拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種拉曼光譜中宇宙射線的識(shí)別及消除方法，包括如下步驟：步驟1，獲得拉曼光譜中的震蕩峰并進(jìn)行分析，得到宇宙射線所形成的震蕩峰；步驟2，將宇宙射線所形成的震蕩峰進(jìn)行校正，從而消除宇宙射線的干擾。本發(fā)明方法可較為精確而簡(jiǎn)單地識(shí)別拉曼光譜中宇宙射線所產(chǎn)生的干擾，并有效地消除這些干擾。
【專利說明】拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天文圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼光譜體現(xiàn)了物質(zhì)中不同分子基團(tuán)的振動(dòng)情況，可以精確地進(jìn)行物質(zhì)的定性和定量分析。憑借著這樣的優(yōu)勢(shì)，拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在化工生產(chǎn)、管道傳輸、生化反應(yīng)監(jiān)測(cè)等工業(yè)在線分析領(lǐng)域。高靈敏度的電荷耦合(CCD)檢測(cè)器在成像和光譜儀中被廣泛的使用，但是在使用CCD檢測(cè)器時(shí)，會(huì)檢測(cè)到來自外太空的帶電高能次原子粒子，從而產(chǎn)生宇宙射線。拉曼光譜儀也是采用電荷耦合器件(CCD)來檢測(cè)光譜信號(hào)的，所以拉曼光譜也常常受到宇宙射線的干擾。宇宙射線在拉曼譜圖上體現(xiàn)為一系列峰寬較窄的尖銳的峰，這些宇宙射線使待測(cè)物質(zhì)的拉曼譜圖嚴(yán)重變形，無法獲取正常的待測(cè)物質(zhì)的屬性信息。因此需要在拉曼譜圖中剔除宇宙射的干擾。
[0003]由于宇宙射線的出現(xiàn)呈無規(guī)律性，一直以來都是靠人的主觀判斷來消除，沒有一個(gè)統(tǒng)一的消除方法，而這種傳統(tǒng)的人眼主觀判斷方法有很明顯缺點(diǎn):1.信號(hào)強(qiáng)度小的宇宙射線很容易被誤認(rèn)為是拉曼信號(hào)。2.某些強(qiáng)度小的拉曼信號(hào)又會(huì)被認(rèn)為是宇宙射線而被誤刪。因此需要一個(gè)明確的判定方法來找到宇宙射線，以減少這種不必要的人為誤差。而且在找到宇宙射線之后，還需要一個(gè)更加精確的方法來消除宇宙射線。
[0004]為了去除在線拉曼光譜中的的宇宙射線,《一種簡(jiǎn)單的在線拉曼光譜spike剔除方法》[光散射學(xué)報(bào)，V01.23，N0.3，2011年。李晟，戴連奎]提出了一種簡(jiǎn)單的基于滑動(dòng)窗口相關(guān)分析，殘差譜圖分析和局部線性擬合的宇宙射線剔除算法。該文獻(xiàn)同時(shí)結(jié)合了殘差譜圖分析、滑動(dòng)窗口相關(guān)分析的優(yōu)勢(shì)，能夠有效的檢測(cè)任意位置上的宇宙射線，并利用局部線性擬合對(duì)宇宙射線進(jìn)行修復(fù)。
[0005]但該方法確定對(duì)其進(jìn)行消除宇宙射線的過程較復(fù)雜，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量處理時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)，因此需要一種較簡(jiǎn)單的方法來識(shí)別和消除宇宙射線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了能夠較為精確同時(shí)又比較簡(jiǎn)單地識(shí)別和消除宇宙射線所產(chǎn)生的干擾，本發(fā)明提供了一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1，對(duì)原始的拉曼光譜進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到具有連續(xù)震蕩峰的一階光譜；
[0008]步驟2，逐個(gè)判斷各個(gè)震蕩峰是否由宇宙射線形成，在得到所有宇宙射線形成的震蕩峰后，進(jìn)入步驟3;
[0009]步驟3，在原始的拉曼光譜中校正宇宙射線所形成的震蕩峰，從而消除宇宙射線的干擾。
[0010]對(duì)原始光譜進(jìn)行一階求導(dǎo)，使原始拉曼光譜圖中的那些出現(xiàn)拉曼特征峰和宇宙射線的位置凸顯出來，有助于更好地對(duì)這些峰的位置進(jìn)行定位，另一方面更重要的是為后續(xù)對(duì)宇宙射線進(jìn)行的處理，要在此一階導(dǎo)數(shù)的接觸上獲得波峰波谷的位置，以及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值等，作為判定的依據(jù)。
[0011]步驟2中，判斷宇宙射線所形成的震蕩峰方法為:
[0012]步驟2a，得到待判斷震蕩峰的波峰所處波數(shù)位置以及波谷所處波數(shù)位置，從而得到該震蕩峰的峰寬；
[0013]步驟2b，將該峰寬與第一閾值比較，如大于該第一閾值，則該震蕩峰為拉曼信號(hào)；如小于第一閾值，則進(jìn)入下一步；
[0014]步驟2c，獲取震蕩峰的峰高，將峰高除以峰寬，并與第二閾值比較，如小于該第二閾值，則該震蕩峰為拉曼信號(hào)；如大于第二閾值，則為宇宙射線所形成的震蕩峰。
[0015]將震蕩峰波峰處的拉曼強(qiáng)度減去波谷處拉曼強(qiáng)度即可得到該震蕩峰的峰高。由于宇宙射線具有峰寬較窄且較尖銳的特點(diǎn)，因此，通過比較峰寬，可以防止某些強(qiáng)度較小的拉曼信號(hào)被誤認(rèn)為是宇宙射線而刪除；通過比較峰高與峰寬的比值，可以防止某些強(qiáng)度較小的宇宙射線被當(dāng)做拉曼信號(hào)而保留。
[0016]其中所述第一閾值為4cm—1。宇宙射線較窄，通過實(shí)驗(yàn)可得到，大于該閾值的峰寬可認(rèn)為是拉曼信號(hào)。
[0017]其中所述第二閾值為1000。通過實(shí)驗(yàn)可得到，小于該值的信號(hào)較為平緩，可認(rèn)為是
拉曼信號(hào)。
[0018]在步驟3中，通過對(duì)宇宙射線所在的波數(shù)范圍內(nèi)各個(gè)波數(shù)處的拉曼強(qiáng)度值進(jìn)行替換來校正震蕩峰。
[0019]通過將震蕩峰的拉曼強(qiáng)度值替換，使得震蕩峰處的拉曼強(qiáng)度值接近其他位置，從而消除宇宙射線產(chǎn)生的震蕩峰。
[0020]將宇宙射線所形成的震蕩峰范圍內(nèi)各個(gè)波數(shù)處的拉曼強(qiáng)度值進(jìn)行替換的方法為:
[0021]步驟3-1，若識(shí)別得到的宇宙射線所產(chǎn)生震蕩峰的峰寬為d，且震蕩峰包含η個(gè)波數(shù)，那么在該宇宙射線所產(chǎn)生的震蕩峰左右側(cè)各取η-1個(gè)波數(shù)作為2 (n-1)個(gè)觀測(cè)值；若該宇宙射線所產(chǎn)生的震蕩峰其中一側(cè)的波數(shù)缺少m個(gè)，則從另一側(cè)再取m個(gè)波數(shù)，同樣得到2(η-1)個(gè)波數(shù)作為觀測(cè)值；
[0022]步驟3-2，將所述2(n-l)個(gè)觀測(cè)值的波數(shù)作為自變量，將所述2 (n_l)個(gè)觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的拉曼強(qiáng)度作為因變量，建立一元2 (n-1)-1次方程。
[0023]步驟3-3，將所述2 (η-1)個(gè)觀測(cè)值分別代入步驟3_2所建立的一元2 (n-1)-1次方程，解方程得到所述一元2 (n-1)-1次方程中的各項(xiàng)系數(shù)，即得到拉曼強(qiáng)度與波數(shù)之間的關(guān)系式;
[0024]步驟3-4，將宇宙射線所在波數(shù)范圍內(nèi)的各個(gè)波數(shù)代入該一元2 (n-1)-1次方程，用來替換宇宙射線所在波數(shù)范圍內(nèi)的各個(gè)波數(shù)處的拉曼光譜。
[0025]由于宇宙射線產(chǎn)生的震蕩峰可能出現(xiàn)在拉曼光譜的頂端或末尾位置附近，此時(shí)在震蕩峰的左側(cè)或右側(cè)的波數(shù)不足η-1個(gè)，則另一側(cè)在取得η-1個(gè)波數(shù)之后再多取所缺數(shù)目的波數(shù)。例如，宇宙射線所產(chǎn)生的震蕩峰位于末尾位置，且η為4，則在其右側(cè)位置缺少3個(gè)波數(shù)，因此，在左側(cè)取得3個(gè)波數(shù)之后，再取3個(gè)波數(shù)，一共6個(gè)作為已知的觀測(cè)值。
[0026]通過估計(jì)震蕩峰附近的拉曼信號(hào)，從而得到震蕩峰位置的拉曼信號(hào)，使整個(gè)光譜較為連續(xù)平緩，因此較精確地消除了宇宙射線干擾。
[0027]本發(fā)明方法可較為精確而簡(jiǎn)單地識(shí)別拉曼光譜中宇宙射線所產(chǎn)生的干擾，并有效地消除這些干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0029]圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例中樣本I的原始拉曼光譜； [0030]圖3為第一實(shí)施例中樣本I原始拉曼光譜的一階導(dǎo)數(shù)譜圖；
[0031]圖4為第一實(shí)施例中波數(shù)2358-2530(31^1范圍的拉曼光譜在消除宇宙射線前后的比較；
[0032]圖5為第一實(shí)施例中波數(shù)2024-201?!^1范圍在消除宇宙射線前后拉曼光譜比較
[0033]圖6為第一實(shí)施例中樣本I消除宇宙射線前后拉曼光譜比較；
[0034]圖7為本發(fā)明第二實(shí)施例中10個(gè)樣本的原始拉曼光譜；
[0035]圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例中原始拉曼光譜的一階導(dǎo)數(shù)譜圖；
[0036]圖9為本發(fā)明第二實(shí)施例中消除宇宙射線后的拉曼光譜；
[0037]圖10為本發(fā)明第三實(shí)施例中尿素樣本的原始拉曼光譜；
[0038]圖11為本發(fā)明第三實(shí)施例中基于尿素原始光譜的氮同位素豐度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)關(guān)系圖；
[0039]圖12為本發(fā)明第三實(shí)施例中去除宇宙射線之后的拉曼光譜；
[0040]圖13為本發(fā)明第三實(shí)施例中去除宇宙射線之后模型對(duì)同位素豐度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041 ] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0042]第一實(shí)施例
[0043]在當(dāng)前實(shí)施例中，以樣本I為例，進(jìn)行宇宙射線的判定:
[0044]樣本I的原始拉曼光譜如圖2所示，樣本I的原始拉曼光譜經(jīng)一階求導(dǎo)后的一階導(dǎo)數(shù)光譜如圖3所示。
[0045]如圖3所示波數(shù)1630CHT1和2300^^1附近有小的震蕩峰，在波數(shù)2000^^1附近有強(qiáng)烈的震蕩峰。
[0046]分析這三個(gè)震蕩峰:
[0047]①位于波數(shù)1630CHT1附近的震蕩峰，波峰位于波數(shù)λ = 1639cm-1處，波谷位于λ=1627cm-1處，計(jì)算得到峰寬d = 1639-1627 = 12 > 4，由此可以判斷出波數(shù)1630CHT1附近的震蕩峰不是宇宙射線。
[0048]②位于波數(shù)2300CHT1附近的震蕩峰，該波峰位于λ = 2355cm-1,波峰處的拉曼強(qiáng)度Ymax = 65963.9，波谷位于波數(shù)λ = 2353cm-1,波谷處拉曼強(qiáng)度Ymin = 63237.6 ;計(jì)算得到波峰與波谷間的高度差(峰高)h = Ymax-Ymin = 2726.3，峰寬d = 2355-2353 = 2，h 2726.3 ,.fj
T = -^ = 1363.1滿足宇宙射線的判斷條件d≤4cm—1，而且7>1000由此可以判斷出波a 2,d,數(shù)2353CHT1到2355CHT1之間拉曼響應(yīng)是由宇宙射線引起。
[0049]③位于波數(shù)20000^1附近的震蕩峰，該波峰位于波數(shù)λ = 2020011'波峰處拉曼強(qiáng)度Ymax = 74439 ;波谷位于波數(shù)λ = 2017CHT1，波谷處拉曼強(qiáng)度Ymin = 53396 ;計(jì)算得到波峰與波谷間的高度差(即峰高)h = Ymax-Ymin = 74439-53396 = 21043，峰寬 d = 2020-2017
h 2丨043h
=3，7 = = 5260.75，滿足宇宙射線的判斷條件d ^4cm 1，而且了 >1000;由此可以判斷
出波數(shù)2017CHT1到2020CHT1之間的拉曼響應(yīng)是由宇宙射線引起的。
[0050]以樣本I為例，在識(shí)別出由宇宙射線引起的震蕩峰以后，進(jìn)行宇宙射線的消除:
[0051]對(duì)第一個(gè)宇宙射線干擾的消除: [0052]步驟I)得到波數(shù)2355CHT1到2353CHT1處的宇宙射線峰寬d為2 (d=2)，其中包含三個(gè)波數(shù)分別為2355(311^,2354(^-1和2353cm—1 (即n=3)，則取該波數(shù)范圍左側(cè)的2個(gè)波數(shù)2357cm_1,2356cm_1和右側(cè)的2個(gè)波數(shù)23520^,2351(^-1為已知的4個(gè)觀測(cè)值。
[0053]步驟2)將這4個(gè)觀測(cè)值的波數(shù)為自變量，而這4個(gè)觀測(cè)值的拉曼強(qiáng)度為因變量，建立一元三次方程Y = aX3+bX2+cX+d0
[0054]步驟3)把已知的4個(gè)觀測(cè)值分別帶入這個(gè)一元三次方程，解方程后，得到該一元三次方程的常數(shù)項(xiàng)及各項(xiàng)的系數(shù)為a=-38.5256556971368，b=272137.560126769，c=-640774827.209553 和 d=502922376875.37。
[0055]步驟4)把波數(shù)范圍(從2355CHT1到2353CHT1)內(nèi)的各個(gè)波數(shù)(2355CHT1，2354CHT1和2353cm—1)代入該一元三次方程，即可得到用來替換宇宙射線所在波數(shù)范圍(從λ min到λ max間)內(nèi)的各個(gè)波數(shù)處的拉曼光譜，即可實(shí)現(xiàn)宇宙射線的校正。
[0056]表1為宇宙射線產(chǎn)生的震蕩峰所在三個(gè)波數(shù)處的原始拉曼強(qiáng)度值和消除了宇宙射線后的拉曼強(qiáng)度值的比較。
[0057]表1
【權(quán)利要求】
1.一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，對(duì)原始的拉曼光譜進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到具有連續(xù)震蕩峰的一階光譜； 步驟2，逐個(gè)判斷各個(gè)震蕩峰是否由宇宙射線形成，在得到所有宇宙射線形成的震蕩峰后，進(jìn)入步驟3 ; 步驟3，在原始的拉曼光譜中校正宇宙射線所形成的震蕩峰，從而消除宇宙射線的干擾。
2.如權(quán)利要求1所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，步驟2中，判斷宇宙射線所形成的震蕩峰方法為: 步驟2a，得到待判斷震蕩峰的波峰所處波數(shù)位置以及波谷所處波數(shù)位置，從而得到該震湯峰的峰覽; 步驟2b，將該峰寬與第一閾值比較，如大于該第一閾值，則該震蕩峰為拉曼信號(hào)；如小于第一閾值，則進(jìn)入下一步； 步驟2c，獲取震蕩峰的峰高，將峰高除以峰寬，并與第二閾值比較，如小于該第二閾值，則該震蕩峰為拉曼信號(hào)；如大于第二閾值，則為宇宙射線所形成的震蕩峰。
3.如權(quán)利要求2所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，其中所述第一閾值為4CHT1。
4.如權(quán)利要求2所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，其中所述第二閾值為1000。
5.如權(quán)利要求1所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，在步驟3中，通過對(duì)宇宙射線所在的波數(shù)范圍內(nèi)各個(gè)波數(shù)處的拉曼強(qiáng)度值進(jìn)行替換來校正震蕩峰。
6.如權(quán)利要求5所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識(shí)別及消除方法，其特征在于，將宇宙射線所形成的震蕩峰范圍內(nèi)各個(gè)波數(shù)處的拉曼強(qiáng)度值進(jìn)行替換的方法為: 步驟3-1，若識(shí)別得到的宇宙射線所產(chǎn)生震蕩峰的峰寬為d，且震蕩峰包含η個(gè)波數(shù)，那么在該宇宙射線所產(chǎn)生的震蕩峰左右側(cè)各取η-1個(gè)波數(shù)作為2 (η-1)個(gè)觀測(cè)值；若該宇宙射線所產(chǎn)生的震蕩峰其中一側(cè)的波數(shù)缺少m個(gè)，則從另一側(cè)再取m個(gè)波數(shù)，同樣得到2 (η-1)個(gè)波數(shù)作為觀測(cè)值； 步驟3-2，將所述2 (η-1)個(gè)觀測(cè)值的波數(shù)作為自變量，將所述2(n-l)個(gè)觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的拉曼強(qiáng)度作為因變量，建立一元2(n-l)-l次方程。 步驟3-3，將所述2(n-l)個(gè)觀測(cè)值分別代入步驟3-2所建立的一元2 (n_l)-1次方程，解方程得到所述一元2 (n-1)-1次方程中的各項(xiàng)系數(shù)，即得到拉曼強(qiáng)度與波數(shù)之間的關(guān)系式； 步驟3-4，將宇宙射線所在波數(shù)范圍內(nèi)的各個(gè)波數(shù)代入該一元2 (n-1)-1次方程，用來替換宇宙射線所在波數(shù)范圍內(nèi)的各個(gè)波數(shù)處的拉曼光譜。
【文檔編號(hào)】G01J3/44GK103674251SQ201310631802
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】李曉麗, 羅榴彬, 何勇, 孫嬋駿 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)