[发明专利]一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法，步骤包括：对未知物的光谱中的谱峰使用数学函数进行拟合，对拟合后的谱峰参数分段得到各个光谱片段以及其对应波长起始、结束位置；根据所述光谱片段的起始、结束位置对标准光谱进行相同的分段得到标准光谱的光谱片段；对具有相关波长范围的每对未知物和标准物的光谱片段进行拟合，并利用拟合参数校正未知物光谱；将校正后的未知物光谱片段和标准光谱片段分别进行合并，重构整个光谱，并计算重构的未知物光谱与标准光谱的相似度。该方法可应用于红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱的比较和比对，能显著提升光谱比对的正判率。

技术领域

本发明属于光谱数据处理领域，具体涉及一种光谱的谱峰分段和光谱比对算法。

背景技术

作为重要的分子光谱技术，拉曼光谱和红外光谱在结构鉴定和物质快速鉴别等方面得到了广泛的应用，比如毒品、爆炸物、化工原料等的快速鉴定。光谱鉴别的通常做法是：建立光谱数据库(一般是纯化合物)；对未知物质采集光谱，与数据库中的光谱进行比对，计算相关系数，根据相关系数的大小判断未知物与标准物(数据库中的物质)匹配程度。相关系数的计算是物质鉴别最重要的环节之一，它也称为相似度、匹配度、匹配指数等。

目前已有的光谱匹配方法通常是将未知物光谱与标准光谱(数据库光谱)，在全光谱范围或者人为选择的光谱范围计算相关系数。但是，不同的拉曼或红外光谱仪测得的光谱在出峰位置或信号强度等方面会有所不同，这对于相关系数的计算会产生影响，有时影响很大，会出现严重的误判现象。

影响相关系数正确计算的光谱通常具有如下特点：光谱具有严重的非线性基线漂移；光谱具有比较严重的波长或波数偏移；光谱的出峰位置相同，但强度的变化趋势在不同波长或波数范围具有明显的不同(比如，在低波数和高波数两个范围，标准光谱信号是高和低，而未知物光谱却是低和高)。

发明内容

针对不同光谱仪测得的光谱信号可能有所不同而导致的光谱匹配问题，本发明提供一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法，以提升光谱匹配的正判率。

本发明提供一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法，其技术方案为：

对未知物光谱中的谱峰使用数学函数进行拟合，以拟合后的谱峰参数作为分段依据对未知物光谱进行分段，得到多个未知物光谱片段以及与每一未知物光谱片段对应的波长起始位置和结束位置；根据所述波长起始和结束位置对标准光谱进行分段，以得到多个与所述多个未知物光谱片段对应的标准光谱片段；对具有相关波长范围的每对未知物光谱片段和标准物光谱片段进行拟合，并利用拟合参数校正每个未知物光谱片段，以获得校正后的未知物光谱；以及，将所述校正后的未知物光谱片段和标准光谱片段分别进行合并和重构，以获得重构的未知物光谱和重构的标准光谱，并计算所述重构的未知物光谱与所述重构的标准光谱的相似度。

在一些实施例中，对未知物的光谱中的谱峰使用数学函数进行拟合的步骤中，所述数学函数为高斯函数、洛伦兹函数或Voigt函数；

其中，拟合用Voigt函数的函数形式和参数定义如下：

以及对拉曼光谱峰进行Voigt函数拟合的优化目标定义如下：

其中，ν为光谱波数(cm^-1)，α为峰强度，ω为峰中心位置，γ为半峰宽，θ为Gauss-Lorentz系数，A(ν)表示待拟合光谱，表示L个Voigt函数拟合后的拉曼峰的叠加。

在一些实施例中，在对拟合后的谱峰参数分段得到多个未知物光谱片段以及其对应波长起始、结束位置的步骤中，所述谱峰参数为峰中心位置和半峰宽。

在一些实施例中，在对具有相关波长范围的每对未知物光谱片段和标准物光谱片段进行拟合的步骤中，以最小二乘拟合法对具有相关波长范围的每对未知物光谱片段和标准物光谱片段进行拟合。