[发明专利]基于导数光谱和三次平滑的拉曼光谱尖峰去除方法和系统

说明书

本发明公开了基于导数光谱和三次平滑的拉曼光谱尖峰去除方法和系统，所述方法包括：对变压器油的拉曼光谱进行求导获得其导数光谱以识别尖峰，利用导数光谱尖峰特征点拟合三次平滑曲线以剔除并填补拉曼光谱尖峰区域。本发明能够有效识别并去除变压器油拉曼光谱数据中由于宇宙射线造成的尖峰，减少高能宇宙射线对变压器油拉曼光谱信号的干扰，突出待测信号的特征性，确保光谱数据的光滑性，提高原始光谱信号的信噪比，能有效提高光谱数据的分析准确度；本发明简便快速、所需计算量较小，可避免计算过程中算法本身的误差引入。

技术领域

本发明属于变压器油拉曼光谱数据分析技术领域，涉及基于导数光谱和三次平滑的拉曼光谱尖峰去除方法和系统。

背景技术

拉曼光谱(Raman Spectrum)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，拉曼光谱已经广泛应用于固体和液体材料的结构检测和性能分析。

然而变压器油拉曼光谱数据分析中，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，这些干扰信号包括荧光背景干扰和不同程度的噪声。其中，获得的拉曼光谱信号中总存在一类随机、尖锐的谱峰，这些尖锐谱峰的宽度通常是小于2cm^-1的，被称为尖峰。这些尖峰一般被认为是宇宙射线。

宇宙中的高能粒子辐射的射线在CCD探测器上会导致电子的产生进而被相机解释为光的信号。宇宙射线在时间和产生的光谱位移上完全是随机的，它们有很大的强度、类似发射谱线、半高宽较小。这将严重影响拉曼特征峰的提取以及待测物质的识别，降低拉曼光谱数据用于物质成分浓度分析的准确性。因此，对于在线剔除拉曼信号尖峰的研究，一直引起学者的关注。

目前变压器油拉曼光谱数据分析时，对拉曼光谱中由于宇宙射线造成的尖峰去除方法主要有两种方式：重复检测以及数据预处理方法。尖峰出现的概率及尖峰强度与拉曼光谱检测系统的扫描曝光时间呈正相关，且足够的曝光时间能够一定程度上改善待测信号的信噪比，因此重复检测能够有效去除尖峰但无法对拉曼光谱数据进行高效批量操作，尖峰剔除效果手操作者认为因素影响较大，而数据预处理算法有很好的效果且时间成本较低。目前已有基于滑动窗口分析、残差分析、拟合分析实现了拉曼光谱中宇宙射线的算法消除，但这一类方法步骤复杂、计算相对繁琐。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供基于导数光谱和三次平滑的拉曼光谱尖峰去除方法和系统，实现变压器油拉曼光谱数据分析时拉曼光谱尖峰(spike)的识别及去除，能够有效去除变压器油拉曼光谱数据测量时由宇宙射线产生的干扰。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

基于导数光谱和三次平滑的拉曼光谱尖峰去除方法，对变压器油的拉曼光谱进行求导获得其导数光谱以识别尖峰，利用导数光谱尖峰特征点拟合三次平滑曲线以剔除并填补拉曼光谱尖峰区域。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采集实际运行变压器油样，获取变压器油的原始拉曼光谱；

步骤2：对原始拉曼光谱进行一阶求导获得其一阶导数光谱；

步骤3：根据一阶导数光谱曲线上各谱峰的正极值点、负极值点间距识别导数光谱中宇宙射线导致的尖峰；

步骤4：基于尖峰两侧特征数据点拟合用于描述尖峰局部基线的三次平滑曲线；

步骤5：采用三次平滑曲线代替尖峰上的点，实现拉曼光谱尖峰去除。

优选地，步骤3所述正极值点分别是指谱峰上光谱曲线上升速度最快的点，其位于上升沿峰脚与峰顶点之间，具体在波峰对应拉曼频移值x₁处；