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，并将采样获得的所述复位信号进行加法运算以得到第一信号；步骤s200，根据所述预设间隔时间依次对有效信号进行n次采样，并将采样获得的所述有效信号进行加法运算以得到第二信号；步骤s300，将所述第一信号与所述第二信号进行减法运算后除于n，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。
7.在一实施例中，采用ccd探测器对拉曼光谱信号进行采集，所述ccd探测器内设有降噪电路，通过所述降噪电路执行所述步骤s100、所述步骤s200、所述步骤s300；所述降噪电路包括第一采样电路、第一加法电路、第二采样电路、第二加法电路以及减法电路；所述第一采样电路与所述第一加法电路串联，以用于执行所述步骤s100；所述第二采样电路与所述第二加法电路串联，以用于执行所述步骤s200；串联后的所述第一采样电路、所述第一加法电路与串联后的所述第二采样电路、所述第二加法电路并联，其并联的输入端用于输入采样信号，其并联的输出端与所述减法电路电连接，以用于执行所述步骤s300。
8.在一实施例中，所述第一加法电路包括第一运算放大器以及n个第一加和电阻，n个所述第一加和电阻并联后第一端与所述第一采样电路电连接，第二端连接所述第一运算放大器的第一输入端；所述第一运算放大器的第二输入端接地，所述第一运算放大器的输
出端连接所述减法电路。
9.在一实施例中，所述第一采样电路包括n个第一开关与n个第一电容；每一个所述第一开关均通过一个所述第一电容与一个所述第一加和电阻串联，以组成n组用于采集所述复位信号的采样通道。
10.在一实施例中，所述第二加法电路包括第二运算放大器以及n个第二加和电阻；n个所述第二加和电阻并联后第一端与所述第二采样电路电连接，第二端连接所述第二运算放大器的第一输入端；所述第二运算放大器的第二输入端接地，所述第二运算放大器的输出端连接所述减法电路。
11.在一实施例中，所述第二采样电路包括n个第二开关与n个第二电容；每一个所述第二开关均通过一个所述第二电容与一个所述第二加和电阻串联，以组成n组用于采集所述有效信号的采样通道。
12.在一实施例中，所述减法电路包括第一减法电容、第二减法电容以及减法开关；所述减法开关并联在所述第一减法电容和所述第二减法电容之间，所述第一减法电容与所述第一加法电路电连接，所述第二减法电容与所述第二加法电路电连接。
13.在一实施例中，所述降噪电路还包括采样电容，所述采样电容与并联的所述第一采样电路、所述第二采样电路的输入端电连接。
14.本发明还提供一种拉曼光谱信号降噪处理装置，包括：
15.第一信号获取模块，用于根据预设间隔时间依次通过ccd探测器对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的所述复位信号进行加法运算以得到第一信号；第二信号获取模块，用于根据所述预设间隔时间依次通过所述ccd探测器对有效信号进行n次采样，并将采样获得的所述有效信号进行加法运算以得到第二信号；实际像素信号获取模块，用于将所述第一信号与所述第二信号进行减法运算后除于n，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。
16.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。
17.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相加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。
18.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
19.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。
20.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；
21.图2为降噪电路的电路原理图；
22.图3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。
23.附图标记：
24.10第一采样电路
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20第二采样电路
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30第一加法电路
25.40第二加法电路
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50减法电路
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31第一运算放大器
26.32第一加和电阻
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11第一开关
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12第一电容
27.41第二运算放大器
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42第二加和电阻
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21第二开关
28.22第二电容
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51第一减法电容
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52第二减法电容
29.53减法开关
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60采样电容
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.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。
33.实施例一
34.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：
35.步骤s100，根据预设间隔时间依次对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的复位信号进行加法运算以得到第一信号；
36.步骤s200，根据预设间隔时间依次对有效信号进行n次采样，并将采样获得的有效信号进行加法运算以得到第二信号；
37.步骤s300，将第一信号与第二信号进行减法运算后除于n，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。
38.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。
39.应当说明的是，预设间隔时间及采样次数可根据实际复位信号产生的时长来确定，在此不做限定。较佳的，n设置为3或4或5。
40.还应当说明的是，关于上述对信号的相加和相减运算不仅可采用计算机程序实现，还可采用硬件电路来实现，下面以硬件电路为例。
41.优选地，采用ccd探测器对拉曼光谱信号进行采集，ccd探测器内设有降噪电路，通过降噪电路执行步骤s100、步骤s200、步骤s300；降噪电路包括第一采样电路10、第一加法电路30、第二采样电路20、第二加法电路40以及减法电路50；第一采样电路10与第一加法电路30串联，以用于执行步骤s100；第二采样电路20与第二加法电路40串联，以用于执行步骤s200；串联后的第一采样电路10、第一加法电路30与串联后的第二采样电路20、第二加法电路40并联，其并联的输入端用于输入采样信号，其并联的输出端与减法电路50电连接，以用于执行步骤s300。
42.请结合参阅图2，具体而言，第一加法电路30包括第一运算放大器31以及n个第一加和电阻32，n个第一加和电阻32并联后第一端与第一采样电路10电连接，第二端连接第一运算放大器31的第一输入端；第一运算放大器31的第二输入端接地，第一运算放大器31的输出端连接减法电路50。其中，第一运算放大器31为电压反馈运算放大器或电流反馈运算放大器。
43.第一采样电路10包括n个第一开关11与n个第一电容12；每一个第一开关11均通过一个第一电容12与一个第一加和电阻32串联，以组成n组用于采集复位信号的采样通道。具体采样控制方式为按照预设间隔时间依次控制n个第一开关11的通断来将复位信号储存到n个第一电容12中。
44.第二加法电路40包括第二运算放大器41以及n个第二加和电阻42；n个第二加和电阻42并联后第一端与第二采样电路20电连接，第二端连接第二运算放大器41的第一输入端；第二运算放大器41的第二输入端接地，第二运算放大器41的输出端连接减法电路50。其中，第二运算放大器41为电压反馈运算放大器或电流反馈运算放大器。
45.第二采样电路20包括n个第二开关21与n个第二电容22；每一个第二开关21均通过一个第二电容22与一个第二加和电阻42串联，以组成n组用于采集有效信号的采样通道。具体采样控制方式为按照预设间隔时间依次控制n个第二开关21的通断来将有效信号储存到n个第二电容22中。
46.减法电路50包括第一减法电容51、第二减法电容52以及减法开关53；减法开关53并联在第一减法电容51和第二减法电容52之间，第一减法电容51与第一加法电路30电连接，第二减法电容52与第二加法电路40电连接。其中，第一减法电容51用于将经第一加法电路30获得的第一信号存储在第一减法电容51中，第二减法电容52用于将经第二加法电路40获得的第二信号存储在第二减法电容52中，减法开关53用于执行第一减法电容51与第二减法电容52中第一信号与第二信号的相减操作。
47.较佳地，降噪电路还包括采样电容60，采样电容60与并联的第一采样电路10、第二采样电路20的输入端电连接。
48.应当指出的是，第一采样电路10和第二采样电路20的具体类型并不是唯一的，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。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采样电路、加法电路、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.综上，对降噪电路的具体控制方式为：(1)断开n个第二开关21及减法开关53，按照预设间隔时间依次对n个第一开关11进行导通，并将复位信号存储至n个第一电容12中，n个第一电容12通过第一加和电阻32将采集的所有复位信号输入至第一运算放大器31中进行加法处理以得到第一信号并存储到第一减法电容51中；(2)断开n个第一开关11及减法开关53，按照预设间隔时间依次对n个第二开关21进行导通，并将有效信号存储至n个第二电容22中，n个第二电容22通过第二加和电阻42将采集的所有有效信号输入至第二运算放大器41中进行加法处理以得到第二信号并存储到第二减法电容52中；(3)断开n个第一开关11及n个第二开关21，闭合减法开关53，对实现对第一信号与第二信号的减法处理。
50.进一步地，将减法处理得到的结果除于n，即可得到实际像素信号。其中，可通过将结果传输至微处理器，由微处理器进行除法运算来得到实际像素信号。
51.实施例二
52.请参阅图3，本发明还提供一种拉曼光谱信号降噪处理装置，包括：
53.第一信号获取模块，用于根据预设间隔时间依次通过ccd探测器对复位信号进行n次采样，其中n≥2，并将采样获得的复位信号进行加法运算以得到第一信号；第二信号获取模块，用于根据预设间隔时间依次通过ccd探测器对有效信号进行n次采样，并将采样获得的有效信号进行加法运算以得到第二信号；实际像素信号获取模块，用于将第一信号与第二信号进行减法运算后除于n，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。
54.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。
55.实施例三
56.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探测器内设有降噪电路，降噪电路与处理模块电连接，可通过降噪电路及处理模块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。
57.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。
58.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。
59.尽管本文中较多的使用了诸如预设间隔时间、复位信号、有效信号、第一信号、第
二信号、实际像素信号、降噪电路、第一采样电路、第二采样电路、第一加法电路、第二加法电路、减法电路、第一信号获取模块、第二信号获取模块、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。
60.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。