CN117268545A - 一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法及系统，属于光谱检测技术领域。通过对激光出射频率进行调制以得到调制拉曼信号，达到去除荧光噪声对拉曼光谱检测的干扰；激光所加载方波调制信号使得出射激光频率发生周期性改变，频率周期性变化的激光与待测样品作用会产生两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号；利用PCA方法中协方差矩阵的求解方法，对不同周期拉曼信号的协方差矩阵求解其最大特征值所对应的特征向量，该特征向量即为将荧光噪声特征去除而保留拉曼信号特征的调制拉曼信号，从而实时同步消除拉曼光谱测量过程中荧光噪声的干扰，有效提高拉曼光谱的检测灵敏度。

Description

一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法及系统

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法及系统。

背景技术

拉曼光谱能够通过单波长激光器实现任意多组分物质的同时检测，被广泛运用于工业、医疗以及环境检测领域。但在利用拉曼光谱进行微量物质检测时，装置本身或待测物会产生很强的荧光噪声并混杂在拉曼光谱信号当中，如光纤增强拉曼光谱微量气体检测或拉曼光谱微量有机物检测，这严重影响拉曼光谱的检测灵敏度并限制了其运用范围。

中国专利申请CN116465874A公开了基于SERS传感器的茶叶中农药残留的检测方法及系统，该发明中使用一种金银八面体空心笼作为表面增强拉曼散射(SERS)衬底检测茶叶中残存的农药含量，使用python第三方智能库的BaselineRemoval基线减法和Savitzky-Golay smoothing平滑算法处理采集的所述SERS光谱数据，去除背景干扰和荧光噪声。但该发明利用BaselineRemoval基线减法和Savitzky-Golay smoothing平滑算法只能去除较小的荧光噪声波动，当荧光噪声产生类似SERS光谱信号一样高的噪声峰(例如硅产生的荧光噪声)，算法无法将两者很好的区分，从而将荧光噪声残留在SERS光谱数据中，这严重影响该方法对待测物的检测。

中国专利申请CN115004013A公开了拉曼光谱分析方法以及拉曼光谱分析辅助装置，该方法通过第一时间曝光所取得试样的第一光谱作为参考计算出光谱荧光噪声强度与拉曼信号强度之间的关系，以此关系对后续拉曼光谱中的荧光噪声进行去除，但该发明处理荧光噪声的方法存在滞后性，若存在温度、振动以及检测光路改变的因素，该方法无法实时同步获得光谱荧光噪声强度与拉曼信号强度关系，所以之前获得的光谱荧光噪声强度与拉曼信号强度关系将不在适用于后续拉曼光谱的荧光噪声去除，因此该方法无法实时有效的去除拉曼光谱中的荧光噪声。

中国专利申请CN112345502A公开了一种用于消除荧光免疫分析仪中荧光噪声的检测仪，该方法利用小波变化中的软阈值去噪法将信号进行离散二进制小波分解为L层后，设定每一层的阈值大小，小波系数大于该阈值则保留，小于该阈值则认为是噪声，将其去除，最后将阈值处理后的小波系数进行重构从而使重构的信号趋于光滑，但该发明对新的未知检测样品进行检测时，其产生的荧光噪声分布规律和强度都会发生改变，之前软阈值去噪法所预设的阈值将不能很好滤除新的未知检测样品所产生的荧光噪声。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明结合波长调制思想，对激发光的出射频率进行调制，短时间使激光器输出频率产生微小偏移，待测样品产生的拉曼信号变化响应时间比待测样品所产生的荧光噪声信号要快，因此两次连续采集光谱中可近似荧光噪声信号一致，而拉曼信号产生一定信号偏移，利用算法去除两次信号中相同特征可实时同步消除绝大部分拉曼光谱测量过程中的荧光噪声，从而提高拉曼光谱的检测灵敏度。同时，当测量未知待测物拉曼光谱并伴随外界因素对光谱采集造成影响，该方法依然可以通过分析两次连续采集待测样品的拉曼光谱中都存在的相同荧光特征来实现对荧光噪声的滤除，因此该方法也具有不限制待测样品种类以及抗外界环境干扰等优点。

本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，包括以下步骤：

步骤1，利用信号发生器产生周期性变化调制信号并加载到激光器上；

步骤2，利用光谱仪的CCD采集待测样品与调制激光作用而产生的周期性变化的调制拉曼信号；

步骤3，将步骤2获得的调制拉曼信号进行PCA数据处理，得到不同周期拉曼信号的最大特征值所对应的特征向量，从而获得没有荧光噪声干扰的被测样品拉曼信号。

优选地，步骤1包括：

步骤1.1，信号发生器产生调制信号并加载到激光器上，从而使激光器出射激光频率调制并产生周期性小范围频率偏移；

步骤1.2，步骤1.1获得的调制激光经过二向色镜反射进入装有待测样品的检测室中，调制后的激光与检测室中的待测样品作用而产生周期性频率变化的拉曼信号；

步骤1.3，步骤1.2获得的周期性频率变化的后向拉曼信号穿过二向色镜进入到光谱仪中，被光谱仪采集得调制后的拉曼信号。

优选地，步骤1.1中，对信号发生器产生的调制信号参数进行优化，设置最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt为0；

设置信号发生器的调制周期为T₁、强度为A₁并获得此条件下的调制拉曼信号，对调制拉曼信号的信噪比SNR₁进行计算，判断SNR₁是否大于SNR_opt；

若大于，则将此时调制信号的周期、强度和调制拉曼的信噪比赋值给最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt；

若不大于，则不更新参数；此时判断是否设置完所有的调制信号参数，若不是则重新设置调制信号参数，若是则获得最优调制信号参数。

优选地，步骤1中，所加调制信号不限于方波，还包括所有周期性电平变化信号，能使得激光器产生周期性频率移动。

优选地，步骤1中，改变激光频率，生成相对波束固定的荧光噪声信号和相对波束随激光频率改变的拉曼信号。

优选地，步骤2包括：

将信号发生器产生的调制信号同样加载到光谱仪的CCD上，CCD以调制信号为触发信号，从而获得每个调制周期的采集时间点，确保每个调制周期中的调制拉曼信号都被CCD完整采集到。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，将两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号分成S1(n)和S2(n)，其中S1和S2表示两个拉曼位移不同的拉曼光谱信号，n表示采集的多少个周期次数；

步骤3.2，对步骤3.1中获得的{S1(n),S2(n)}数据进行PCA处理，获取关于{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵；

步骤3.3，对步骤3.2中获得的{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵求其最大特征值所对应的特征向量则为所要获得的调制拉曼光谱信号。

优选地，待测样品包括：气体、液体和固体当中的至少一种。

本发明的第二方面提供了一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱系统，执行所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，包括：

产生和采集模块，用于产生及采集调制拉曼信号；

数据处理模块，用于对调制拉曼信号做数据处理，获得没有荧光噪声干扰的拉曼信号。

优选地，产生和采集模块包括：

可调节激光器，平面反射镜，二向色镜和函数信号发生器用于产生调制拉曼信号；

光谱仪和CCD用于采集调制拉曼信号；

数据处理模块包括：

电脑用于对调制拉曼信号做数据处理。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，对激发光的出射频率进行周期性调制，再对周期内两个不同状态下拉曼光谱进行连续采集，结合PCA处理算法去除两次信号中相同特征，可实时同步消除绝大部分拉曼光谱测量过程中的荧光噪声，从而提高拉曼光谱的检测灵敏度。同时，当测量未知待测物拉曼光谱并伴随外界因素对光谱采集造成影响，该方法依然可以通过分析两次连续采集待测样品的拉曼光谱中都存在的相同荧光特征来实现对荧光噪声的滤除，因此该方法也具有不限制待测样品种类以及抗外界环境干扰等优点。

附图说明

图1是频率调制拉曼光谱技术示意图；

图2是调制信号的优化过程。

图中：1为可调节激光器；2为平面反射镜；3为二向色镜；4为检测室；5为CCD；6为光谱仪；7为电脑；8为函数信号发生器。

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，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，包括以下步骤：

步骤1，利用信号发生器产生周期性变化调制信号并加载到激光器上。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，步骤1具体包括：

步骤1.1，信号发生器产生调制信号并加载到激光器上，从而使激光器出射激光频率调制并产生周期性小范围频率偏移；

步骤1.2，步骤1.1获得的调制激光通过二向色镜进入装有待测样品的检测室中，调制后的激光与检测室中的待测样品作用而产生周期性频率变化的拉曼信号；

步骤1.3，步骤1.2获得的周期性频率变化后向拉曼信号由二向色镜反射进入到光谱仪中，被光谱仪采集得调制后的拉曼信号。

在进一步优选但非限制性的实施方式中，采用以下流程对调制信号的参数进行优化：

首先定义最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt为0，之后设置信号发生器的调制周期为T₁、强度为A₁并获得此条件下的调制拉曼信号，对调制拉曼信号的信噪比SNR₁进行计算，判断SNR₁是否大于SNR_opt，若是，则将此时调制信号的周期、强度和调制拉曼的信噪比赋值给最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt；若不大于，则不更新参数；此时判断是否设置完所有的调制信号参数，若不是则重新设置调制信号参数，若是则获得最优调制信号参数。

步骤2，利用光谱仪的CCD采集待测样品与调制激光作用而产生的周期性变化的调制拉曼信号。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，将信号发生器产生的调制信号同样加载到光谱仪的CCD上，CCD以调制信号为触发信号，从而获得每个调制周期的采集时间点，确保每个调制周期中的调制拉曼信号都被CCD完整采集到。

步骤3，将步骤2获得的调制拉曼信号进行PCA数据处理，得到不同周期拉曼信号的最大特征值所对应的特征向量，从而获得没有荧光噪声干扰的被测样品拉曼信号。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，步骤3具体包括：

步骤3.1，将两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号分成S1(n)和S2(n)，其中S1和S2表示两个拉曼位移不同的拉曼光谱信号，n表示采集的多少个周期次数；

步骤3.2，对步骤3.1中获得的{S1(n),S2(n)}数据进行PCA处理，获取关于{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵；

步骤3.3，对步骤3.2中获得的{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵求其最大特征值所对应的特征向量则为所要获得的调制拉曼光谱信号。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，激光器1为可调谐激光器，其频率调谐带宽应当大于100GHz以实现对拉曼信号产生一定频率的偏移。函数信号发生器8产生周期为T，强度为A的方波调制信号，用于加载到激光器和光谱仪6的CCD 5上。调制后的激光由平面反射镜2和激光器对应频率的二向色镜3耦合进入到装有待测样品的检测室4中，调制后的激光与检测室4中的待测样品作用并产生调制拉曼信号。调制拉曼信号的后向散射由二向色镜3反射进入到光谱仪6中，光谱仪将调制拉曼信号分光并由CCD 5接收。由于方波调制的激光会使拉曼信号产生两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号，为了保证调制拉曼信号的每个变化周期都能被CCD 5完整接收，需将CCD 5触发模式设置成外部触发。同时由于信号发生器调制信号在一个周期内存在两次状态变化，这导致调制拉曼信号在一个周期T时间内存在两次频率变化，因此CCD 5的拉曼光谱的采集时间t应当小于调制信号周期T才能保证调制拉曼信号的每个变化周期都能够被CCD 5完整采集到。CCD 5采集到的调制拉曼信号被送到电脑7中进行数据处理，数据处理从而获得没有荧光噪声干扰的调制拉曼光谱信号。

频率调制拉曼光谱方法的数据处理过程主要为：1、先将两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号分成S₁(n)和S₂(n)，其中S₁和S₂表示两个拉曼位移不同的拉曼光谱信号，n表示采集的多少个周期次数；2、对{S₁(n),S₂(n)}数据进行PCA处理，获取关于{S₁(n),S₂(n)}的协方差矩阵；3、对{S₁(n),S₂(n)}的协方差矩阵求其最大特征值所对应的特征向量则为所要获得的调制拉曼光谱信号。

由于函数信号发生器8产生的方波调制信号的周期为T，强度为A会对最终调制拉曼光谱信号的信噪比产生影响，为了获得最优调制拉曼光谱信号的信噪比，需对调制信号的参数进行优化，优化流程图如图2所示。首先定义最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt为0，之后设置信号发生器的调制周期为T₁、强度为A₁并获得此条件下的调制拉曼信号，对调制拉曼信号的信噪比SNR₁进行计算，判断SNR₁是否大于SNR_opt，若是，则将此时调制信号的周期、强度和调制拉曼的信噪比赋值给最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt。若不大于，则不更新参数。此时判断是否设置完所有的调制信号参数，若不是则重新设置调制信号参数，若是则获得最优调制信号参数。

本发明还提供了一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱系统，具体包括：

产生和采集模块，用于产生及采集调制拉曼信号；

数据处理模块，用于对调制拉曼信号做数据处理，获得没有荧光噪声干扰的拉曼信号。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，产生和采集模块包括：

可调节激光器，平面反射镜，二向色镜和函数信号发生器用于产生调制拉曼信号；

光谱仪和CCD用于采集调制拉曼信号；

数据处理模块包括：

电脑用于对调制拉曼信号做数据处理。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，对激发光的出射频率进行周期性调制，再对周期内两个不同状态下拉曼光谱进行连续采集，结合PCA处理算法去除两次信号中相同特征，可实时同步消除绝大部分拉曼光谱测量过程中的荧光噪声，从而提高拉曼光谱的检测灵敏度。同时，当测量未知待测物拉曼光谱并伴随外界因素对光谱采集造成影响，该方法依然可以通过分析两次连续采集待测样品的拉曼光谱中都存在的相同荧光特征来实现对荧光噪声的滤除，因此该方法也具有不限制待测样品种类以及抗外界环境干扰等优点。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用信号发生器产生周期性变化调制信号并加载到激光器上；

步骤2，利用光谱仪的CCD采集待测样品与调制激光作用而产生的周期性变化的调制拉曼信号；

步骤3，将步骤2获得的调制拉曼信号进行PCA数据处理，得到不同周期拉曼信号的最大特征值所对应的特征向量，从而获得没有荧光噪声干扰的被测样品拉曼信号。

2.如权利要求1所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤1包括：

步骤1.1，信号发生器产生调制信号并加载到激光器上，从而使激光器出射激光频率调制并产生周期性小范围频率偏移；

步骤1.2，步骤1.1获得的调制激光经过二向色镜反射进入装有待测样品的检测室中，调制后的激光与检测室中的待测样品作用而产生周期性频率变化的拉曼信号；

步骤1.3，步骤1.2获得的周期性频率变化后向拉曼信号穿过二向色镜进入到光谱仪中，被光谱仪采集得到调制后的拉曼信号。

3.如权利要求2所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤1.1中，对信号发生器产生的调制信号参数进行优化，设置最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt为0；

设置信号发生器的调制周期为T₁、强度为A₁并获得此条件下的调制拉曼信号，对调制拉曼信号的信噪比SNR₁进行计算，判断SNR₁是否大于SNR_opt；

若大于，则将此时调制信号的周期、强度和调制拉曼的信噪比赋值给最优调制信号周期T_opt、强度A_opt以及信噪比SNR_opt；

若不大于，则不更新参数；此时判断是否设置完所有的调制信号参数，若不是则重新设置调制信号参数，若是则获得最优调制信号参数。

4.如权利要求2所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤1中，所加调制信号不限于方波，还包括所有周期性电平变化信号，能使得激光器产生周期性频率移动。

5.如权利要求2所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤1中，改变激光频率，生成相对波束固定的荧光噪声信号和相对波束随激光频率改变的拉曼信号。

6.如权利要求1所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤2包括：

将信号发生器产生的调制信号同样加载到光谱仪的CCD上，CCD以调制信号为触发信号，从而获得每个调制周期的采集时间点，确保每个调制周期中的调制拉曼信号都被CCD完整采集到。

7.如权利要求1所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

步骤3包括：

步骤3.1，将两个不同拉曼位移周期性变化的拉曼信号分成S1(n)和S2(n)，其中S1和S2表示两个拉曼位移不同的拉曼光谱信号，n表示采集的多少个周期次数；

步骤3.2，对步骤3.1中获得的{S1(n),S2(n)}数据进行PCA处理，获取关于{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵；

步骤3.3，对步骤3.2中获得的{S1(n),S2(n)}的协方差矩阵求其最大特征值所对应的特征向量则为所要获得的调制拉曼光谱信号。

8.如权利要求1所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

待测样品包括：气体、液体和固体当中的至少一种。

9.一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱系统，执行如权利要求1至8中任一项所述的一种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱方法，其特征在于：

产生和采集模块，用于产生及采集调制拉曼信号；

数据处理模块，用于对调制拉曼信号做数据处理，获得没有荧光噪声干扰的拉曼信号。

10.如权利要求9所述的种荧光噪声消除的频率调制拉曼光谱系统，其特征在于：

产生和采集模块包括：

可调节激光器，平面反射镜，二向色镜和函数信号发生器用于产生调制拉曼信号；

光谱仪和CCD用于采集调制拉曼信号；

数据处理模块包括：

电脑用于对调制拉曼信号做数据处理。