CN106404743A - 一种结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法及探测装置，判断拉曼光谱信号数据库中存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号时，确定样品为拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，判断近红外光谱信号数据库中存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号时，确定样品为近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；判断组合光谱数据库中存在与组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号时，确定样品为组合光谱数据库中的信号所对应的物质。本发明可扩大可检测物质的种类，提高检测结果的可靠性。

Description

一种结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法及探测装置

技术领域

本发明涉及拉曼信号处理技术领域，尤其涉及一种结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法及探测装置。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱技术以其灵敏性、快速性以及操作方便等优点，在非侵入式检测领域得到了快速发展和广泛应用。

光照射到介质的时候，除了介质吸收、反射和透过外，总有一部分被散射，其散射包括弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。散射光按照频率可以分为三类：第一类，是由某种散射中心(分子或尘埃粒子)引起，其波数变化小于10^-5cm^－1或者基本不变，这类散射称为米氏散射；第二类，由入射光波场与介质内的弹性波发生相互作用而产生的散射，其波数变化大约0.1cm^－1，称为布里渊(Brillouin)散射；以上两类散射通常难以分辨合称为瑞利散射；第三类，波数变化大于1cm^－1的散射，相当于分子转动、振动能级和电子能级间跃迁范围，称为拉曼散射。

近红外光谱(Near Infrared Spectroscopy，简称NIRS)分析技术是利用样品的近红外特征吸收峰与样品成分含量及性能之间建立的数学关系，来预测未知样品成分含量及其性能。与中红外相比，尽管近红外光谱的倍频或组合频吸收强度比基频峰强度大约低1至3个数量级，但由于这些弱的吸收带没有在MIR吸收带显示出边缘干扰，所以在一个较大的吸收动态范围内这些吸收带强度与被测物浓度之间有线性关系。近红外光谱分析技术也是一种高效快速的现代分析技术，综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优势在多个领域得到了日益广泛的应用，并已逐渐得到大众的普遍接受。近年来，由于计算机与化学统计学软件的发展，特别是化学计量学的深入研究和广泛应用，使近红外光谱技术成为发展最快、最引人注目的光谱技术。在短短十几年内，近红外光谱技术已快速发展成为一项极具竞争力的分析技术。

从本质上，近红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是非弹性散射光谱，两者都能表征物质分子的结构。但是对于某些物质，对于激光热敏感，或者拉曼光谱信号极其微弱，或者激光激发时有强烈的荧光信号，使得拉曼信号被淹没在荧光信号中而无法实现拉曼光谱信号的采集。同样，部分物质近红外吸收信号微弱，而拉曼信号很强。

发明内容

为了解决现有技术中单独使用拉曼光谱仪和近红外光谱仪进行检测的识别率需提高的问题，本发明提供了一种结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法及探测装置。

本发明提供了一种结合拉曼光谱与近红外光谱的探测方法，包括：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr；

步骤2，对所述拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对所述样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，对所述近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断所述近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将所述组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与所述组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述组合光谱数据库中的所述信号所对应的物质，方法结束；如果否，则无匹配项，方法结束。

上述探测方法还具有以下特点：

所述步骤5中将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

上述探测方法还具有以下特点：

对所述拉曼光谱信号Sr进行预处理包括：对所述拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；

对所述近红外光谱信号Sn进行预处理包括：对所述近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。

上述探测方法还具有以下特点：

所述步骤1中使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr包括：

步骤101，样品放置于拉曼光谱采集装置的样品采集位置，打开激光器，通过拉曼光谱仪进行采集时长为第一时长的信号采集，获得原始光谱信号S1，关闭所述激光器；

步骤102，通过所述拉曼光谱仪对背景光进行所述第一时长的采集，获得背景光信号S2；计算得到所述原始信号S1与所述背景光信号S2的差值光谱信号Sr；将此差值光谱信号Sr作为所述拉曼光谱信号Sr。

上述探测方法还具有以下特点：

所述步骤101和步骤102之间还包括：判断所述原始信号S1的信号强度是否位于预设范围，如果大于或等于预设范围，降低激光器的激光功率和/或降低采集时长后进行重新采集，重新采集的时长作为所述第一时长；如果小于预设范围，提高激光器的激光功率和/或提高采集时长后进行重新采集，重新采集的时长为第一时长。

本发明还提供了一种结合拉曼光谱与近红外光谱的探测装置，包括：拉曼光谱仪、近红外光谱仪、检测器、存储器；

所述存储器，用于存储拉曼光谱信号数据库、近红外光谱信号数据库、组合光谱数据库；

所述检测器，用于采用以下方法进行探测：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr，

步骤2，对所述拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对所述样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，将所述近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断所述近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将所述组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与所述组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述组合光谱数据库中的所述信号所对应的物质，方法结束；如果否，则无匹配项，方法结束。

上述探测装置还具有以下特点：

所述检测器，用于根据以下方式将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

上述探测装置还具有以下特点：

所述检测器，还用于对所述拉曼光谱信号Sr进行以下预处理：对所述拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；还用于对所述近红外光谱信号Sn进行以下预处理：对所述近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。

本发明针对拉曼光谱仪和近红外光谱仪的单项探测技术存在的不足，利用拉曼和近红外两者的互相补充性，结合拉曼光谱与近红外光谱结合进行探测，可分时或同时探测同一样品的拉曼光谱和近红外光谱，两数据相互补充可扩大可检测物质的种类，提高检测结果的可靠性，特别适合敏感物质样品的成分检测。

附图说明

图1是实施例中结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法的流程图；

图2是实施例中结合拉曼光谱和近红外光谱的探测装置的结构图。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

由于拉曼光谱相对于近红外光谱，其谱峰更为尖锐，分辨率高，可辨识度高。本发明以拉曼光谱探测为主，以近红外光谱探测为辅。对于拉曼光谱信号明显的物质，则以常规的拉曼检测即可识别物质的成分；对于拉曼光谱信号不明显的物质，则以近红外光谱检识别物质的成分或两者的融合光谱进行物质的识别。

图1是实施例中结合拉曼光谱和近红外光谱的探测方法的流程图；此拉曼光谱与近红外光谱结合探测方法包括：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr；

步骤2，对拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定样品为拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，对近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定样品为近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定样品为组合光谱数据库中的信号所对应的物质，方法结束；如果否，则无匹配项，方法结束。

其中，

步骤1中使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr包括：步骤101，样品放置于拉曼光谱采集装置的样品采集位置，打开激光器，通过拉曼光谱仪进行采集时长为第一时长的信号采集，获得原始光谱信号S1，关闭激光器；步骤102，通过拉曼光谱仪对背景光进行第一时长的采集，获得背景光信号S2；计算得到原始信号S1与背景光信号S2的差值光谱信号Sr；将此差值光谱信号Sr作为拉曼光谱信号Sr。

步骤101和步骤102之间还包括：判断原始信号S1的信号强度是否位于预设范围，如果大于或等于预设范围，降低激光器的激光功率和/或降低采集时长后进行重新采集，重新采集的时长作为第一时长；如果小于预设范围，提高激光器的激光功率和/或提高采集时长后进行重新采集，重新采集的时长为第一时长。

步骤5中将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

对拉曼光谱信号Sr进行预处理包括：对拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；对近红外光谱信号Sn进行预处理包括：对近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。

图2是实施例中结合拉曼光谱和近红外光谱的探测装置的结构图。此结合拉曼光谱与近红外光谱的探测装置，包括：拉曼光谱仪、近红外光谱仪、检测器、存储器。

存储器，用于存储拉曼光谱信号数据库、近红外光谱信号数据库、组合光谱数据库；

检测器，用于采用以下方法进行探测：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr，

步骤2，对拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定样品为拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，对近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号Sn的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定样品为近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定样品为组合光谱数据库中的信号所对应的物质，方法结束；如果否，则无匹配项，方法结束。

其中，

检测器，用于根据以下方式将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

检测器，还用于对拉曼光谱信号Sr进行以下预处理：对拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；还用于对近红外光谱信号Sn进行以下预处理：对近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。

本发明针对拉曼光谱仪和近红外光谱仪的单项探测技术存在的不足，利用拉曼和近红外两者的互相补充性，结合拉曼光谱与近红外光谱结合进行探测，可分时或同时探测同一样品的拉曼光谱和近红外光谱，两数据相互补充可扩大可检测物质的种类，提高检测结果的可靠性，特别适合敏感物质样品的成分检测。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种结合拉曼光谱与近红外光谱的探测方法，其特征在于，包括：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr；

步骤2，对所述拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对所述样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，对所述近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断所述近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将所述组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与所述组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述组合光谱数据库中的所述信号所对应的物质，方法结束；如果否，则无匹配项，方法结束。

2.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，

所述步骤5中将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

3.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，

对所述拉曼光谱信号Sr进行预处理包括：对所述拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；

对所述近红外光谱信号Sn进行预处理包括：对所述近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。

4.如权利要求1所述的探测方法，其特征在于，

所述步骤1中使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr包括：

步骤101，样品放置于拉曼光谱采集装置的样品采集位置，打开激光器，通过拉曼光谱仪进行采集时长为第一时长的信号采集，获得原始光谱信号S1，关闭所述激光器；

步骤102，通过所述拉曼光谱仪对背景光进行所述第一时长的采集，获得背景光信号S2；计算得到所述原始信号S1与所述背景光信号S2的差值光谱信号Sr；将此差值光谱信号Sr作为所述拉曼光谱信号Sr。

5.如权利要求3所述的探测方法，其特征在于，

所述步骤101和步骤102之间还包括：判断所述原始信号S1的信号强度是否位于预设范围，如果大于或等于预设范围，降低激光器的激光功率和/或降低采集时长后进行重新采集，重新采集的时长作为所述第一时长；如果小于预设范围，提高激光器的激光功率和/或提高采集时长后进行重新采集，重新采集的时长为第一时长。

6.一种结合拉曼光谱与近红外光谱的探测装置，其特征在于，包括：拉曼光谱仪、近红外光谱仪、检测器、存储器；

所述存储器，用于存储拉曼光谱信号数据库、近红外光谱信号数据库、组合光谱数据库；

所述检测器，用于采用以下方法进行探测：

步骤1，使用拉曼光谱仪对样品进行光谱信号采集并采集到拉曼光谱信号Sr，

步骤2，对所述拉曼光谱信号进行预处理后与拉曼光谱信号数据库中信号进行匹配，判断拉曼光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的拉曼光谱信号的匹配程度大于第一预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述拉曼光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤3；

步骤3，使用近红外光谱仪对所述样品进行近红外光谱信号采集并采集到近红外光谱信号Sn；

步骤4，将所述近红外光谱信号Sn进行预处理后与近红外光谱信号数据库中的信号进行匹配，判断所述近红外光谱信号数据库中是否存在与进行预处理后的近红外光谱信号的匹配程度大于第二预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述近红外光谱信号数据库中的此信号所对应的物质，方法结束，如果否，执行步骤5；

步骤5，将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱；

步骤6，将所述组合光谱与组合光谱数据库中的信号进行匹配，判断组合光谱数据库中是否存在与所述组合光谱的匹配程度大于第三预设值的信号，如果是，确定所述样品为所述组合光谱数据库中的所述信号所对应的物质，方法结束。

7.如权利要求6所述的探测装置，其特征在于，

所述检测器，用于根据以下方式将预处理后的拉曼光谱信号和预处理后的近红外光谱信号进行信号组合得到组合光谱包括：将预处理后的拉曼光谱信号的末端和预处理后的近红外光谱信号的首端相连接构成组合光谱。

8.如权利要求6所述的探测装置，其特征在于，

所述检测器，还用于对所述拉曼光谱信号Sr进行以下预处理：对所述拉曼光谱信号Sr进行滤波去噪、基线校正、归一化处理；还用于对所述近红外光谱信号Sn进行以下预处理：对所述近红外光谱信号Sn进行去噪、将正交信号校正为吸光度数据的处理。