CN113588595B - 一种溶液吸收谱线测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶液吸收谱线测量方法，包括：利用FD‑OCT系统对溶液样品进行测量；获取溶液样品成像的A‑scan的原始干涉信号，并对原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号；对预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于溶液样品深度解析的光谱信息；从深度解析的光谱信息中，提取出溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息；根据溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得溶液样品的吸收谱线。本发明中实现了快速、精准地测得具有复杂吸收特征溶液的吸收谱线，并可降低针对溶液吸收谱线检测的设备投入成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学信号处理领域，特别涉及一种利用FD-OCT(傅里叶域光学相干层析成像)系统的溶液吸收谱线测量方法。
背景技术
现有的针对溶液吸收谱线的测量方法是利用分光光度计实现的。该方法首先将两个空比色皿分别放置在分光光度计的样品臂和参考臂以测量基线，再将待测样品装入样品臂的比色皿，再次进行宽波段的光谱扫描，将两次测量的结果作比较以获得待测样品的吸收谱线。
现有的利用分光光度计进行溶液吸收谱线的测量过程中，由于需要波长扫描而占用较长的时间，进而导致了较高的时间成本，造成检测效率较低的问题，同时分光光度计本身的系统成本较高，造成了较高的设备投入。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种溶液吸收谱线测量方法，以提升溶液吸收谱线的测量效率、降低时间成本，并降低检测设备的投入成本。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种溶液吸收谱线测量方法，包括：
利用傅里叶域光学相干层析成像FD-OCT系统对溶液样品进行测量；
获取所述FD-OCT系统对溶液样品成像的A-scan的原始干涉信号，并对所述原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号；
对所述预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于所述溶液样品深度解析的光谱信息；
从所述深度解析的光谱信息中，提取出所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息；
根据所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得所述溶液样品的吸收谱线。
进一步，所述的对所述原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号，包括：
去除所述原始干涉信号中的参考光自相干信号和样品光自相干信号，仅保留所述原始干涉信号中的样品光参考光相干信号；
对所述样品光参考光相干信号进行色散补偿，以获得色散补偿后的干涉信号。
进一步，所述的对所述样品光参考光相干信号进行色散补偿为针对二阶色散系数和三阶色散系数的色散补偿。
进一步，所述的对所述预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于所述溶液样品深度解析的光谱信息，包括：
对所述预处理后的干涉信号进行短时傅里叶变换STFT，获得关于所述溶液样品的光谱深度信息矩阵。
进一步，所述深度解析的光谱信息包括：
所述溶液样品的不同深度处的光谱信息和不同波段下的深度信息。
进一步，所述的根据所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得所述溶液样品的吸收谱线，包括：
根据朗伯比尔定律，对所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息与所述溶液样品上表面位置处的光谱信息之比取对数，以获得所述溶液样品的吸收谱线。
进一步，所述溶液样品位于样品槽内，并且由盖玻片覆盖于所述溶液样品上。
进一步，所述溶液样品上表面位置为所述溶液样品与所述盖玻片的交界位置。
一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储指令，所述指令在由处理器执行时使得所述处理器执行如上任一项所述的溶液吸收谱线测量方法中的步骤。
一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如上任一项所述的溶液吸收谱线测量方法中的步骤。
从上述方案可以看出，采用本发明的溶液吸收谱线测量方法，在原有SD-OCT系统的基础上不需要引入额外的硬件即可进行光谱分析，在分析过程中，可采用STFT作为时频分析工具进行时频分析，算法的复杂度小，数据处理过程简单，耗时短，与分光光度计按波长扫描的方式测溶液吸收谱线的方法相比，本发明的溶液吸收谱线测量方法由于不需要对波长逐一扫描，进而缩短了分析时间，使得时间成本大大降低，实现了快速、精准地测得具有复杂吸收特征溶液的吸收谱线，此外SD-OCT系统的成本也远低于分光光度计，从而降低了针对溶液吸收谱线检测的设备投入成本。
附图说明
图1为本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法流程图；
图2为本发明实施例所使用的FD-OCT系统光路结构示意图；
图3为采用本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法测得的近红外吸收溶液样品的吸收谱线；
图4为作为对照使用分光光度计测量的近红外吸收溶液样品的吸收谱线；
图5为本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
OCT(Optical Coherence Tomography，光学相干层析成像)技术是近些年迅速发展起来的一种成像技术。该技术利用弱相干光干涉仪的基本原理，能够检测样品不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到样品的二维或三维结构图像。
FD-OCT，即傅里叶域光学相干层析成像，FD-OCT系统采用光谱仪对干涉信号进行记录，干涉信号的不同频率对应不同光程差，即不同的样品深度。FD-OCT系统对样品进行测量，探测到的信息包含全深度的光谱信息，因此，可以利用不同深度的光谱信号对样品进行光谱分析。
基于FD-OCT技术，本发明实施例中提出了一种溶液吸收谱线测量方法，如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1、利用FD-OCT系统对溶液样品进行测量；
步骤2、获取FD-OCT系统对溶液样品成像的A-scan的原始干涉信号，并对原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号；
步骤3、对预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于溶液样品深度解析的光谱信息；
步骤4、从深度解析的光谱信息中，提取出溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息；
步骤5、根据溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得溶液样品的吸收谱线。
在本发明实施例中，从FD-OCT系统直接获取的原始干涉信号为波长空间的干涉信号，需要将波长空间的干涉信号转换为波数空间的干涉信号，本发明实施例中，波长空间的原始干涉信号记为I(λ)。
对原始数据进行预处理的过程包括但不限于去除原始干涉信号中的无关信号、将干涉信号由波长空间向波数空间转换等。
FD-OCT系统直接获得的原始干涉信号中，包含有参考光自相干信号、样品光自相干信号和样品光参考光相干信号，在预处理过程中需要将原始干涉信号中的参考光自相干信号和样品光自相干信号去除，并只保留样品光参考光相干信号。
在可选实施例中，步骤2中的对原始干涉信号进行预处理，包括先将从FD-OCT系统直接获得的波长空间的原始干涉信号中的参考光自相干信号和样品光自相干信号去除，仅保留原始干涉信号中的样品光参考光相干信号，之后，再将波长空间的样品光参考光相干信号转换至波数空间中。其中，根据波长和波数的关系将波长空间的干涉信号转换为波数空间的干涉信号。
另外，在OCT系统中，由于采用宽带光，并含有光纤、透镜组合等结构，同时，OCT系统所探测的是样本内部的背向散射信号，进而OCT系统对溶液样品进行测量所产生的干涉信号数据会存在色散失配的可能，而色散失配会降低系统的分辨率，造成所测得的溶液样品的吸收谱线的精确度不足。因此，还需要对干涉信号进行色散补偿，以消除色散失配所带来的这些问题，所以，步骤2中的对原始干涉信号进行预处理，还包括色散补偿的步骤。
综上，在可选实施例中，步骤2中的对原始干涉信号数据进行预处理，得到预处理后的干涉信号，包括：
去除原始干涉信号中的参考光自相干信号和样品光自相干信号，仅保留原始干涉信号中的样品光参考光相干信号；
对样品光参考光相干信号进行色散补偿，以获得色散补偿后的干涉信号。
其中，预处理后的干涉信号中仅含有色散补偿后的样品光参考光相干信号。
在可选实施例中，对样品光参考光相干信号进行色散补偿为针对二阶色散系数和三阶色散系数的色散补偿。
在可选实施例中，对样品光参考光相干信号进行色散补偿，主要包括：
提供仅含有二阶色散系数项和三阶色散系数项的色散相位数据组；
将样品光参考光相干信号和色散相位数据组相乘后进行IFFT(快速逆傅里叶变换)，获得深度空间数据组；
通过对深度空间数据组的寻峰操作，获得色散补偿相位数据；
将色散补偿相位数据与样品光参考光相干信号相乘，获得色散补偿后的干涉信号。
其中，色散相位数据组中包括多个色散相位数据；各个色散相位数据之间的二阶色散系数和/或三阶色散系数各不相同。
在可选实施例中，色散相位数据组中，各个二阶色散系数的取值均匀分布于其所属的数量级内所设定的第一阈值范围中，各个三阶色散系数的取值均匀分布于其所属的数量级内所设定的第二阈值范围中。
其中，色散相位公式可表示为
其中，ω为光波的时间角频率，
为中心波长对应的时间角频率。a2为二阶色散系数，a3为三阶色散系数，
ω＝2kv
其中，k为波数，v为光速。
本领域已有知识信息中，二阶色散系数a2的数量级为10-27，三阶色散系数a3的数量级为10-43。在此基础上，在可选实施例中，在此数量级范围内选定适当范围a2∈[b,c]，a3∈[d,e]，以在该范围内等间隔选取多个二阶色散系数的取值和多个三阶色散系数的取值，其中，[b,c]为关于二阶色散系数a2在10-27数量级中的第一阈值范围，[d,e]为关于三阶色散系数a3在10-43数量级中的第二阈值范围。其中，b、c、d、e的取值可以为[0,9]中的整数，例如，b＝4、c＝6、d＝2、e＝3。多个二阶色散系数和多个三阶色散系数的取值的数量可以为任意多个，取值数量越多则所得到的色散补偿后的干涉信号越精确，取值数量越多则计算设备的进行计算所消耗的时间越长，从而导致最终获取溶液吸收谱线所消耗的时间增加。所以，多个二阶色散系数和多个三阶色散系数的取值的数量需要同时兼顾尽量精确的色散补偿后的干涉信号和尽量短的时间消耗，因此，在优选实施例中，二阶色散系数的取值数量为100个，三阶色散系数的取值数量为100个。100个二阶色散系数在10-27的数量级中在[4,6]中等间隔选取(各个二阶色散系数的取值均匀分布于其所属的数量级10-27内所设定的第一阈值范围[4,6]中)，100个三阶色散系数在10-43的数量级中在[2,3]中等间隔选取(各个三阶色散系数的取值均匀分布于其所属的数量级10-43内所设定的第二阈值范围[2,3]中)。
利用所选取的100个二阶色散系数的取值和100个三阶色散系数的取值，以及上述色散相位公式，能够得到10000个色散相位数据，这10000个色散相位数据中，各个色散相位数据之间的二阶色散系数a2和/或三阶色散系数a3各不相同，进而这10000个色散相位数据之间没有完全相同的色散相位数据。由这10000个色散相位数据组成色散相位数据组。
在可选实施例中，上述的将样品光参考光相干信号和色散相位数据组相乘后进行IFFT，获得深度空间数据组，包括：
将色散相位数据组中的每一个色散相位数据作为相位项分别与样品光参考光相干信号相乘并做IFFT，以获得分别对应于每一个色散相位数据的每一个深度空间数据，其中，由所获得的所有深度空间数据共同组成深度空间数据组。
在可选实施例中，上述的通过对深度空间数据组的寻峰操作，获得色散补偿相位数据，具体包括：
针对深度空间数据组中的每一个深度空间数据：通过寻峰操作获得该深度空间数据中的各个峰的强度值和所述各个峰所在的深度位置；针对每个峰：获得该峰的强度值相对于该峰所在深度位置的前一个深度位置的强度值的变化率；将强度值的变化率大于第一设定阈值的峰的强度值进行记录；将所记录的所有强度值的总和作为该深度空间数据的总峰值强度；
选出深度空间数据组中的所有深度空间数据的总峰值强度最大的深度空间数据，并将获得该深度空间数据所使用的色散相位数据作为色散补偿相位数据。
其中，总峰值强度最大代表着有多个深度位置成像清晰，是全深度色散补偿的最优结果。
其中，将深度空间数据记为I(z)，结合上述可选实施例，由于色散相位数据组中包括10000个色散相位数据，进而，利用样品光参考光相干信号分别与色散相位数据组中的每一个色散相位数据相乘并做IFFT，能够得到10000个分别对应于10000个色散相位数据的深度空间数据I(z)，由这10000个深度空间数据I(z)组成了深度空间数据组。而这10000个色散相位数据分别对应于各个二阶色散系数a2和三阶色散系数a3的取值，进而这10000个深度空间数据I(z)分别对应了10000种二阶色散系数a2和三阶色散系数a3的取值。其中，z为样品的深度。
之后，针对这10000个深度空间数据I(z)分别进行寻峰操作，获得每一个深度空间数据I(z)中的所有的尖锐信号峰，并对峰值进行筛选，选出将强度值的变化率Q(表示峰的锐利程度)大于第一设定阈值的深度位置的强度值进行记录，其中
Q＝[a(i)-a(i-1)]/a(i)
其中，a(i)表示深度空间数据I(z)中的第i个位置(对应于样品的深度z)的信号强度值。上述公式表示第i个位置与相邻的前一个位置i-1的强度值变化差相对于第i个位置的强度值的程度。其中，关于寻峰操作中a(i)的具体位置的选取和相邻位置之间的间隔可以根据需要设定。具体实践中，可使用MATLAB中的“findpeaks”函数实现寻峰操作。
在可选实施例中，第一设定阈值可根据需要进行设定，例如第一设定阈值可以设置为0.4，满足Q值大于0.4的峰值作为高质量信号峰的强度值进行记录，并将记录的所有高质量信号峰的强度值进行求和记为H。其中，H即为总峰值强度，H最大代表着有多个深度位置成像清晰，是全深度色散补偿的最优结果。
采用上述寻峰操作方法，针对这10000个深度空间数据I(z)分别进行寻峰操作得到10000个H，将这10000个H中最大的H所对应的深度空间数据I(z)中所使用的色散相位数据作为色散补偿相位数据，该色散补偿相位数据中的二阶色散系数a2的值和三阶色散系数a3的值分别作为补偿二阶色散系数值和补偿三阶色散系数值。
在可选实施例中，步骤3的对干涉信号进行时频分析，获得关于溶液样品深度解析的光谱信息，包括：
对色散补偿后的干涉信号进行STFT(短时傅里叶变换)，获得关于溶液样品的光谱深度信息矩阵。
本发明实施例中，将时频分析工具引入到溶液吸收谱线测量中。虽然本发明中以STFT为例进行说明，但时频分析工具并不局限于本发明中实例所用的STFT，基于本发明的精神原则，采用其它时频分析工具来得到关于溶液样品深度解析的光谱信息也是可以的。
在可选实施例中，深度解析的光谱信息包括：溶液样品的不同深度处的光谱信息和不同波段下的深度信息。在本发明实施例中，深度解析的光谱信息可记为函数S(k,z)，S(k,z)表示了对干涉信号数据采用STFT后所得到的光谱深度信息矩阵，该光谱深度信息矩阵中记录了溶液样品的各个深度位置处的光谱信息和各个波段下的深度信息。
其中，STFT，即Short-Time Fourier Transform，是和傅里叶变换相关的一种数学变换，用于确定时变信号其局部区域正弦波的频率与相位。STFT使用一个固定的窗函数，窗函数一旦确定了以后，其形状就不再发生改变，STFT的分辨率也就确定了。
步骤3中，STFT是时频分析工具的一种，可以理解为加窗傅里叶变换，即对色散补偿后的干涉信号按波长分为很多小段，在每个小段内对色散补偿后的干涉信号进行傅里叶变换，其类似于在窗函数的移动下，对窗口内的色散补偿后的干涉信号进行傅里叶变换。窗口长度的大小决定变换的结果的分辨率，选择小窗口会降低时间分辨率(在OCT系统中对应于深度分辨率)，提升频率分辨率(在OCT系统中对应于光谱分辨率)。选择大窗口会降低光谱分辨率，而深度分辨率会得到提升。实际操作中，可根据实际情况选择合适长度的窗口大小。
基于上述说明中的光谱深度信息矩阵形式(反映了深度解析的光谱信息)，在可选实施例中，步骤4中，可通过在光谱深度信息矩阵中查询，以提取出溶液样品的对应于上表面位置的光谱信息，并提取出溶液样品的对应于所指定深度位置的光谱信息。
在可选实施例中，步骤4的根据溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得溶液样品的吸收谱线，包括：
根据朗伯比尔定律，对溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息与溶液样品上表面位置处的光谱信息之比取对数，以获得溶液样品中的吸收谱线。
在可选实施例中，溶液样品位于样品槽内，并且由盖玻片覆盖于溶液样品上。
步骤4中所述的溶液样品上表面位置为溶液样品与盖玻片的交界位置。由于反映于色散补偿后的干涉信号中的处于盖玻片边界处的信号变化明显，易于在色散补偿后的干涉信号中进行确定，所以本发明实施例中选择溶液样品与盖玻片的交界位置，有利于深度的溶液样品深度的基准位置的确定，进而能够在色散补偿后的干涉信号中快速地辅助确定溶液样品中选择其它深度位置和相应的光谱信息。
以下结合一个具体实施例，对本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法进行进一步说明。
如图2所示为本实施例所使用的FD-OCT系统光路结构示意图。其中，SLD光源1发出的光经过光纤环形器2传播到光纤准直器3。光纤准直器3将光纤光转换成空间准直光入射到分束器4，由于样品的背向散射信号远小于参考臂的反射信号，为了增大样品臂功率，选择的分束器4的分光比为90:10，经过分束器4后，光被分成了样品臂和参考臂两束。样品臂的光经过扫描振镜5后入射到聚焦透镜组6，待测样品7置于聚焦透镜组6的透镜焦点位置，升降台8用于调节样品高度，以便找到光束焦距位置。参考臂的光入射到参考镜9并反射回分束器4。样品臂和参考臂的探测光经光路原路返回至光纤环形器2，再由光纤环形器2进入光谱仪14。光谱仪14主要包括了光纤准直器10、光栅11、聚焦透镜12、线阵CCD 13。
本实施例中，所用待测样品7为一种具有多个特征吸收位置的近红外吸收染料将染料按照10mg/10ml的比例溶于无水乙醇，将该溶液分为两部分，一部分溶液作为溶液样品用于本实施例的溶液吸收谱线测量方法进行吸收谱线测量，另一部分溶液作为对照，使用分光光度计进行测量，用来检验本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法的有效性。
本实施例中，使用胶头滴管将溶液样品滴入200μm(微米)深的样品槽内，盖上盖玻片，完成待测样品7的制备。
将待测样品7置于升降台8，调节参考镜9的位置，使样品臂和参考臂的零光程位置位于待测样品7的表面上方，光谱仪14的积分时间设为10ms(微秒)，光谱仪14采集到的干涉信号经由MATLAB做数据处理。数据处理的过程主要包括以下步骤。
步骤a、接收FD-OCT系统对溶液样品成像的A-scan的波长空间原始干涉信号I0(λ)，之后执行步骤b。
步骤b、将波长空间原始干涉信号I0(λ)中的参考光自相干信号和样品光自相干信号去除，并转换到波数空间，得到波数空间的仅保留样品光参考光相干信号的干涉信号，之后执行步骤c。
其中，依据波数波长关系公式
k＝2π/λ
对干涉信号进行波长空间向波数空间的转换，可利用MATLAB采用等间距插值的方法实现。
其中，A-scan的原始干涉信号在波数空间中的函数表示为：
其中，ERei2kr为参考臂信号(其中的R表示参考臂)，
为样品臂信号，ER为参考光振幅，k为波数，2r为参考臂光程长，a(z)为样品深度z处的振幅，z和z'为样品深度，n为样品折射率，2[r+nz]为样品臂光程长，S(k)为光源的光谱密度函数，
表示
的时间平均。i为虚数单位。
公式(1)中，ER 2为参考光自相干信号，为系统直流项，需要去除。去除直流项后的波数空间干涉信号的函数表示为：
公式(1)和公式(2)中，
为样品光自相干信号，由于a(z)＜＜ER，所以
项可以忽略。
去除参考光自相干信号和样品光自相干信号后，仅保留样品光参考光相干信号的干涉信号的公式表示为：
此时的干涉信号因为FD-OCT系统的自身原因而存在较大的色散适配，轴向分辨率较低，所以，还需要在后需步骤中进行色散补偿以提升轴向分辨率。
步骤c、提供仅含有二阶色散系数项和三阶色散系数项的色散相位数据组，之后执行步骤d。
其中，关于色散的详细说明，路径长度为z的色散介质增加的相位为
其中，
为零阶色散，
为一阶色散，
为二阶色散，
为三阶色散。零阶色散
是常数相位。一阶色散是群速度，表示波包的传播速度。将FD-OCT系统相干长度更改为lC,Disp＝lc/ng(其中，lc为光源的相干长度，ng为群折射率)，ng＞1，在OCT系统中，深度分辨率定义为光源的相干长度，即深度分辨率等于光源的相干长度lc，所以系统相干长度lC,Disp缩短，深度分辨率能够得到改善。
二阶色散
是群速度色散或群速度随频率的变化。
三阶色散
描述了OCT中点扩散函数的不对称失真。
其中，二阶色散和三阶色散会使空间信号展宽，降低FD-OCT系统所获得图像的轴向分辨率，所以本发明实施例中，需要对二阶色散系数和三阶色散系数进行补偿。
本实施例中，采用的色散相位数据的色散相位公式为
在一个举例中，色散相位数据组中包括10000个色散相位数据；每个色散相位数据中均仅含有二阶色散系数项和三阶色散系数项，如公式(5)，并且各个色散相位数据之间的二阶色散系数a2和/或三阶色散系数a3各不相同。
在一个举例中，色散相位数据组中，二阶色散系数a2的取值数量为100个，各个二阶色散系数a2的取值均匀分布于其所属的数量级10-27内的[4,6]范围中，三阶色散系数a3的取值数量为100个，各个三阶色散系数a3的取值均匀分布于其所属的数量级10-43内的[2,3]范围中。
步骤d、将色散相位数据组中的每一个色散相位数据作为相位项分别与样品光参考光相干信号相乘并做IFFT，得到分别对应于每一个色散相位数据的每一个深度空间数据，之后执行步骤e。
其中，接上述举例，色散相位数据组中包括10000个色散相位数据，经过步骤d后，得到10000个深度空间数据I(z)，每一个深度空间数据I(z)分别对应于一个色散相位数据，也就是说，每一个深度空间数据I(z)分别对应一组二阶色散系数a2的值和三阶色散系数a3的值。
步骤e、对每一个深度空间数据执行寻峰操作，以得到总峰值强度H，之后执行步骤f。
其中，使用MATLAB中的“findpeaks”函数实现本步骤中的寻峰操作。
其中，通过如下公式得到各个峰的强度值的变化率
Q＝[a(i)-a(i-1)]/a(i)
其中，Q为强度值的变化率，其反应了峰的锐利程度，a(i)表示深度空间数据I(z)中的第i个位置(对应于样品的深度z)的信号强度值。上述公式表示第i个位置与相邻的前一个位置i-1的强度值变化差相对于第i个位置的强度值的程度。在本实施例中，a(i)表示寻峰操作得到的峰的强度值，a(i-1)表示a(i)峰所在深度位置的前一个深度位置的强度值。
其中，筛选出Q值大于0.4的峰值作为高质量信号峰的强度值进行记录，并将记录的所有高质量信号峰的强度值进行求和得到总峰值强度H。
步骤f、选出所有深度空间数据中的总峰值强度H最大的深度空间数据，之后执行步骤g。
其中，接上述举例，共有10000个深度空间数据I(z)，进而寻峰操作后得到10000个H，将这10000个H，在这10000个深度空间数据I(z)中，选出H最大的深度空间数据I(z)，代表着所选出的深度空间数据I(z)有多个深度位置成像清晰，是全深度色散补偿的最优结果。
步骤g、将所选出的总峰值强度H最大的深度空间数据所对应的色散相位数据作为色散补偿相位数据，将色散补偿相位数据与样品光参考光相干信号相乘，获得色散补偿后的干涉信号，之后执行步骤h。
本步骤中，依据如下公式获得色散补偿后的干涉信号：
T(k)＝I(k)eiφ(ω) (6)
其中，eiφ(ω)即为色散补偿相位数据，I(k)为样品光参考光相干信号，即公式(3)的仅保留样品光参考光相干信号的干涉信号。T(k)为色散补偿后的干涉信号。
步骤h、采用STFT对色散补偿后的干涉信号进行时频分析，获得关于溶液样品深度解析的光谱信息，之后执行步骤i。
应用于OCT中的STFT可表示为：
其中，函数S(k,z)表示窗函数的中心为κ时，对色散补偿后的干涉信号T(k)进行STFT后的光谱深度信息矩阵(即关于溶液样品深度解析的光谱信息)。其中，w(k-κ)为窗函数。在本具体实施例中，FD-OCT系统所采用的光源中心波长为λ0＝840nm(纳米)，带宽Δλ＝50nm，光谱仪14的分辨率为0.05nm，进而采集到50/0.05＝1000个波长点，对应1000个波数k。在本具体实施例中，将窗函数的窗长Lwin(w(k-κ)的长度变量)设置为128个数据点，将窗函数的窗的移动距离设置为Lwin/16。
函数S(k,z)所表示的关于溶液样品深度解析的光谱信息为二维矩阵，其中，每一列的数据对应于各个窗函数的窗口中的净干涉信号数据的傅里叶变换的结果，为光谱信息，每一行对应于溶液样品的不同深度。例如，S(k,z)所表示的二维矩阵中，某一行的数据为该行所对应的溶液样品深度位置处的光谱信息。
步骤i、从深度解析的光谱信息中，提取出溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，之后执行步骤j。
在一个具体实例中，基于函数S(k,z)所表示的关于溶液样品深度解析的光谱信息为二维矩阵，取对应于盖玻片下表面位置处(即溶液样品上表面)的溶液样品的光谱信息和距盖玻片下表面100μm处(该具体实例中的指定位置)的溶液样品的光谱信息，这可以直接从二维矩阵中的行数据中提取出来。
步骤j、根据提取出的溶液样品上表面位置处的光谱信息和溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得溶液样品中所指定深度位置处的吸收谱线。本步骤中，采用朗伯比尔定律，将这两个位置的光谱信息做比并取对数，获得溶液样品中所指定深度位置处的吸收谱线，即
其中，I(x,k,z1)为溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，I0(x,k,z2)为溶液样品上表面位置处的光谱信息，μa(x,k,z)为溶液样品中所指定深度位置处的吸收谱线，d＝z1-z2，z1为溶液样品中所指定的深度位置，z2为溶液样品上表面位置处的深度位置。
基于公式(8)获得溶液样品中距离盖玻片下表面100μm处的溶液样品的光谱信息可参见图3所示。
作为对比，图4示出了采用分光光度计在810nm至860nm波段测得的光谱信息。将图3所示的采用本发明实施例的方法获得的溶液样品的光谱信息和图4相比能够看出，采用分光光度计所测得光谱信息中，圆圈所标记的13个波谷中有11个(实线圆圈)被本发明实施例的方法测得(图3中圆圈的标记位置)。其波长位置对比如下表所示。
从上表不难看出，波长位置差值最小为0.2nm，最大为2.6nm，选用光谱特征较为复杂的近红外吸收染料为实验样品，实验结果与分光光度计相比有较高的匹配度。验证了本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法的有效性。
上述实施例以近红外吸收溶液进行举例来表明本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法的有效性。需要进一步说明的是，溶液样品并不局限于上述实施例中所提及的近红外吸收溶液，其它种类、组分的溶液样品同样适用于本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法。
本发明实施例还同时提供一种非易失性计算机可读存储介质，该非易失性计算机可读存储介质存储指令，该指令在由处理器执行时使得所述处理器执行如上述说明中的溶液吸收谱线测量方法中的各个步骤。
本发明实施例还同时提供一种执行溶液吸收谱线测量方法的电子设备，如图5所示，该电子设备包括：至少一个处理器100以及存储器200。存储器200和至少一个处理器100通信连接，例如存储器200和至少一个处理器100通过总线连接。存储器200存储有可被至少一个处理器100执行的指令，所述指令被至少一个处理器100执行，以使至少一个处理器100执行如上述说明中的溶液吸收谱线测量方法中的各个步骤。
采用本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法，在原有SD-OCT系统的基础上不需要引入额外的硬件即可进行光谱分析，在分析过程中，可采用STFT作为时频分析工具进行时频分析，算法的复杂度小，数据处理过程简单，耗时短，与分光光度计按波长扫描的方式测溶液吸收谱线的方法相比，本发明实施例的溶液吸收谱线测量方法由于不需要对波长逐一扫描，进而缩短了分析时间，使得时间成本大大降低，实现了快速、精准地测得具有复杂吸收特征溶液的吸收谱线，此外SD-OCT系统的成本也远低于分光光度计，从而降低了针对溶液吸收谱线检测的设备投入成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种溶液吸收谱线测量方法，包括：
利用傅里叶域光学相干层析成像FD-OCT系统对溶液样品进行测量；
获取所述FD-OCT系统对溶液样品成像的A-scan的原始干涉信号，并对所述原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号；
对所述预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于所述溶液样品深度解析的光谱信息；
从所述深度解析的光谱信息中，提取出所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息；
根据所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得所述溶液样品的吸收谱线；
其中，所述的对所述预处理后的干涉信号进行时频分析，获得关于所述溶液样品深度解析的光谱信息，包括：
对所述预处理后的干涉信号进行短时傅里叶变换STFT，获得关于所述溶液样品的光谱深度信息矩阵；
其中，所述深度解析的光谱信息包括：
所述溶液样品的不同深度处的光谱信息和不同波段下的深度信息；
其中，所述的根据所述溶液样品上表面位置处的光谱信息和所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息，获得所述溶液样品的吸收谱线，包括：
根据朗伯比尔定律，对所述溶液样品中所指定深度位置处的光谱信息与所述溶液样品上表面位置处的光谱信息之比取对数，以获得所述溶液样品的吸收谱线；
其中，所述对所述原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号，包括：
去除所述原始干涉信号中的参考光自相干信号和样品光自相干信号，仅保留所述原始干涉信号中的样品光参考光相干信号。
2.根据权利要求1所述的溶液吸收谱线测量方法，其特征在于，所述的对所述原始干涉信号进行预处理，得到预处理后的干涉信号，进一步包括：
对所述样品光参考光相干信号进行色散补偿，以获得色散补偿后的干涉信号。
3.根据权利要求2所述的溶液吸收谱线测量方法，其特征在于：
所述的对所述样品光参考光相干信号进行色散补偿为针对二阶色散系数和三阶色散系数的色散补偿。
4.根据权利要求1所述的溶液吸收谱线测量方法，其特征在于：
所述溶液样品位于样品槽内，并且由盖玻片覆盖于所述溶液样品上。
5.根据权利要求4所述的溶液吸收谱线测量方法，其特征在于：
所述溶液样品上表面位置为所述溶液样品与所述盖玻片的交界位置。
6.一种非易失性计算机可读存储介质，所述非易失性计算机可读存储介质存储指令，其特征在于，所述指令在由处理器执行时使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述的溶液吸收谱线测量方法。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令使所述至少一个处理器执行如权利要求1至5中任一项所述的溶液吸收谱线测量方法。
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