一種結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測方法及探測裝置與流程

本發明涉及拉曼信號處理技術領域，尤其涉及一種結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測方法及探測裝置。

背景技術：

拉曼光譜(Raman spectra)是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，對入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面的信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。拉曼光譜技術以其靈敏性、快速性以及操作方便等優點，在非侵入式檢測領域得到了快速發展和廣泛應用。

光照射到介質的時候，除了介質吸收、反射和透過外，總有一部分被散射，其散射包括彈性散射和非彈性散射。彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分，非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分，統稱為拉曼效應。散射光按照頻率可以分為三類：第一類，是由某種散射中心(分子或塵埃粒子)引起，其波數變化小于10^-5cm^－1或者基本不變，這類散射稱為米氏散射；第二類，由入射光波場與介質內的彈性波發生相互作用而產生的散射，其波數變化大約0.1cm^－1，稱為布里淵(Brillouin)散射；以上兩類散射通常難以分辨合稱為瑞利散射；第三類，波數變化大于1cm^－1的散射，相當于分子轉動、振動能級和電子能級間躍遷范圍，稱為拉曼散射。

近紅外光譜(Near Infrared Spectroscopy，簡稱NIRS)分析技術是利用樣品的近紅外特征吸收峰與樣品成分含量及性能之間建立的數學關系，來預測未知樣品成分含量及其性能。與中紅外相比，盡管近紅外光譜的倍頻或組合頻吸收強度比基頻峰強度大約低1至3個數量級，但由于這些弱的吸收帶沒有在MIR吸收帶顯示出邊緣干擾，所以在一個較大的吸收動態范圍內這些吸收帶強度與被測物濃度之間有線性關系。近紅外光譜分析技術也是一種高效快速的現代分析技術，綜合運用了計算機技術、光譜技術和化學計量學等多個學科的最新研究成果，以其獨特的優勢在多個領域得到了日益廣泛的應用，并已逐漸得到大眾的普遍接受。近年來，由于計算機與化學統計學軟件的發展，特別是化學計量學的深入研究和廣泛應用，使近紅外光譜技術成為發展最快、最引人注目的光譜技術。在短短十幾年內，近紅外光譜技術已快速發展成為一項極具競爭力的分析技術。

從本質上，近紅外光譜是吸收光譜，拉曼光譜是非彈性散射光譜，兩者都能表征物質分子的結構。但是對于某些物質，對于激光熱敏感，或者拉曼光譜信號極其微弱，或者激光激發時有強烈的熒光信號，使得拉曼信號被淹沒在熒光信號中而無法實現拉曼光譜信號的采集。同樣，部分物質近紅外吸收信號微弱，而拉曼信號很強。

技術實現要素：

為了解決現有技術中單獨使用拉曼光譜儀和近紅外光譜儀進行檢測的識別率需提高的問題，本發明提供了一種結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測方法及探測裝置。

本發明提供了一種結合拉曼光譜與近紅外光譜的探測方法，包括：

步驟1，使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr；

步驟2，對所述拉曼光譜信號進行預處理后與拉曼光譜信號數據庫中信號進行匹配，判斷拉曼光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的拉曼光譜信號的匹配程度大于第一預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述拉曼光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟3；

步驟3，使用近紅外光譜儀對所述樣品進行近紅外光譜信號采集并采集到近紅外光譜信號Sn；

步驟4，對所述近紅外光譜信號Sn進行預處理后與近紅外光譜信號數據庫中的信號進行匹配，判斷所述近紅外光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的近紅外光譜信號的匹配程度大于第二預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述近紅外光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟5；

步驟5，將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜；

步驟6，將所述組合光譜與組合光譜數據庫中的信號進行匹配，判斷組合光譜數據庫中是否存在與所述組合光譜的匹配程度大于第三預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述組合光譜數據庫中的所述信號所對應的物質，方法結束；如果否，則無匹配項，方法結束。

上述探測方法還具有以下特點：

所述步驟5中將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜包括：將預處理后的拉曼光譜信號的末端和預處理后的近紅外光譜信號的首端相連接構成組合光譜。

上述探測方法還具有以下特點：

對所述拉曼光譜信號Sr進行預處理包括：對所述拉曼光譜信號Sr進行濾波去噪、基線校正、歸一化處理；

對所述近紅外光譜信號Sn進行預處理包括：對所述近紅外光譜信號Sn進行去噪、將正交信號校正為吸光度數據的處理。

上述探測方法還具有以下特點：

所述步驟1中使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr包括：

步驟101，樣品放置于拉曼光譜采集裝置的樣品采集位置，打開激光器，通過拉曼光譜儀進行采集時長為第一時長的信號采集，獲得原始光譜信號S1，關閉所述激光器；

步驟102，通過所述拉曼光譜儀對背景光進行所述第一時長的采集，獲得背景光信號S2；計算得到所述原始信號S1與所述背景光信號S2的差值光譜信號Sr；將此差值光譜信號Sr作為所述拉曼光譜信號Sr。

上述探測方法還具有以下特點：

所述步驟101和步驟102之間還包括：判斷所述原始信號S1的信號強度是否位于預設范圍，如果大于或等于預設范圍，降低激光器的激光功率和/或降低采集時長后進行重新采集，重新采集的時長作為所述第一時長；如果小于預設范圍，提高激光器的激光功率和/或提高采集時長后進行重新采集，重新采集的時長為第一時長。

本發明還提供了一種結合拉曼光譜與近紅外光譜的探測裝置，包括：拉曼光譜儀、近紅外光譜儀、檢測器、存儲器；

所述存儲器，用于存儲拉曼光譜信號數據庫、近紅外光譜信號數據庫、組合光譜數據庫；

所述檢測器，用于采用以下方法進行探測：

步驟1，使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr，

步驟2，對所述拉曼光譜信號進行預處理后與拉曼光譜信號數據庫中信號進行匹配，判斷拉曼光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的拉曼光譜信號的匹配程度大于第一預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述拉曼光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟3；

步驟3，使用近紅外光譜儀對所述樣品進行近紅外光譜信號采集并采集到近紅外光譜信號Sn；

步驟4，將所述近紅外光譜信號Sn進行預處理后與近紅外光譜信號數據庫中的信號進行匹配，判斷所述近紅外光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的近紅外光譜信號的匹配程度大于第二預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述近紅外光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟5；

步驟5，將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜；

步驟6，將所述組合光譜與組合光譜數據庫中的信號進行匹配，判斷組合光譜數據庫中是否存在與所述組合光譜的匹配程度大于第三預設值的信號，如果是，確定所述樣品為所述組合光譜數據庫中的所述信號所對應的物質，方法結束；如果否，則無匹配項，方法結束。

上述探測裝置還具有以下特點：

所述檢測器，用于根據以下方式將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜包括：將預處理后的拉曼光譜信號的末端和預處理后的近紅外光譜信號的首端相連接構成組合光譜。

上述探測裝置還具有以下特點：

所述檢測器，還用于對所述拉曼光譜信號Sr進行以下預處理：對所述拉曼光譜信號Sr進行濾波去噪、基線校正、歸一化處理；還用于對所述近紅外光譜信號Sn進行以下預處理：對所述近紅外光譜信號Sn進行去噪、將正交信號校正為吸光度數據的處理。

本發明針對拉曼光譜儀和近紅外光譜儀的單項探測技術存在的不足，利用拉曼和近紅外兩者的互相補充性，結合拉曼光譜與近紅外光譜結合進行探測，可分時或同時探測同一樣品的拉曼光譜和近紅外光譜，兩數據相互補充可擴大可檢測物質的種類，提高檢測結果的可靠性，特別適合敏感物質樣品的成分檢測。

附圖說明

圖1是實施例中結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測方法的流程圖；

圖2是實施例中結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測裝置的結構圖。

具體實施例

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。

由于拉曼光譜相對于近紅外光譜，其譜峰更為尖銳，分辨率高，可辨識度高。本發明以拉曼光譜探測為主，以近紅外光譜探測為輔。對于拉曼光譜信號明顯的物質，則以常規的拉曼檢測即可識別物質的成分；對于拉曼光譜信號不明顯的物質，則以近紅外光譜檢識別物質的成分或兩者的融合光譜進行物質的識別。

圖1是實施例中結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測方法的流程圖；此拉曼光譜與近紅外光譜結合探測方法包括：

步驟1，使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr；

步驟2，對拉曼光譜信號進行預處理后與拉曼光譜信號數據庫中信號進行匹配，判斷拉曼光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的拉曼光譜信號的匹配程度大于第一預設值的信號，如果是，確定樣品為拉曼光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟3；

步驟3，使用近紅外光譜儀對樣品進行近紅外光譜信號采集并采集到近紅外光譜信號Sn；

步驟4，對近紅外光譜信號Sn進行預處理后與近紅外光譜信號數據庫中的信號進行匹配，判斷近紅外光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的近紅外光譜信號的匹配程度大于第二預設值的信號，如果是，確定樣品為近紅外光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟5；

步驟5，將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜；

步驟6，將組合光譜與組合光譜數據庫中的信號進行匹配，判斷組合光譜數據庫中是否存在與組合光譜的匹配程度大于第三預設值的信號，如果是，確定樣品為組合光譜數據庫中的信號所對應的物質，方法結束；如果否，則無匹配項，方法結束。

其中，

步驟1中使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr包括：步驟101，樣品放置于拉曼光譜采集裝置的樣品采集位置，打開激光器，通過拉曼光譜儀進行采集時長為第一時長的信號采集，獲得原始光譜信號S1，關閉激光器；步驟102，通過拉曼光譜儀對背景光進行第一時長的采集，獲得背景光信號S2；計算得到原始信號S1與背景光信號S2的差值光譜信號Sr；將此差值光譜信號Sr作為拉曼光譜信號Sr。

步驟101和步驟102之間還包括：判斷原始信號S1的信號強度是否位于預設范圍，如果大于或等于預設范圍，降低激光器的激光功率和/或降低采集時長后進行重新采集，重新采集的時長作為第一時長；如果小于預設范圍，提高激光器的激光功率和/或提高采集時長后進行重新采集，重新采集的時長為第一時長。

步驟5中將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜包括：將預處理后的拉曼光譜信號的末端和預處理后的近紅外光譜信號的首端相連接構成組合光譜。

對拉曼光譜信號Sr進行預處理包括：對拉曼光譜信號Sr進行濾波去噪、基線校正、歸一化處理；對近紅外光譜信號Sn進行預處理包括：對近紅外光譜信號Sn進行去噪、將正交信號校正為吸光度數據的處理。

圖2是實施例中結合拉曼光譜和近紅外光譜的探測裝置的結構圖。此結合拉曼光譜與近紅外光譜的探測裝置，包括：拉曼光譜儀、近紅外光譜儀、檢測器、存儲器。

存儲器，用于存儲拉曼光譜信號數據庫、近紅外光譜信號數據庫、組合光譜數據庫；

檢測器，用于采用以下方法進行探測：

步驟1，使用拉曼光譜儀對樣品進行光譜信號采集并采集到拉曼光譜信號Sr，

步驟2，對拉曼光譜信號進行預處理后與拉曼光譜信號數據庫中信號進行匹配，判斷拉曼光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的拉曼光譜信號的匹配程度大于第一預設值的信號，如果是，確定樣品為拉曼光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟3；

步驟3，使用近紅外光譜儀對樣品進行近紅外光譜信號采集并采集到近紅外光譜信號Sn；

步驟4，對近紅外光譜信號Sn進行預處理后與近紅外光譜信號數據庫中的信號進行匹配，判斷近紅外光譜信號數據庫中是否存在與進行預處理后的近紅外光譜信號Sn的匹配程度大于第二預設值的信號，如果是，確定樣品為近紅外光譜信號數據庫中的此信號所對應的物質，方法結束，如果否，執行步驟5；

步驟5，將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜；

步驟6，將組合光譜與組合光譜數據庫中的信號進行匹配，判斷組合光譜數據庫中是否存在與組合光譜的匹配程度大于第三預設值的信號，如果是，確定樣品為組合光譜數據庫中的信號所對應的物質，方法結束；如果否，則無匹配項，方法結束。

其中，

檢測器，用于根據以下方式將預處理后的拉曼光譜信號和預處理后的近紅外光譜信號進行信號組合得到組合光譜包括：將預處理后的拉曼光譜信號的末端和預處理后的近紅外光譜信號的首端相連接構成組合光譜。

檢測器，還用于對拉曼光譜信號Sr進行以下預處理：對拉曼光譜信號Sr進行濾波去噪、基線校正、歸一化處理；還用于對近紅外光譜信號Sn進行以下預處理：對近紅外光譜信號Sn進行去噪、將正交信號校正為吸光度數據的處理。

本發明針對拉曼光譜儀和近紅外光譜儀的單項探測技術存在的不足，利用拉曼和近紅外兩者的互相補充性，結合拉曼光譜與近紅外光譜結合進行探測，可分時或同時探測同一樣品的拉曼光譜和近紅外光譜，兩數據相互補充可擴大可檢測物質的種類，提高檢測結果的可靠性，特別適合敏感物質樣品的成分檢測。

上面描述的內容可以單獨地或者以各種方式組合起來實施，而這些變型方式都在本發明的保護范圍之內。

在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，僅僅參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明。本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。