拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法
【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單地識別拉曼光譜中宇宙射線所產生的干擾，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別及消除方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及天文圖像處理領域，特別涉及一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法。
【背景技術】
[0002]拉曼光譜體現(xiàn)了物質中不同分子基團的振動情況，可以精確地進行物質的定性和定量分析。憑借著這樣的優(yōu)勢，拉曼光譜技術已經成功應用在化工生產、管道傳輸、生化反應監(jiān)測等工業(yè)在線分析領域。高靈敏度的電荷耦合(CCD)檢測器在成像和光譜儀中被廣泛的使用，但是在使用CCD檢測器時，會檢測到來自外太空的帶電高能次原子粒子，從而產生宇宙射線。拉曼光譜儀也是采用電荷耦合器件(CCD)來檢測光譜信號的，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物質的拉曼譜圖嚴重變形，無法獲取正常的待測物質的屬性信息。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:1.信號強度小的宇宙射線很容易被誤認為是拉曼信號。2.某些強度小的拉曼信號又會被認為是宇宙射線而被誤刪。因此需要一個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,《一種簡單的在線拉曼光譜spike剔除方法》[光散射學報，V01.23，N0.3，2011年。李晟，戴連奎]提出了一種簡單的基于滑動窗口相關分析，殘差譜圖分析和局部線性擬合的宇宙射線剔除算法。該文獻同時結合了殘差譜圖分析、滑動窗口相關分析的優(yōu)勢，能夠有效的檢測任意位置上的宇宙射線，并利用局部線性擬合對宇宙射線進行修復。
[0005]但該方法確定對其進行消除宇宙射線的過程較復雜，由計算機進行大量處理時耗時較長，因此需要一種較簡單的方法來識別和消除宇宙射線。

【發(fā)明內容】

[0006]為了能夠較為精確同時又比較簡單地識別和消除宇宙射線所產生的干擾，本發(fā)明提供了一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1，對原始的拉曼光譜進行一階求導，得到具有連續(xù)震蕩峰的一階光譜；
[0008]步驟2，逐個判斷各個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]對原始光譜進行一階求導，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，有助于更好地對這些峰的位置進行定位，另一方面更重要的是為后續(xù)對宇宙射線進行的處理，要在此一階導數(shù)的接觸上獲得波峰波谷的位置，以及對應的強度值等，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；如小于第一閾值，則進入下一步；
[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；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度減去波谷處拉曼強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，因此，通過比較峰寬，可以防止某些強度較小的拉曼信號被誤認為是宇宙射線而刪除；通過比較峰高與峰寬的比值，可以防止某些強度較小的宇宙射線被當做拉曼信號而保留。
[0016]其中所述第一閾值為4cm—1。宇宙射線較窄，通過實驗可得到，大于該閾值的峰寬可認為是拉曼信號。
[0017]其中所述第二閾值為1000。通過實驗可得到，小于該值的信號較為平緩，可認為是
拉曼信號。
[0018]在步驟3中，通過對宇宙射線所在的波數(shù)范圍內各個波數(shù)處的拉曼強度值進行替換來校正震蕩峰。
[0019]通過將震蕩峰的拉曼強度值替換，使得震蕩峰處的拉曼強度值接近其他位置，從而消除宇宙射線產生的震蕩峰。
[0020]將宇宙射線所形成的震蕩峰范圍內各個波數(shù)處的拉曼強度值進行替換的方法為:
[0021]步驟3-1，若識別得到的宇宙射線所產生震蕩峰的峰寬為d，且震蕩峰包含η個波數(shù)，那么在該宇宙射線所產生的震蕩峰左右側各取η-1個波數(shù)作為2 (n-1)個觀測值；若該宇宙射線所產生的震蕩峰其中一側的波數(shù)缺少m個，則從另一側再取m個波數(shù)，同樣得到2(η-1)個波數(shù)作為觀測值；
[0022]步驟3-2，將所述2(n-l)個觀測值的波數(shù)作為自變量，將所述2 (n_l)個觀測值對應的拉曼強度作為因變量，建立一元2 (n-1)-1次方程。
[0023]步驟3-3，將所述2 (η-1)個觀測值分別代入步驟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次方程中的各項系數(shù)，即得到拉曼強度與波數(shù)之間的關系式;
[0024]步驟3-4，將宇宙射線所在波數(shù)范圍內的各個波數(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)范圍內的各個波數(shù)處的拉曼光譜。
[0025]由于宇宙射線產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，此時在震蕩峰的左側或右側的波數(shù)不足η-1個，則另一側在取得η-1個波數(shù)之后再多取所缺數(shù)目的波數(shù)。例如，宇宙射線所產生的震蕩峰位于末尾位置，且η為4，則在其右側位置缺少3個波數(shù)，因此，在左側取得3個波數(shù)之后，再取3個波數(shù)，一共6個作為已知的觀測值。
[0026]通過估計震蕩峰附近的拉曼信號，從而得到震蕩峰位置的拉曼信號，使整個光譜較為連續(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單地識別拉曼光譜中宇宙射線所產生的干擾，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)明第一實施例中樣本I的原始拉曼光譜； [0030]圖3為第一實施例中樣本I原始拉曼光譜的一階導數(shù)譜圖；
[0031]圖4為第一實施例中波數(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)明第二實施例中10個樣本的原始拉曼光譜；
[0035]圖8為本發(fā)明第二實施例中原始拉曼光譜的一階導數(shù)譜圖；
[0036]圖9為本發(fā)明第二實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)明第三實施例中基于尿素原始光譜的氮同位素豐度預測值與實際值的相關關系圖；
[0039]圖12為本發(fā)明第三實施例中去除宇宙射線之后的拉曼光譜；
[0040]圖13為本發(fā)明第三實施例中去除宇宙射線之后模型對同位素豐度預測值與實際值的相關關系圖。
【具體實施方式】
[0041 ] 現(xiàn)結合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0042]第一實施例
[0043]在當前實施例中，以樣本I為例，進行宇宙射線的判定:
[0044]樣本I的原始拉曼光譜如圖2所示，樣本I的原始拉曼光譜經一階求導后的一階導數(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附近有強烈的震蕩峰。
[0046]分析這三個震蕩峰:
[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,波峰處的拉曼強度Ymax = 65963.9，波谷位于波數(shù)λ = 2353cm-1,波谷處拉曼強度Ymin = 63237.6 ;計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'波峰處拉曼強度Ymax = 74439 ;波谷位于波數(shù)λ = 2017CHT1，波谷處拉曼強度Ymin = 53396 ;計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之間的拉曼響應是由宇宙射線引起的。
[0050]以樣本I為例，在識別出由宇宙射線引起的震蕩峰以后，進行宇宙射線的消除:
[0051]對第一個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)范圍左側的2個波數(shù)2357cm_1,2356cm_1和右側的2個波數(shù)23520^,2351(^-1為已知的4個觀測值。
[0053]步驟2)將這4個觀測值的波數(shù)為自變量，而這4個觀測值的拉曼強度為因變量，建立一元三次方程Y = aX3+bX2+cX+d0
[0054]步驟3)把已知的4個觀測值分別帶入這個一元三次方程，解方程后，得到該一元三次方程的常數(shù)項及各項的系數(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)內的各個波數(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)內的各個波數(shù)處的拉曼光譜，即可實現(xiàn)宇宙射線的校正。
[0056]表1為宇宙射線產生的震蕩峰所在三個波數(shù)處的原始拉曼強度值和消除了宇宙射線后的拉曼強度值的比較。
[0057]表1
【權利要求】
1.一種拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，對原始的拉曼光譜進行一階求導，得到具有連續(xù)震蕩峰的一階光譜； 步驟2，逐個判斷各個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.如權利要求1所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，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；如小于第一閾值，則進入下一步； 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；如大于第二閾值，則為宇宙射線所形成的震蕩峰。
3.如權利要求2所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，其特征在于，其中所述第一閾值為4CHT1。
4.如權利要求2所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，其特征在于，其中所述第二閾值為1000。
5.如權利要求1所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，其特征在于，在步驟3中，通過對宇宙射線所在的波數(shù)范圍內各個波數(shù)處的拉曼強度值進行替換來校正震蕩峰。
6.如權利要求5所述拉曼光譜中宇宙射線干擾的識別及消除方法，其特征在于，將宇宙射線所形成的震蕩峰范圍內各個波數(shù)處的拉曼強度值進行替換的方法為: 步驟3-1，若識別得到的宇宙射線所產生震蕩峰的峰寬為d，且震蕩峰包含η個波數(shù)，那么在該宇宙射線所產生的震蕩峰左右側各取η-1個波數(shù)作為2 (η-1)個觀測值；若該宇宙射線所產生的震蕩峰其中一側的波數(shù)缺少m個，則從另一側再取m個波數(shù)，同樣得到2 (η-1)個波數(shù)作為觀測值； 步驟3-2，將所述2 (η-1)個觀測值的波數(shù)作為自變量，將所述2(n-l)個觀測值對應的拉曼強度作為因變量，建立一元2(n-l)-l次方程。 步驟3-3，將所述2(n-l)個觀測值分別代入步驟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次方程中的各項系數(shù)，即得到拉曼強度與波數(shù)之間的關系式； 步驟3-4，將宇宙射線所在波數(shù)范圍內的各個波數(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)范圍內的各個波數(shù)處的拉曼光譜。
【文檔編號】G01J3/44GK103674251SQ201310631802
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】李曉麗, 羅榴彬, 何勇, 孫嬋駿 申請人:浙江大學