一种拉曼光谱信号降噪处理方法、装置及拉曼光谱仪与流程

1.本发明涉及光谱检测技术领域，特别涉及一种拉曼光谱信号降噪处理方法、装置及拉曼光谱仪。


背景技术：

2.拉曼光谱(raman spectra)技术作为一种通过检测物质在单色光照射产生的散射光谱，可提供快速、简单、可重复且无损伤的定性定量分析。近年来，随着激光技术和ccd(charge coupled device，电荷耦合器件)检测技术的发展，拉曼光谱仪已经广泛应用于固体和液体材料的结构检测和性能分析。
3.然而拉曼光谱用于检测物质时，除了得到包含待测物的拉曼信号外，还会受到激光器波动、检测环境变化及样品本身等因素的干扰而产生不同程度的噪声。其中拉曼光谱信号的噪声信号主要来源于ccd阵列探测器，其主要包括散粒噪声、暗电流噪声、复位噪声、光子噪声等。对于暗电流噪声可通过冷却降温抑制，对于复位噪声可通过双相关采样方式进行去除。
4.但是光子噪声和散粒噪声却是随机的，采用传统的双相关采样方式无法降低随机噪声对光谱信号的干扰。特别是在低光照情况下，噪声振幅较大，会引起拉曼谱图的抖动，出现毛刺尖峰，光谱的信噪比就会降低，从而影响拉曼光谱数据对物质分析的准确性。因此如何提高信噪比并避免随机噪声对光谱信号的干扰成为亟需解决的一大难题。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在对随机噪声无法有效滤除的不足，本发明提供一种拉曼光谱信号降噪处理方法，包括以下步骤：
6.步骤s100，根据第一预设间隔时间依次对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的n次所述复位信号进行平均运算以得到第一平均信号。
7.步骤s200，根据第二预设间隔时间依次对有效信号进行m次采样，其中m≥2，并将采样获得的m次所述有效信号进行平均运算以得到第二平均信号。
8.步骤s300，将所述第一平均信号与所述第二平均信号进行减法运算以得到实际像素信号，所述实际像素信号即为获得的降噪后的信号。
9.在一实施例中，采用ccd探测器对拉曼光谱信号执行所述步骤s100、所述步骤s200的采样；采用控制单元或运算电路执行所述步骤s100、所述步骤s200的平均运算以及所述步骤s300的减法运算。
10.在一实施例中，所述ccd探测器内设有一组adc采样电路，通过所述adc采样电路依次执行所述步骤s100的n次采样及所述步骤s200的m次采样。
11.在一实施例中，所述ccd探测器内设有ccd输入端口、第一adc采样电路、第二adc采样电路、第一开关、第二开关，所述第一adc采样电路与所述第一开关串联，以执行所述步骤s100的n次采样，所述第二adc采样电路与所述第二开关串联，以执行所述步骤s200的m次采
样；串联的所述第一adc采样电路、所述第一开关与串联的所述第二adc采样电路、所述第二开关并联以形成双通道采样电路，所述双通道采样电路的输入端与所述ccd输入端口电连接，所述双通道采样电路的输出端与所述控制单元或所述运算电路电连接，以执行所述步骤s100、所述步骤s200的平均运算以及所述步骤s300的减法运算。
12.在一实施例中，所述ccd探测器内还包括采样电容、前置放大器和低通滤波器，所述采样电容、所述前置放大器以及所述低通滤波器串联在所述ccd输入端口和所述双通道采样电路的输入端之间，以对所述复位信号和所述有效信号进行预放大和预滤波处理。
13.在一实施例中，所述控制单元采用mcu或fpga中的一种。
14.在一实施例中，所述运算电路包括串联的平均电路以及减法电路，所述平均电路包括并联的若干比较器和若干比较电容，所述减法电路包括减法器。
15.在一实施例中，所述n次采样与所述m次采样的采样次数相等或不相等；所述第一预设间隔时间与所述第二预设间隔时间相等或不相等。
16.本发明还提供一种拉曼光谱信号降噪处理装置，包括：第一平均信号获取模块，用于根据第一预设间隔时间依次对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的n次所述复位信号进行平均运算以得到第一平均信号；第二平均信号获取模块，用于根据第二预设间隔时间依次对有效信号进行m次采样，其中m≥2，并将采样获得的m次所述有效信号进行平均运算以得到第二平均信号；实际像素信号获取模块，用于将所述第一平均信号与所述第二平均信号进行减法运算以得到实际像素信号，所述实际像素信号即为获得的降噪后的信号。
17.本发明还提供一种拉曼光谱仪，采用如上任一实施例所述的拉曼光谱信号降噪处理方法或拉曼光谱信号降噪处理装置。
18.基于上述，与现有技术相比，本发明提供的拉曼光谱信号降噪处理方法通过多次采集复位信号和有效信号并各自平均后再相减来消除复位噪声的同时，还能消除随机噪声，从而降低噪声对光谱信号的干扰，提高信噪比，继而有效提高拉曼光谱数据对物质分析的准确性。
19.本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
21.图1为本发明提供的拉曼光谱信号降噪处理方法的步骤流程图；
22.图2为传统双相关采样方法获得的噪声结果示意图；
23.图3为本发明提供的降噪处理方法获得的噪声结果示意图；
24.图4为本发明提供的ccd探测器内adc采样方式的一实施例电路原理图；
25.图5为本发明提供的拉曼光谱信号降噪处理装置的结构示意图。
具体实施方式
26.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；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
28.现有技术中对拉曼光谱信号进行降噪一般采用双相关采样方式，然而，传统的双相关采样方式无法对随机噪声进行有效滤除的问题，并且在强光照下，拉曼光谱的信号振幅较大，传统的双相关采样方式对复位噪声的消除效果并不准确，在微弱光照下，拉曼光谱的有效信号振幅较小，其造成的随机噪声影响较大，传统方式的双相关采样方式对随机噪声的降噪效果更差。因此，本发明提供了一种拉曼光谱信号降噪处理方法、装置及拉曼光谱仪以有效对随机噪声和复位噪声进行滤除，减少噪声对拉曼光谱信号的干扰。下面以具体实施例进行说明。
29.实施例一
30.请参阅图1，本发明提供一种拉曼光谱信号降噪处理方法，包括以下步骤：
31.步骤s100，根据第一预设间隔时间依次对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的n次复位信号进行平均运算以得到第一平均信号；
32.步骤s200，根据第二预设间隔时间依次对有效信号进行m次采样，其中m≥2，并将采样获得的m次有效信号进行平均运算以得到第二平均信号；
33.步骤s300，将第一平均信号与第二平均信号进行减法运算以得到实际像素信号，实际像素信号即为获得的降噪后的信号。
34.通过上述对拉曼光谱信号降噪处理的方法能够消除复位噪声的同时，还能消除随机噪声，从而降低噪声对光谱信号的干扰，提高信噪比，继而有效提高拉曼光谱数据对物质分析的准确性。
35.下面分别采用传统的双相关采样方法和本发明提供的降噪处理方法在常温遮光,积分时间为10ms，积分次数为1次的条件下进行拉曼光谱信号的采样测试，其采样测试获得的噪声结果如图2和图3所示。其中，图2为传统双相关采样方法获得的噪声结果示意图，从图中可以看出噪声vpp(voltage peak-peak，峰峰值电压)大约为145单位；而图3为本发明提供的降噪处理方法获得的噪声结果示意图，从图中可以看出噪声vpp大约为50单位；这表明了本发明提供的降噪处理方法相较于传统的双相关采样方法来说，其抑制噪声的效果更佳，信噪比得到较大提高。
36.应当说明的是，第一预设间隔时间、第二预设间隔时间及n次采样次数、m次采样次数可根据实际复位信号和有效信号产生的时长来确定，在此不做限定。在一优选方案中，n次采样与m次采样的采样次数相等或不相等；第一预设间隔时间与第二预设间隔时间相等或不相等；更优地，n和m设置为3或4或5。
37.进一步地，可采用ccd探测器对拉曼光谱信号执行步骤s100、步骤s200的采样。具体而言，可通过以下两个方案的adc采样方式对拉曼光谱信号进行采样。
38.方案一：ccd探测器内设有一组adc(analog-to-digital converter，模数转换器)采样电路，通过adc采样电路依次执行步骤s100的n次采样及步骤s200的m次采样。
39.即，仅通过一组采样电路对复位信号和有效信号进行采样，有效简化电路的复杂度。应当说明的是，ccd探测器还可内设有其他电路、结构来提高adc的采样电路，例如，滤波器、放大器等，本领域技术人员可根据实际需求进行灵活设计，在此不做限定。
40.方案二：请参阅图4，ccd探测器内设有ccd输入端口、第一adc采样电路、第二adc采样电路、第一开关、第二开关。第一adc采样电路与第一开关串联，以执行步骤s100的n次采样，第二adc采样电路与第二开关串联，以执行步骤s200的m次采样。串联的第一adc采样电路、第一开关与串联的第二adc采样电路、第二开关并联以形成双通道采样电路。双通道采样电路的输入端与ccd输入端口电连接，双通道采样电路的输出端与控制单元或运算电路电连接，以执行步骤s100、步骤s200的平均运算以及步骤s300的减法运算。
41.其控制原理为：在复位信号期间，先关闭第一开关，使得复位信号通过第一adc采样电路被进行n次采样；在有效信号期间，先关闭第二开关，使得有效信号通过第二adc采样电路被进行m次采样。即，通过双通道采样电路的两组采样电路分别对复位信号和有效信号进行采样，有效降低采样运行负担，提高采样效率。
42.应当指出的是，adc采样电路、第一adc采样电路、第二adc采样电路的具体电路元器件及连接关系均属于本领域技术人员可理解的范畴，在此不做限定和赘述。并且采样电路的具体类型不是唯一的，例如在一个实施例中，可以采用开关及电容实现，在其他实施例中，还可以是采用电阻分压采样电路或滤波电路来实现。
43.优选地，ccd探测器内还包括采样电容、前置放大器和低通滤波器，采样电容、前置放大器以及低通滤波器串联在ccd输入端口和双通道采样电路的输入端之间，以对复位信号和有效信号进行预放大和预滤波处理，从而提高采样的精确度。
44.进一步地，可采用控制单元或运算电路执行步骤s100、步骤s200的平均运算以及步骤s300的减法运算。
45.以微控制单元单元为例，可通过计算机程序实现对信号的平均运算和减法运算，其中，控制单元可采用mcu(micro-controller unit，微控制单元)或fpga(field-programmable gate array，现场可编程门阵列)中的一种来执行。
46.以运算电路为例，运算电路包括串联的平均电路以及减法电路，平均电路包括并联的若干比较器和若干比较电容，减法电路包括减法器。具体而言，采用比较电容来对信号进行平均处理以及采用减法器进行减法处理。应当说明的是，上述平均电路和减法电路的具体电路连接为本领域技术人员可理解的技术范畴，在此不做赘述。
47.应当指出的是，平均电路和减法电路还可通过其他元器件连接来实现对信号的平均运算和减法运算，例如，减法电路可采用两组减法电容来分别存储第一平均信号和第二
平均信号并进行相减处理。
48.并且除了上述提及的电路及其必要元件外，本领域技术人员还可根据实际需求对adc采样电路、第一adc采样电路、第二adc采样电路、平均电路、减法电路进行改进，增加例如滤波电路等其他功能电路或电路元件，均落入本发明的保护范围。
49.实施例二
50.请参阅图5，本发明还提供一种拉曼光谱信号降噪处理装置，包括：
51.第一平均信号获取模块，用于根据第一预设间隔时间依次对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的n次复位信号进行平均运算以得到第一平均信号；第二平均信号获取模块，用于根据第二预设间隔时间依次对有效信号进行m次采样，其中m≥2，并将采样获得的m次有效信号进行平均运算以得到第二平均信号；实际像素信号获取模块，用于将第一平均信号与第二平均信号进行减法运算以得到实际像素信号，实际像素信号即为获得的降噪后的信号。
52.具体而言，各个模块可全部或部分通过计算机程序软件或硬件电路及其组合来实现，具体可参考实施例一的硬件电路设计方式，在此不再赘述。另外，上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备的处理器中，也可以以软件形式存储与计算机设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
53.实施例三
54.本发明还提供一种拉曼光谱仪，采用如上任一实施例的拉曼光谱信号降噪处理方法或拉曼光谱信号降噪处理装置。较佳地，拉曼光谱仪包括有ccd探测器及处理模块，ccd探测器内设有采样电路，处理模块设置有控制单元，采样电路与控制单元电连接，可通过采样电路及控制单元的配合来实现上述任意实施例的拉曼光谱信号降噪处理方法，具体可参考实施例一，在此不做赘述。
55.综上所述，本发明提供的拉曼光谱信号降噪处理方法、装置及拉曼光谱仪能够对获取的拉曼光谱信号进行有效、准确地滤除复位噪声及随机噪声，避免噪声对光谱信号的干扰，提高信噪比，继而有效提高拉曼光谱数据对物质分析的准确性。
56.另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
57.尽管本文中较多的使用了诸如第一预设间隔时间、第二预设间隔时间、复位信号、有效信号、第一平均信号、第二平均信号、实际像素信号、ccd探测器、控制单元、运算电路、adc采样电路、第一adc采样电路、第二adc采样电路、ccd输入端口、第一开关、第二开关、采样电容、前置放大器、低通滤波器、第一平均信号获取模块、第二平均信号获取模块、实际像素信号获取模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
58.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。