一种基于分段多项式拟合的基线校正方法技术

本发明专利技术涉及光谱测量分析技术领域，具体涉及一种基于分段多项式拟合的基线校正方法。包括以下步骤：使用光电传感器接受光谱数据，将采集点从0开始进行编号处理，然后对光谱数据进行降噪处理和分段处理，对于无峰区域采用多项式拟合得到基线，对于有峰区域进行多步优化处理得到基线，最后对分段基线进行拼接，将基线从输入光谱中减去，完成基线校正。本发明专利技术具有误差小，不需要额外的试剂和设备，能够对多种特殊峰型进行处理，适用性强。

A baseline correction method based on piecewise polynomial fitting

The invention relates to the technical field of spectral measurement and analysis, in particular to a baseline correction method based on piecewise polynomial fitting. The following steps are included: using the photoelectric sensor to accept the spectral data, the acquisition points are numbered from 0, then the spectral data is de-noised and segmented, the baseline is obtained by polynomial fitting for the non peak region, the baseline is obtained by multi step optimization processing for the peak region, and finally the piecewise baseline is entered. Line splicing, subtract the baseline from the input spectrum, and complete baseline correction. The invention has the advantages of small error, no need of additional reagents and equipment, and is capable of processing various special peak types, and has strong applicability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于分段多项式拟合的基线校正方法
本专利技术属于光谱测量分析
，具体涉及一种利用分段多项式拟合的基线校正方法。
技术介绍
随着科技技术的进步，光电检测技术被广泛应用于石油、化工、环境、空间技术、资源勘探等领域进行定性或定量的分析。然而光学仪器中设计的部件较多，且易受诸如温度、湿度、振荡等环境因素的影响，这些因素的微小变化都会使采集到的光谱图产生波动或者漂移，另外，光学仪器的基线经过长时间的使用往往会出现基线漂移，甚至非线性畸变等的现象，从而导致结果产生较大的偏差，严重影响其在工业中的使用和推广。因此，在工业检测过程中，迫切需要一种能处理特殊波形的基线校正方法。目前，这类仪器有多种光谱基线校正的方法，如使用快速傅里叶变换、简单多项式拟合法等。但是，快速傅里叶变换法需要人为确定上下限，并且花费大量的时间进行计算。在诸多实时应用场合下，面对大量的数据很难对原始光谱进行一一处理。此外，在很多应用过程中，光谱的谱线呈现为多种形状。简单多项式拟合的方法不能满足特定光谱的基线拟合要求。基于这些原因，本专利技术提出一种基于分段多项式拟合的基线校正方法。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的缺陷，本专利技术提出一种基于分段多项式拟合的基线校正技术，无需额外设备和试剂、误差小、适应性强。其技术方案如下。一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，包括以下步骤：(1)采集数据：通过光电传感器采集样本的光谱数据，所述光谱数据包括依次增加的波长值和对应的光强响应值。(2)编号处理：将波长值从0开始依次进行顺序编号，待所有步骤完成后再重新与原始波长对应。将光谱响应值组成一个光谱矩阵。(3)降噪处理：对(2)中的光谱矩阵进行降噪处理，降噪方法采取滑动窗口平均滤波算法。(4)分段处理：利用平滑后的数据进行一阶求导。当多个点对应导数的绝对值满足一定阈值条件后后，即认为该位置存在峰。依据峰的信息，将光谱分为三段：前部无峰区域、中部有峰区域、尾部无峰区域。(5)无峰区域处理：对于前部无峰区域和尾部无峰区域采用一般多项式拟合方法得出基线。(6)有峰区域处理：对于中部有峰区域采用迭代去除峰的信息:1)在第一次迭代时，采用一般多项式拟合法得到拟合后光谱。2)计算拟合后的光谱与原始光谱对应点的残差。3)计算残差的标准差(DEV)。4)移除峰处理：若原始光谱值大于多项式拟合后的光谱值与标准差两者之和，则证明存在峰，此时需要移除峰。移除峰的具体做法是删除原始光谱值大于多项式拟合后的光谱值与标准差两者之和处的点。5)光谱重建处理：对移除峰后的光谱(称为比较光谱)重新进行多项式拟合，所得的拟合结果加上标准差后重新与比较光谱进行比较，若其值比比较光谱大，则下次要比较的光谱值不变，仍为原始光谱，否则比较光谱的对应位置的点为多项式拟合加上标准差后的值。6)迭代结束判断：根据公式计算迭代停止条件。当迭代停止条件小于误差阈值时迭代过程停止，此时的光谱即为去掉峰信息的基线。反之迭代过程继续。(7)基线拼接：多段基线进行拼接得到完成的基线。(8)基线校正：将基线从输入光谱中减去，得到校正后光谱数据，完成基线校正过程。本专利技术的有益效果：与已有的光谱基线校正相比，本专利技术无需人工干预，无需额外设备和试剂，误差小，能对特殊形状光谱进行基线校正，适应性强。附图说明图1为本专利技术基线校正方法的流程示意图；图2为编号处理后的原始光谱图；图3为对图2采用平滑窗口滤波算法处理后的光谱图；图4为采用本专利技术方法处理后得到的基线；图5为基线校正后的光谱图。具体实施方式为更好理解本专利技术，下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步描述，以下实施例仅是对本专利技术进行说明而非对其加以限定。本专利技术所述的一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，如图1所示，包括以下步骤：(1)采集数据：将光电二极管作为光电传感器，通过光电二极管采集样本的光谱数据500个，如图2所示。(2)编号处理：将波长值从0开始依次进行顺序编号，序号分别为0至499，待所有步骤完成后再重新与原始波长对应。将光谱响应值组成一个光谱矩阵。(3)降噪处理：对(2)中的光谱矩阵进行降噪处理，降噪方法采取滑动窗口平均滤波算法。滑动窗口取为10。本专利技术采取滑动窗口平均滤波算法，可以很好的衰减高频信号，对数据起到平滑作用，去除大部分的毛刺信号，可以在最大限度抑制噪声的同时保存有用信号，从而提高信噪比。降噪后的曲线如图3所示。(4)分段处理：利用平滑后的数据进行一阶求导。导数阈值设置为2000。当有11个连续的点所对应导数绝对值大于导数阈值后，认为该位置存在峰。依据峰的信息，将光谱分为三段：前部无峰区域、中部有峰区域、尾部无峰区域。前部与中部的分隔点位置为64，中部和尾部的分隔点位置为427。(5)无峰区域处理：对于前部无峰区域和尾部无峰区域采用八阶多项式拟合方法得出基线。(6)有峰区域处理：对于中部有峰区域采用迭代去除峰的信息:1)在第一次迭代时，采用三阶多项式拟合法得到拟合后光谱。2)计算拟合后的光谱与原始光谱对应点的残差。3)计算残差的标准差(DEV)。4)移除峰处理：原始光谱值大于多项式拟合后的光谱值与标准差两者之和，证明存在峰，将原始光谱值大于多项式拟合后的光谱值与标准差两者之和的点删除。5)光谱重建处理：对移除峰后的光谱(称为比较光谱)重新进行多项式拟合，所得的拟合结果加上标准差后重新与比较光谱进行比较，若其值比比较光谱大，则下次要比较的光谱值不变，仍为原始光谱，否则比较光谱的对应位置的点为多项式拟合加上标准差后的值。6)迭代结束判断：取迭代停止阈值为5％，当时，迭代停止条件。共迭代计算59次。(7)基线拼接：多段基线进行拼接得到完成的基线，如图4所示。(8)基线校正：将基线从输入光谱中减去，得到校正后光谱数据，完成基线校正过程，如图5所示。以上所述实施方式仅仅是对本专利技术的优选实施方式进行描述，并非对本专利技术的范围进行限定，在不脱离本专利技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本专利技术的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本专利技术的权利要求书确定的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于，包括以下步骤：使用光电传感器接受光谱数据，将采集点从0开始进行编号处理，然后对光谱数据进行降噪处理和分段处理，对于无峰区域采用多项式拟合得到基线，对于有峰区域进行多步优化处理得到基线，最后对分段基线进行拼接，将基线从输入光谱中减去，完成基线校正。

【技术特征摘要】
1.一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于，包括以下步骤：使用光电传感器接受光谱数据，将采集点从0开始进行编号处理，然后对光谱数据进行降噪处理和分段处理，对于无峰区域采用多项式拟合得到基线，对于有峰区域进行多步优化处理得到基线，最后对分段基线进行拼接，将基线从输入光谱中减去，完成基线校正。2.根据权利要求1所述的一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于：所述光谱数据包括依次增加的波长值和对应的光强响应值。3.根据权利要求1所述的一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于：所述降噪处理采取的是滑动窗口平均滤波算法。4.根据权利要求1所述的一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于：所述分段处理采用一阶导数阈值算法。5.根据权利要求1所述的一种基于分段多项式拟合的基线校正方法，其特征在于：所述多项式拟合采用最小二乘法拟合。6.根据权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏果，张继尧，史书明，陈迪虎，裘桢炜，洪津，
申请(专利权)人：必欧瀚生物技术合肥有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34