CN108932491B - 利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，包括：第一步：对原始拉曼光谱进行平滑；第二步：找出可能出现宇宙射线的拉曼光谱，逐个判定是否存在宇宙射线；第三步：识别所有由宇宙射线形成的spike；第四步：采用现有技术中的最小二乘法进行线性拟合，去除宇宙射线spike。该方法判别的准确率高，性能稳定。

Description

利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法

技术领域

本发明涉及光学领域中的宇宙射线处理方法，具体是指利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法。

背景技术

目前的色散性拉曼光谱仪往往采用CCD作为光学检测器。CCD具有较高的灵敏度和较低的噪声干扰，但是也容易收到宇宙射线造成的spike的干扰，这些spike具有峰宽较窄，随机出现，同时其峰高比或者峰高与拉曼本身的数据存在较大的差异。这种宇宙射线的出现对于拉曼数据的分析和分类上存在较大的干扰，因此有必要进行识别

五点三次算法利用多项式最小二乘法逼近算法对采样点实现平滑，既可以消除数据中的干扰成分，又能保持原有曲线特性不变，算法简单且效果好。在的研究中发现，使用五点三次平滑处理宇宙射线形成的spike峰高具有明显的降低，但是对于样品本身的拉曼峰的降低是很小的。利用这个特性，成功的实现了宇宙射线的spike识别，同时运用线性拟合，去除宇宙射线的spike。现有宇宙射线的spike识别和去除方法有如下几种：

(1)临近比较法：由于spike在待测点和待测点的临近点的拉曼谱图的同一位置出现的概率非常低，所以这类方法选取一条临近点的谱图作为与待测点谱图最相似的谱图，利用最相似谱图拟合待测点谱图得到待测点谱图的拟合谱图。最后利用待测点和拟合谱图的差值谱图进行强度识别，从而实现对待测点谱图的spike的识别。

这种方法在一定程度上确实可以实现宇宙射线的识别，但是由于宇宙射线spike的出现是随机的，而且在研究中也发现宇宙射线的spike会发生连续出现的情况。但是也可能不会连续发生。所以用临近比较法判断宇宙射线的spike的准确率并不是很稳定。容易出现误判的情况

(2)在专利“拉曼光谱中宇宙射线干扰的识别及消除方法”提供了一种不需要与临近光谱进行比对的方法。通过对原始拉曼光谱进行一阶求导，得到的震荡峰更好的凸显了拉曼峰位置，通过对这些拉曼峰的第一阖值和第二阖值的判断来分析该峰位置是否是宇宙射线spike，最后校正出现宇宙spike的拉曼峰。

这种算法在阖值的判断方法上存在一定的问题，因为并不是所有的宇宙射线的峰宽都小于第一阖值，所以在进行第一阖值判定时，容易发生漏判宇宙射线spike的情况。

发明内容

本发明的目的是提供利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，该方法判别的准确率高，性能稳定。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼光谱进行平滑；

第二步：找出可能出现宇宙射线的拉曼光谱，逐个判定是否存在宇宙射线；

第三步：识别所有由宇宙射线形成的spike；

第四步：采用现有技术中的最小二乘法进行线性拟合，去除宇宙射线spike。

本发明中，所述第一步的具体过程如下：对原始拉曼图谱，通过中间值比两边大，求得原始拉曼光谱的波峰，通过中间值比两边小，求得原始拉曼光谱的波谷；采用现有的五点三次平滑方法对原始拉曼图谱进行五点三次平滑，通过中间值比两边大，求得平滑后的拉曼光谱的波峰，通过中间值比两边小，求得平滑后的拉曼光谱的波谷。

本发明中，所述第二步的具体过程如下：对于宇宙射线的spike而言，由于其波峰远远高于周围的拉曼波峰，利用五点三次平滑处理后，该平滑后的宇宙射线spike的波峰必然落在原始拉曼图谱的单个峰内，所以对于一条原始拉曼光谱而言，宇宙射线spike出现的波峰的数目与平滑后的拉曼图谱的波峰数目相等，均为N个；判定N个平滑后的拉曼峰的峰高比，对于单个平滑后的拉曼峰而言，单个平滑后的拉曼峰的波峰强度减去其相邻的两个波谷中高度较高的波谷强度作为峰高，对于峰宽，采用拉曼峰波峰位置减去平滑以后的同侧拉曼峰波谷位置作为峰宽；

由于具有宇宙射线spike的峰高比远远要大于一般的拉曼峰高比，把这N个峰高比求出来，求得这N个峰高比的标准差和平均值，单个峰高比是否大于(3*峰高比标准差+峰高比平均值)，作为第一个判定条件；

对于宇宙射线spike，在五点三次平滑以后，平滑的峰高相较于原始的峰高发生了明显的降低，这里的峰高：判定原始拉曼波谷与平滑拉曼波谷的大小，较小值作为后续被减去的波谷，单个原始拉曼峰的波峰减去较小值波谷，作为拉曼峰的峰高，平滑的拉曼峰波峰减去较小值波谷，作为平滑峰的峰高；

拉曼峰的峰高是否大于2*平滑峰的峰高，作为第二个判定条件；

当一条拉曼图谱中的单个峰同时满足第一个条件和第二个条件，那么这条拉曼图谱被作为可疑宇宙射线spike拉曼图谱，而这个峰被当作可疑宇宙射线spike进入下一步。

本发明中，所述第三步的具体过程如下：对存在可疑宇宙射线spike的原始拉曼图谱进行全谱分析，具体分两种情况：

(1)出现了宇宙射线，但是这个宇宙射线的高度在整个拉曼图谱中不高，这种情况是比较难以区分的，因此使用原始拉曼峰高比进行区分：

原始拉曼峰高比＝(原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷)/(原始波峰位置-原始拉曼强度较大波谷的位置)

求得该拉曼图谱中拉曼峰的峰高比，计算该拉曼图谱峰高比标准差与平均值，采用(可疑宇宙射线的spike的峰高比-原始拉曼峰高比平均值)/原始拉曼峰高比标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike，作为第三判定条件；

(2)对于拉曼图谱中宇宙射线spike峰高显著高于该拉曼图谱的其他拉曼峰，采用拉曼峰高分离宇宙射线spike是合理的，求得该拉曼图谱所有拉曼峰的峰高，计算该拉曼图谱峰高标准差与平均值，

原始拉曼峰高＝(原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷)/(原始拉曼波峰位置-原始拉曼强度较大波谷的位置)

采用(可疑宇宙射线spike的峰高-原始拉曼峰高平均值)/原始拉曼峰高标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike作为第四个判定条件；

若可疑拉曼宇宙射线spike满足第三个条件或者满足第四个条件，那么判定为宇宙射线spike。

本发明的方法完全是由拉曼数据本身的标准差和均值决定的，不需要与临近的拉曼光谱进行对比，所以不仅适用于单个拉曼谱测定的宇宙射线检测，也适用于拉曼扫图的宇宙射线检测。同时阖值的设定也是由拉曼数据本身所决定的，而不是固定的阖值，因此在判别的准确率上更高，性能更加的稳定。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是带有宇宙射线的聚苯胺拉曼图谱，为原始拉曼图谱和平滑后的拉曼图谱叠加后的图谱，其中，连续曲线为原始拉曼图谱，点划曲线为平滑后的拉曼图谱，说明了原始图谱与平滑拉曼图谱在波峰位置的联系以及在峰高比上的差异，通过对比这种差异，我们求得可能带有宇宙射线的可疑宇宙射线图谱，并推测出可疑宇宙射线spike的位置；

图1A是图1中带有宇宙射线的聚苯胺拉曼图谱分离出的图谱，该图谱为原始拉曼图谱；

图1B是图1中带有宇宙射线的聚苯胺拉曼图谱分离出的图谱，该图谱为平滑后的拉曼图谱；

图2是带有宇宙射线的银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)肝癌细胞的拉曼图谱，该图谱是可疑宇宙射线图谱，图中的宇宙射线是可疑宇宙射线spike，图谱中宇宙射线的峰高比数值明显高于图谱中其他波峰的峰高比，说明了利用峰高比可以判断出带有宇宙射线的波峰是宇宙射线；

图3是不带有宇宙射线的银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)肝癌细胞的拉曼图谱，为原始拉曼图谱和平滑后的拉曼图谱叠加后的图谱，其中，连续曲线为原始拉曼图谱，点划曲线为平滑后的拉曼图谱，该图谱是可疑宇宙射线图谱，(x＝1296)是可疑宇宙射线spike，该波峰的峰高比数值与图谱中其他波峰的峰高比没有明显差异，因此不被判断为宇宙射线，说明了利用峰高比，不带有宇宙射线的波峰不会被判断为宇宙射线；

图3A是图3中不带有宇宙射线的银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)肝癌细胞的拉曼图谱分离出的图谱，该图谱为原始拉曼图谱；

图3B是图3中不带有宇宙射线的银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)肝癌细胞的拉曼图谱分离出的图谱，该图谱为平滑后的拉曼图谱；

图4是带有宇宙射线的银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)肝癌细胞的拉曼背景图谱，该图谱是可疑宇宙射线图谱，图中的宇宙射线是可疑宇宙射线spike，图谱中宇宙射线的峰高数值明显高于图谱中的其他波峰的峰高，说明了利用峰高可以确定带有宇宙射线的波峰是宇宙射线；

图5是图1中拉曼图谱去除宇宙射线后的效果图；

图6是图2中拉曼图谱去除宇宙射线后的效果图；

图7是图4中拉曼图谱去除宇宙射线后的效果图；

图8为本发明利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法的框图。

具体实施方式

本发明利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼光谱进行平滑，具体为：对原始拉曼图谱，通过中间值比两边大，求得原始拉曼光谱的波峰，通过中间值比两边小，求得原始拉曼光谱的波谷；采用现有的五点三次平滑方法对原始拉曼图谱进行五点三次平滑，通过中间值比两边大，求得平滑后的拉曼光谱的波峰，通过中间值比两边小，求得平滑后的拉曼光谱的波谷；

第二步：找出可能出现宇宙射线的拉曼光谱，逐个判定是否存在宇宙射线，具体为：对于宇宙射线的spike而言，由于其波峰远远高于周围的拉曼波峰，利用五点三次平滑处理后，该平滑后的宇宙射线spike的波峰必然落在原始拉曼图谱的单个峰内，所以对于一条原始拉曼光谱而言，宇宙射线spike出现的波峰的数目与平滑后的拉曼图谱的波峰数目相等，均为N个；如图1、图1A、图1B所示：原始的拉曼峰具有259个，平滑以后的拉曼峰数目为22个，宇宙射线spike存在于包含平滑拉曼峰的原始拉曼单个峰之内，因此只需要判断判断这原始的22个拉曼峰即可，提高了运算的速度，减少了运算量，提高了判定的准确性。

判定22个平滑后的拉曼峰的峰高比，对于单个平滑后的拉曼峰而言，单个平滑后的拉曼峰的波峰强度减去其相邻的两个波谷中高度较高的波谷强度作为峰高，对于峰宽，采用拉曼峰波峰位置减去平滑以后的同侧拉曼峰波谷位置作为峰宽。以图1中x(1458)对应的平滑后的拉曼峰和x(1482)对应的平滑后的拉曼峰为例。

图1中的x(1458)对应的拉曼峰高比：

(y(x＝1458)-y(x＝1455))/(x(x＝1458)-x(x＝1391))＝6.4

图1中的x(1482)对应的拉曼峰高比：

(y(x＝1482)-y(x＝1479))/(x(x＝1482)-x(x＝1475))＝10001.4

具有宇宙射线spike的峰高比远远要大于一般的拉曼峰高比，把这22个峰高比求出来，

求得这22个峰高比的标准差和平均值，单个峰高比是否大于(3*峰高比标准差+峰高比平均值)，作为第一个判定条件。

图1中的宇宙射线spike，在五点三次平滑以后，平滑的峰高相较于原始的峰高发生了明显的降低，这里的峰高：判定原始拉曼波谷(即较低波谷)与平滑拉曼波谷(即同侧波谷)的大小，较小值作为后续被减去的波谷，单个原始拉曼峰的波峰减去较小值波谷，作为拉曼峰的峰高。平滑的拉曼峰波峰减去较小值波谷，作为平滑峰的峰高。

x(1482)处拉曼峰峰高：

y(x＝1479)(原始拉曼峰波谷)<y(x＝1475)(平滑拉曼波谷)

拉曼峰的峰高＝y(x＝1482)(原始拉曼峰)-y(x＝1479)(原始拉曼峰波谷)

＝0.676*10^4

平滑峰的峰高＝y(x＝1481)(平滑拉曼峰)-y(x＝1479)(原始拉曼峰波谷)

＝0.083*10^4

拉曼峰的峰高是否大于2*平滑峰的峰高，作为第二个判定条件。

当一条拉曼图谱中的单个峰同时满足第一个条件和第二个条件，那么这条拉曼图谱会被作为可疑宇宙射线spike拉曼图谱，而这个峰被当作可疑宇宙射线spike进入下一步；

使用加了银核金壳纳米粒子(Ag@Au Nps)的肝癌细胞，进行拉曼扫图，获得3740条谱线，经过上述两个条件的判定，存在41条可疑宇宙射线spike拉曼图谱，而其他的3699条拉曼图谱被排除。

第三步：识别所有由宇宙射线形成的spike，具体为：对存在可疑宇宙射线spike的原始拉曼图谱(不再分析平滑光谱)进行全谱分析，具体分两种情况；

(1)如图2所示：在x轴为1061处出现了宇宙射线，但是这个宇宙射线的高度在整个拉曼图谱中并不是很高，这种情况是比较难以区分的。因此使用原始拉曼峰高比进行区分：

原始拉曼峰高比＝(原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷)/(原始波峰位置-原始拉曼强度较大波谷的位置)

求得该拉曼图谱中拉曼峰的峰高比，计算该拉曼图谱峰高比标准差与平均值(除去最大值和最小值以后)

结果表明，图2中的可疑宇宙射线spike的峰高比是最大的，且(可疑宇宙射线spike的峰高比-原始拉曼峰高比平均值)/原始拉曼峰高比标准差＝10.5

这个倍数在宇宙射线spike中是很低的，但相较于实际不存在宇宙射线的spike的峰高比，倍数普遍分布在3.0以下，因为3.0的倍数通常用于数据异常点检测。图3、图3A、图3B中：拉曼峰(x＝1296)为该拉曼光谱的可疑宇宙射线spike，(可疑宇宙射线spike的峰高比-原始拉曼峰高比平均值)/原始拉曼峰高比标准差＝0.67

采用(可疑宇宙射线的spike的峰高比-原始拉曼峰高比平均值)/原始拉曼峰高比标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike，作为第三判定条件。这是非常有效的，且可行的

(2)图4中：对于该条拉曼图谱中宇宙射线spike峰高显著高于该拉曼图谱的其他拉曼峰，采用拉曼峰高分离宇宙射线spike是合理的，求得该拉曼图谱所有拉曼峰的峰高，计算该拉曼图谱峰高标准差与平均值(除去最大值和最小值以后)。

原始拉曼峰高＝(原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷)/(原始拉曼波峰位置-原始拉曼强度较大波谷的位置)

图4中：(可疑宇宙射线spike的峰高-原始拉曼峰高平均值)/原始拉曼峰高标准差＝42.28

采用(可疑宇宙射线spike的峰高-原始拉曼峰高平均值)/原始拉曼峰高标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike作为第四个判定条件。

若可疑拉曼宇宙射线spike满足第三个条件或者满足第四个条件，那么判定为宇宙射线spike。

对剩下的41条进行判定，其中17条被判为宇宙射线，没有出现误判的情况。

第四步：采用现有技术中的线性拟合，去除宇宙射线spike。图5，图6，图7分别是图1，图2，图4去除宇宙射线以后的拉曼图谱。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：对原始拉曼图谱进行平滑，具体过程如下：对原始拉曼图谱，通过中间值比两边大，求得原始拉曼图谱的波峰，通过中间值比两边小，求得原始拉曼图谱的波谷；采用现有的五点三次平滑方法对原始拉曼图谱进行五点三次平滑，通过中间值比两边大，求得平滑后的拉曼图谱的波峰，通过中间值比两边小，求得平滑后的拉曼图谱的波谷；

第二步：确定可疑宇宙射线spike拉曼图谱以及可疑宇宙射线spike；

所述第二步的具体过程如下：对于宇宙射线的spike而言，由于其波峰高于周围的拉曼波峰，利用五点三次平滑处理后，该平滑后的宇宙射线spike的波峰必然落在原始拉曼图谱的单个峰内，所以对于一条原始拉曼图谱而言，宇宙射线spike出现的波峰的数目与平滑后的拉曼图谱的波峰数目相等，均为N个；判定N个平滑后的拉曼峰的峰高比，对于单个平滑后的拉曼峰而言，单个平滑后的拉曼峰的波峰强度减去其相邻的两个波谷中高度较高的波谷强度作为峰高，对于峰宽，采用拉曼峰波峰位置减去平滑以后的同侧拉曼峰波谷位置作为峰宽；

把上述N个峰高比求出来，求得这N个峰高比的标准差和平均值，单个峰高比是否大于(3*峰高比标准差+峰高比平均值)，作为第一个判定条件；

对于宇宙射线spike，在五点三次平滑以后，平滑的峰高相较于原始的峰高发生了明显的降低，拉曼峰的峰高和平滑峰的峰高通过以下方式确定：判定原始拉曼波谷与平滑拉曼波谷的大小，较小值作为后续被减去的波谷，单个原始拉曼峰的波峰减去较小值波谷，作为拉曼峰的峰高，平滑的拉曼峰波峰减去较小值波谷，作为平滑峰的峰高；

拉曼峰的峰高是否大于2*平滑峰的峰高，作为第二个判定条件；

当一条拉曼图谱中的单个峰同时满足第一个判定条件和第二个判定条件，那么这条拉曼图谱被作为可疑宇宙射线spike拉曼图谱，而这个峰被当作可疑宇宙射线spike进入下一步；

第三步：识别所有由宇宙射线形成的spike；

第四步：采用现有技术中的最小二乘法进行线性拟合，去除宇宙射线spike。

2.根据权利要求1所述的利用五点三次平滑法进行宇宙射线的识别和去除方法，其特征在于，所述第三步的具体过程如下：对存在可疑宇宙射线spike的拉曼图谱进行全谱分析，具体分两种情况：

(1)出现了宇宙射线，但是拉曼图谱中宇宙射线spike峰高在整个拉曼图谱中不高，此时使用原始拉曼峰高比进行区分：

原始拉曼峰高比＝(原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷)/(原始拉曼峰波峰位置-原始拉曼波谷强度较大波谷的位置)

求得该拉曼图谱中拉曼峰的峰高比，计算该拉曼图谱峰高比标准差与平均值，采用(可疑宇宙射线的spike的峰高比-原始拉曼峰高比平均值)/原始拉曼峰高比标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike，作为第三判定条件；

(2)出现了宇宙射线，且拉曼图谱中宇宙射线spike峰高显著高于该拉曼图谱的其他拉曼峰，此时求得该拉曼图谱所有拉曼峰的峰高，计算该拉曼图谱峰高标准差与平均值，

原始拉曼峰高＝原始拉曼峰波峰-原始拉曼波谷强度较大的波谷，

采用(可疑宇宙射线spike的峰高-原始拉曼峰高平均值)/原始拉曼峰高标准差是否大于8来判断可疑宇宙射线spike是否是宇宙射线spike作为第四个判定条件；

若可疑宇宙射线spike满足第三个判定条件或者满足第四个判定条件，那么判定为宇宙射线spike。

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