[发明专利]一种基于序列移频激发的拉曼信号检测处理系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及拉曼光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种基于序列移频激发的拉曼信号检测处理系统和方法。

背景技术

拉曼光谱是一种分子振动和转动光谱，激发光子与分子通过相互作用产生表征分子振动或转动能级差的特征频移，由此可判断出分子中所含有的化学键或官能团，从而得到分子结构或成分的信息，每种物质都有对应的“指纹”拉曼光谱，因而拉曼光谱在光谱学大家族中占着重要地位。

目前，拉曼光谱已经广泛应用于化学、生物医学、材料、环保、安检和考古等领域。随着激光技术和信号检测技术的发展，拉曼光谱技术在当代工农业生产和科学研究中必将得到越来越广泛的应用。但在检测过程中,样品含有杂质或荧光吸收物质时会产生荧光干扰,且当激发光子提供了足够的能量以致产生荧光时,拉曼信号将变模糊甚至被掩盖，一般情况下，荧光的强度是拉曼散射光的10⁶-10⁸倍。另外，CCD等光电探测器本身的随机噪声和暗电流也会对一些相对弱的拉曼峰的识别产生严重的干扰。这些问题都极大地制约了拉曼光谱技术在实际中的应用。

现有技术中拉曼检测常常遭受样品，杂质和基质成分的荧光的干扰，因此，提出了一种移频激发拉曼差分光谱法(Shifted Excitation Raman Difference Spectroscopy，SERDS)，其是基于拉曼光谱与荧光光谱对激发光波长的依赖程度不同而提出的。移频激发拉曼差分光谱法提取出的拉曼信号的信噪比与使用的激发波长的数量成正比，但是多个激光器的联合使用必然极大地增加光源复杂度与探测成本。移频激发拉曼差分光谱法的另一个技术缺陷是需要从差分光谱中重构真实的拉曼光谱，差分计算引起的偏离散粒噪声限制了其算法的性能。在有噪声存在的情况下，解卷积算法容易出现复原光谱噪声严重放大的病态问题。此外当差分光谱中正负拉曼峰强度不一致时，复原结果会出现严重的振荡现象，甚至会产生光谱扭曲或导致降低光谱分辨率。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于序列移频激发的拉曼信号检测处理系统和方法，解决了现有技术中复原光谱时噪声严重放大、出现严重的振荡、光谱扭曲或导致降低光谱分辨率的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种拉曼信号检测处理系统，包括光纤拉曼探头、光谱预处理单元、执行器电路单元和处理单元；

所述执行器电路单元用于控制所述光纤拉曼探头产生序列波长的拉曼光信号；

所述光纤拉曼探头用于激发并收集样品产生的拉曼光信号；

所述光谱预处理单元用于对收集的拉曼光信号进行预处理，消除二阶、三阶衍射，并将处理后的拉曼光信号转换为数字信号；

所述处理单元用于通过特定解调算法对光谱预处理单元收集的拉曼光信号序列进行处理，提取真实拉曼光谱。

作为优选的，所述光纤拉曼探头包括用于产生等间隔、等功率、等时长的拉曼光信号的激光器，以及控制激光器输出波长的温度控制器，所述温度控制器连接所述执行器电路单元。

作为优选的，所述温度控制器包括半导体致冷器、热沉台件和氮化铝基板，所述半导体致冷器安装于热沉台件底部，所述氮化铝基板安装于所述热沉台件上，所述激光器连同一热敏电阻安装于氮化铝基板上。

作为优选的，所述激光器和温度控制器通过TO-8封装，封装的输出管脚包括激光器的输出的阳极和阴极触点、热敏电阻的两个触点和半导体致冷器的两个触点。

作为优选的，所述光纤拉曼探头还包括带通滤波片、第一长通滤光片、第二长通滤波片、非球面透镜、第三长通滤波片和光纤耦合器；

所述带通滤波片设于激光器的发射光路上，用于消除激光器的杂散辐射，并将拉曼散射光传递至第一长通滤波片；

所述第一长通滤波片、第二长通滤波片用于将激光器的拉曼光信号导出至光纤拉曼探头的探头检测口；

所述非球面透镜设于探头检测口处，用于收集样品产生的拉曼光信号；

所述第三长通滤波片用于剔除非球面透镜收集的拉曼光信号中掺杂的激励源和反斯托克斯光，并将拉曼光信号导入至光纤耦合器；

所述光纤耦合器通过一收集光纤连接光谱预处理单元，用于将收集到的拉曼光信号耦合到收集光纤。

作为优选的，所述光谱预处理单元包括依次设置的准直镜、全息光栅、聚焦镜和CCD探测器面板，所述准直镜、全息光栅和聚焦镜用于将一级衍射光谱聚焦，所述CCD探测器面板用于对聚焦后的一阶衍射光谱转换为数字信号。

作为优选的，所述处理单元包括标准正态变换模块和迭代估算模块；