[发明专利]基于子空间重合判断的混合光谱模式识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学分析和化学计量方法，特别是一种通过对比分析信号、判断被分析样品中物质种类归属的基于子空间重合判断的混合光谱模式识别方法，用于物质定性仪器的定性功能拓展。

背景技术

聚类与分类方法统称为模式识别方法，模式识别方法是化学计量学研究的重要内容。其中根据测定数据完成物质的定性判断是典型的模式分析方法应用。光谱模式识别方法是用于判断物质属性最广泛的模式识别方法，同种物质在同类光谱中具有相同或相近的响应值，通过对比已知物和未知物的光谱可以判定物质的种类和属性。现有的光谱模式识别方法包括峰比对、空间距离、夹角余弦和相关系数等方法。其中，峰比对方法是将物质测量图谱的波峰或波谷位置进行对比，在红外、拉曼、核磁共振、质谱等出峰稳定并且显著的图谱方法中，峰比对方法可以有效判断物质所含的成分或结构情况，通过推理或对比，完成判定。但是对于紫外、近红外等光谱，由于出峰平缓，峰型不典型，另外，即使是出峰显著的各种图谱方法中，在混合体系中出峰可能出现的重叠和覆盖，导致峰值偏移、峰型改变和并合等情形出现，基于峰比对的判断存在限制。而判断峰型不显著的图谱较多采用基于空间距离的“相似性”判断，另外夹角余弦和相关系数也是常用的“相似性”度量指标，但是对于混合体系，由于组成含量的变化会导致峰型出现较大变化，因而导致“相似性”判断不可行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够满足不典型出峰，且适用于多组分体系中物质定性分析的基于子空间重合判断的混合光谱模式识别方法。

解决上述技术问题的基本原理如下：

多组分体系的光谱若采用张量空间描述，每一种物质的光谱可用空间中的一个向量表示，向量的长度（即模量）代表物质含量，而不同光谱特征对应了空间中不同的方向，同一物质的向量在空间中是相同的。如果属于同一物质的光谱，不论物质量如何，其各自对应的向量夹角等于零，这实际就是夹角余弦和相关系数方法的原理。但是在多种物质混合情况下，所得到的光谱向量与纯物质光谱的夹角与体系的物质含量有关，因此，对于混合体系，夹角余弦和相关系数方法不适用。

本发明采用子空间夹角判断空间中向量的归属，实现混合体系光谱中所包含物质的定性。由于在多向量构成的空间中，向量α与其他向量构成的子空间B的夹角定义为α与B中所有向量b之间的最小锐角：

  

也就是在通过α的空间B法平面内，法平面与空间B的交线和α构成的锐角；或表述为“净信号”所处向量与α的补角（参见图2所示）。

根据子空间夹角的定义，如果一个向量处在其所处的子空间内，那么该向量与该子空间的夹角等于零。例如两个不平行向量可以张成一个平面，此平面就是一个二维子空间，由这两个向量构成的任意一个向量都处在该平面中，与该平面的夹角为零。

本发明基于如下关键判断：

待定性混合光谱和标准样品光谱数据库中所包含的物质各自构成集合，如果两个集合是真子集，那么它们之间的子空间夹角等于零，但由于受到噪声和误差的影响，该子空间夹角实际是一个很小的正数（即设定值A）。

解决上述技术问题的技术方案是：一种基于子空间重合判断的混合光谱模式识别方法，该方法是将物质定性仪器测量单元测量到的待定性混合光谱向量，在物质定性仪器的数据信息处理单元中计算其与已知的多个标准样品光谱构成的子空间夹角，通过排列、筛选，判断出符合夹角小于含有最少标准样品数目的子空间，若该子空间与待定性混合光谱向量所处的子空间严格重合，该子空间内所包含的标准样品组成即为待定性混合光谱所含的物质成分组成，从而实现待定性混合光谱中所包含的各种物质的定性识别，识别结果作为物质定性仪器的分析结果输出。

本发明的进一步技术方案是：该方法的具体步骤包括：

S1：通过物质定性仪器的测量单元测量待定性混合光谱S，调用物质定性仪器存储单元预存储的含有已知光谱的标准样品光谱数据库L；

S2：在物质定性仪器的数据信息处理单元中用插值法统一测量所得的待定性混合光谱S及标准样品光谱数据库L的数据，即是将物质定性仪器测量单元输出的光谱响应值插值到与标准图谱具有相同的波长或波数刻度；

S3：计算待定性混合光谱S与标准样品光谱数据库L之间的子空间夹角θ；

S4：判断子空间夹角θ是否大于设定值A，如果是，则进入步骤S5；如果否，则进入步骤S6；