基于B样条的拉曼光谱基线校正方法-论文.pdf

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1、第34卷，第8期光谱学与光谱分析Vol_34，No．8。pp2117—21212014年8月SpectroscopyandSpectralAnalysisAugust，2014基于B样条的拉曼光谱基线校正方法王昕，范贤光h，许英杰，吴景林，梁骏，左勇1．厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门3610052．北京长城计量测试技术研究所国防科技工业第一计量测试研究中心，北京100095摘要基线漂移是光谱检测仪器普遍存在的现象，会对光谱信号的特征提取带来十分不利的影响，而基线校正是解决该问题的重要手段，也是拉曼光谱信号预处理的重要组

2、成部分。基线校正的原理一般是通过拟合基线的方法来去除光谱信号中的基线漂移。传统的基线校正方法是利用多项式拟合的方法对拉曼光谱信号的基线进行拟合的，但是该方法容易出现过拟合和欠拟合现象，且拟合阶数难以确定。针对传统方法的缺点进行了改进，利用B样条方法对拉曼光谱信号的基线进行拟合，发挥B样条低阶光滑的优点，能够有效地克服多项式方法的缺陷。在实验中，利用该方法对孔雀石绿、罗丹明B的拉曼光谱信号进行了基线校正，观察并比较该方法和传统方法的校正结果。实验结果表明，该方法能够有效地消除拉曼光谱信号的基线漂移，在基线漂移较小和较大的位置，

3、可以采用相同的拟合阶数，不会出现欠拟合和过拟合的现象，获得了良好的基线校正效果，为进一步分析光谱数据提供准确可靠的信息。关键词基线校正；拉曼光谱；B样条中图分类号：0657．3文献标识码：ADOI：10．3964~．issr~1000—0593(2014)08～2117—05有效地克服了多项式拟合的缺点，从而得到了较好的校正效引言果。拉曼光谱(Ramanspectroscopy)是一种基于拉曼散射效1理论应的散射光谱，由印度物理学家Raman所发现L】]。作为一种鉴定物质结构的分析测试手段，拉曼光谱具有非侵入、无损1．1现有

4、的基线校正方法伤和无辐射等优点。随着激光光源的引入、信号检测技术的现有的基线校正算法有多项式拟合【9]、分段多项式拟提高和计算机技术的普及，拉曼光谱技术正日益广泛地应用合[¨]、小波变换[1等，这些方法都能在一定程度上实现于化学化工、生物医学检测和材料生产等领域[2-。拉曼光谱信号的基线校正，然而也同样存在各自的问题。多然而，利用拉曼光谱仪所检测到的拉曼光谱，受到荧光项式拟合和分段多项式拟合都存在拟合阶数难以确定的问等因素的影响，会产生基线漂移【7]。当基线漂移较大时，将题，从而导致欠拟合或者过拟合现象的发生。阶数选择过严重

5、影响特征峰的提取以及被测物质的识别。减小基线漂移少，会导致拟合精度不足(即欠拟合)；阶数选择过多，会导的方法主要是两个方面，仪器改良[8]和数学计算。仪器改良致拟合曲线出现震荡(即过拟合)。为了寻找合适的拟合阶成本较高且无法完全消除荧光物质的影响，而数学计算则成数，往往需要对每一个拉曼光谱信号都不断地进行尝试。而本较低且效果良好。在数学计算方法中，最常用的基线校正且，当拉曼信号的基线漂移较严重时，还可能出现无法找到方法是基于多项式拟合的方法。然而，该方法存在一定的缺合适阶数的情况(即无论阶数取多少，都会出现欠拟合或者陷：当基

6、线漂移较大时，校正精度难以保证；拟合阶数难以过拟合现象)。同时，分段多项式拟合还存在分段划分的问确定；对于局部数据点的漂移较为敏感。因此，本文针对上题，一方面将大大增加拟合的计算量，另一方面为了合理的述问题，提出一种基于B样条拟合的拉曼光谱基线校正方划分每一个段，往往需要人工的参与。小波变换是将拉曼信法，利用B样条拟合方法低阶光滑，且为分段拟合的优点，号分解为一系列正弦波的叠加，能够将信号的低频和高频分收稿日期：2013一10—10。修订日期：2014一O1—15基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ03012

7、417)资助作者简介：王昕，1984年生，厦门大学物理与机电工程学院机电工程系助理教授e-mail：xinwang@xiriu．edu．cn*通讯联系人e-mail：fanxg@mu．edu．cn2118光谱学与光谱分析第34卷开。然而，不同的拉曼光谱，其噪声和基线的频率不尽相同，图1所示。该原理利用B样条拟合算法，通过循环迭代的方且有可能互相重叠，寻找一个适用于各种情况的分解方法具法，不断逼近光谱信号的基线。其基本步骤如下：有一定的困难。同时，小波变换的计算量和计算复杂度也相(1)输入原始拉曼光谱信号So(优维向量)，并令

8、其作为对较高。本文将提出一种基于B样条拟合的基线校正方法，被拟合信号蛳的初始值，即一so；该方法不但能够克服拟合阶数难以确定的问题，达到较好的(2)对蛳进行B样条拟合，获得拟合曲线U；拟合效果，而且计算量和计算复杂度较低，能够在微处理器(3)比较‰和每一项的大小，求其最小值并赋予；上使用，