一种基于离散极大值的太赫兹吸收峰位提取方法与流程

1.本发明涉及太赫兹吸收光谱吸收峰位判别问题，尤其是涉及一种基于伴随拐点法的太赫兹光谱吸收峰特征提取方法。


背景技术：

2.太赫兹等光谱中的特征吸收峰在光谱含峰目标物的鉴定研究中起着重要作用，在一些应用中，人们利用光谱峰宽、光谱峰的幅值等有关于峰的特征信息对物质进行检测。所以特征吸收峰的识别及特征吸收峰位的确定是鉴定研究中的必需工作。目前并没有公认的特征吸收峰识别和峰位确定方法，大多使用非计算机自主识别的肉眼识别法，这种方法显然会带有一定的主观性，甚至有时还会带有一定的随意性，可能会按照某种研究需要故意对某些明显的吸收峰避而不见。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于离散极大值的太赫兹吸收峰位提取方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于离散极大值的太赫兹吸收峰位提取方法，针对原始太赫兹吸收系数谱图，采用差分方法近似计算原始太赫兹吸收系数谱图中每个频率点的一阶和二阶导数，从而得到其一阶和二阶导数谱；根据每个数据点的一阶和二阶导数数值，利用伴随拐点法寻找和判定原始太赫兹吸收系数谱图中的所有拐点及其类别；根据拐点类别，确定在原始太赫兹吸收系数谱图上的所有伴随拐点对，并利用直线方程来获得在伴随区间内数据点的基数谱数据；然后通过差分的方式计算得到原始太赫兹吸收系数谱图与基线谱的差谱，最后利用离散极大值法寻找差谱中所有峰位。
5.进一步地，所述基于离散极大值的太赫兹吸收峰位提取方法具体包括以下子步骤：
6.(1)采样获取样品的原始太赫兹吸收系数谱图：将样品放置在太赫兹时域光谱系统的样品架上并固定；采用太赫兹时域光谱系统对样品进行检测，得到样品的时域光谱数据；其次通过快速傅里叶变换将样品的时域光谱数据转化得到样品的频域谱图，最后利用公式(a)和(b)计算得到样品的太赫兹吸收系数α(ω)和折射率n(ω)，得到原始太赫兹吸收系数谱图；。
7.所述太赫兹吸收系数α(ω)和折射率n(ω)的计算方法如公式(a)和(b)所示：
[0008][0009][0010]
其中c表示光速，d表示样本厚度，ω表示角频率，ρ(ω)表示样本和参考信号的频
域信号幅值之比，和分别表示样本和空白对照的透射信号经过傅里叶变换后的相位角。
[0011]
(2)计算步骤(1)输出的原始太赫兹吸收系数谱图中每个数据点的一阶和二阶导数；
[0012]
(3)寻找步骤(1)输出的原始太赫兹吸收系数谱图中的全部拐点；
[0013]
(4)判断步骤(3)寻找的全部拐点的拐点类别，并将各拐点标记类别：若该点的二阶导数由正转负，一阶导数由递增转为递减，则标记此拐点为起势拐点；若该点的二阶导数由负转正，一阶导数由递减转为递增，则标记此拐点为落势拐点。
[0014]
(5)确立步骤(3)得到的全部拐点中的各伴随拐点对：从小到大依次遍历已标记类别的各拐点的横坐标，将依次先后连续出现的起势拐点和落势拐点均作为一对伴随拐点，并将该起势拐点和落势拐点的横坐标分别作为左端点和右端点；如果首个拐点属于落势拐点或者最后一个拐点属于起势拐点，则略过此拐点，因为在检测频率范围内无法找到与其配对形成伴随区间的拐点。
[0015]
(6)针对步骤(5)得到的每一对伴随拐点，在其伴随区间内构造经过该区间的两个拐点的直线方程。
[0016]
(7)由步骤(5)得到的伴随拐点对和步骤(1)得到的原始太赫兹吸收系数谱图共同确定基线谱：若原始太赫兹吸收系数谱图中的数据点不在任何一个伴随区间，则取该数据点的原始谱图数据作为基线谱数据；若原始太赫兹吸收系数谱图中的数据点在伴随区间范围内，则采用该伴随区间内的直线方程取值作为基线谱数据；所述基线谱数据组成基线谱。
[0017]
(8)确定原始太赫兹吸收系数谱图与基线谱的差谱：即计算原始太赫兹吸收系数谱图和基线谱的差值构造差谱。
[0018]
(9)利用步骤(8)输出的差谱，基于离散极大值法寻找原始太赫兹吸收系数谱图的吸收峰位置：利用离散极大值法在差谱中确定吸收峰位置；所述离散极大值法具体为若数据点的一阶导数为过零点，即该点的一阶导数经过从正到负的转换，且该点的二阶导数为负，则判断该点为吸收峰位；所述差谱中的吸收峰位置即原始太赫兹吸收系数谱图的吸收峰位置。
[0019]
本发明的有益效果为：
[0020]
1、本发明引入了伴随拐点法，该方法相较于现有的人工肉眼判别，可以实现自动识别，其主要优点在于可以寻找到易被遗漏的谱图中弱峰，便于物质鉴别。
[0021]
2、该检测方法有利于实现吸收峰位的精准判别，简化检测过程，提高检测准确性，避免对峰位的错检和漏检。
[0022]
3、该方法能够取得较好的吸收峰位识别结果，有利于进行谱图分析。本发明方法可靠、算法思路简便、易于实现且准确性高，是较为理想的太赫兹吸收系数谱图吸收峰位判别方法，并且也能够为其他领域谱图分析提供可靠的分析方法，具有很好的应用前景。
附图说明
[0023]
图1是伴随拐点法示意图。
具体实施方式
[0024]
为客观地寻找和确定太赫兹光谱的特征吸收峰，亟需寻求一种可同时识别强、弱吸收主峰以及肩峰，并且可由计算机自主识别的吸收峰位信息提取方法。
[0025]
本发明公开了一种基于离散极大值的太赫兹吸收峰位提取方法，具体包括以下步骤：
[0026]
(1)采样获取物质的原始太赫兹吸收系数谱图：将准备检测的粉末状样品进行压片，制成厚度为1mm，直径为13mm的圆片；然后将其放置在太赫兹时域光谱系统的样品架上并固定；采用太赫兹时域光谱系统对样品进行检测，得到样品的时域光谱数据；最后利用公式(a)和(b)计算得到样品的太赫兹吸收系数α(ω)和折射率n(ω)，得到原始太赫兹吸收系数谱图；
[0027][0028][0029]
其中c表示光速，d表示样本厚度，ω表示角频率，ρ(ω)表示样本和参考信号的频域信号幅值之比，和分别表示样本和空白对照的透射信号经过傅里叶变换后的相位角。
[0030]
(2)计算步骤(1)输出的原始太赫兹吸收系数谱图中每个数据点的一阶和二阶导数：利用差分公式计算一阶导数谱和二阶导数谱，其中在区间的两个端点以及靠近端点的一个或两个频率点处的一阶、二阶导数值全部采用靠近区间中心方向的相邻频率点处的导数值代替。
[0031]
(3)寻找步骤(1)输出的原始太赫兹吸收系数谱图中的全部拐点：即相邻两点的二阶导数值异号，或该点的一阶导数为极值点，则判定该点为特征谱的拐点。
[0032]
(4)判断步骤(3)寻找的全部拐点的拐点类别，并将各拐点标记类别：若该点的二阶导数由正转负，一阶导数由递增转为递减，则标记此拐点为起势拐点；若该点的二阶导数由负转正，一阶导数由递减转为递增，则标记此拐点为落势拐点。
[0033]
(5)确立步骤(3)得到的全部拐点中的各伴随拐点对：从小到大依次遍历已标记类别的各拐点的横坐标，将依次先后连续出现的起势拐点和落势拐点均作为一对伴随拐点，并将该起势拐点和落势拐点的横坐标分别作为左端点和右端点；如果首个拐点属于落势拐点或者最后一个拐点属于起势拐点，则略过此拐点，因为在检测频率范围区间内无法找到与其配对形成伴随区间的拐点。
[0034]
(6)针对步骤(5)得到的每一对伴随拐点，在其伴随区间内构造经过该区间的两个拐点的直线方程。
[0035]
(7)由步骤(5)得到的伴随拐点对和步骤(1)得到的原始太赫兹吸收系数谱图共同确定基线谱：若原始太赫兹吸收系数谱图中的数据点不在任何一个伴随区间，则取该数据点的原始谱图数据作为基线谱数据；若原始太赫兹吸收系数谱图中的数据点在伴随区间范围内，则采用该伴随区间内的直线方程取值作为基线谱数据；所述基线谱数据组成基线谱。
[0036]
(8)确定原始太赫兹吸收系数谱图与基线谱的差谱：即计算原始太赫兹吸收系数
谱图和基线谱的差值构造差谱。
[0037]
(9)利用步骤(8)输出的差谱，基于离散极大值法寻找原始太赫兹吸收系数谱图的吸收峰位：利用离散极大值法在差谱中确定吸收峰位置；所述离散极大值法具体为若数据点的一阶导数为过零点，即该点的一阶导数经过从正到负的转换，且该点的二阶导数为负，则判断该点为吸收峰位；所述差谱中的吸收峰位置即原始太赫兹吸收系数谱图的吸收峰位置。
[0038]
本发明提出一种新型的太赫兹吸收峰位提取方法，即“伴随拐点法”，具体为上述步骤(3)～步骤(8)，所述伴随拐点法主要通过搜寻原始太赫兹吸收系数谱图中存在的拐点以及伴随拐点对，从而得到原始太赫兹吸收系数谱图对应的基线谱以及差谱。
[0039]
如图1所示为伴随拐点法示意图。图中的实线表示某样品的原始太赫兹吸收系数谱图，较密的虚线表示对应的基线谱，较粗的虚线表示对应的差谱。其中a，b，c，d，表示检测到的四个吸收峰位，其对应的伴随拐点对分别是a1，a2；b1，b2；c1，c2；d1，d2。
[0040]
综上，本发明引入了伴随拐点法，该方法相较于现有的人工肉眼判别，可以实现自动识别，其主要优点在于可以寻找到易被遗漏的谱图中弱峰，便于物质鉴别。本发明公开的检测方法有利于实现吸收峰位的精准判别，简化检测过程，提高检测准确性，避免对峰位的错检和漏检。本发明方法能够取得较好的吸收峰位识别结果，有利于进行谱图分析。本发明方法可靠、算法思路简便、易于实现且准确性高，是较为理想的太赫兹吸收系数谱图吸收峰位判别方法。本发明方法不仅对太赫兹光谱分析有重要作用，还可以应用到其他光谱分析甚至是其他领域的曲线峰值的确定，能够为其他领域谱图分析提供可靠的分析方法，具有很好的应用前景。