进行合成，获得合成拉曼光谱。