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光谱学与光谱分析 2025年第2期45卷 351-357页

作者：胡颖惠曹政傅海军戴继生江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013 东华大学信息科学与技术学院上海201620

基线漂移现象普遍存在于光谱数据的采集过程中,基线校正是对抗基线漂移干扰的重要手段。基于稀疏表示的基线校正方法能取得较好的光谱预处理目标,但在应用于高维度光谱基线校正时,计算复杂度极大,实效性差;且在纯光谱稀疏结构上的利用... 详细信息

基线漂移现象普遍存在于光谱数据的采集过程中,基线校正是对抗基线漂移干扰的重要手段。基于稀疏表示的基线校正方法能取得较好的光谱预处理目标,但在应用于高维度光谱基线校正时,计算复杂度极大,实效性差;且在纯光谱稀疏结构上的利用度不足,性能有待进一步提升。为充分利用稀疏结构并显著降低计算复杂度,提出了一种基于降采样的光谱基线校正方法。通过降采样策略构造一个多快拍并附加相关矩阵的稀疏恢复模型,在降低光谱数据维度的同时,确保各降采样快拍具有共同稀疏性和空间相关性。随后,在变分贝叶斯推理(VBI)框架中引入独立向量分解模式,利用向量乘积的数学变换技巧,自适应解耦多快拍间的空间相关性,进而分别推断出各快拍对应的贝叶斯最优稀疏解。此外,采用网格细化技术处理离网间隙,进一步提升了基线校正性能。模拟和真实数据集上的实验结果验证了所提方法的优越性。

关键词：基线校正光谱分析降采样稀疏贝叶斯学习

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基于负集加权迭代修正最小二乘拟合原理的快速自适应拉曼光谱基线校正算法

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光谱学与光谱分析 2025年第2期45卷 344-350页

作者：徐嘉阳蒙思宇张志伟陈弘毅马玉婷王策齐向东胡慧杰宋一之浙江大学医学院基础医学系浙江杭州310011 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医学检验研究室江苏苏州215163

拉曼光谱是无损光谱分析技术,通过分析散射光的频率变化获取物质的分子结构信息。基线校正是提升光谱数据质量的关键步骤,可以去除背景信号和不相关噪声,凸显并纯化目标信号。传统的拉曼光谱技术对基线校正的时效性要求不高,但随着流式... 详细信息

拉曼光谱是无损光谱分析技术,通过分析散射光的频率变化获取物质的分子结构信息。基线校正是提升光谱数据质量的关键步骤,可以去除背景信号和不相关噪声,凸显并纯化目标信号。传统的拉曼光谱技术对基线校正的时效性要求不高,但随着流式拉曼和内窥拉曼等需要实时处理光谱数据的应用场景增多,基线校正在速度和准确性要求也随之提高。传统的迭代多项式拟合和小波变换方法在时间、精度或自适应能力上存在不足。本研究开发了一种基于负集加权迭代修正最小二乘原理的快速自适应基线校正算法(MWIALS)。主要原理是提取负数集并赋予更高权重,在迭代过程中不断修正基线,并通过设置参数阈值以跳出循环,实现快速准确的基线校正。提出两种参数选择策略:固定参数(FMWIALS)适用于批量同类型光谱的快速处理,自适应(AMWIALS)适用于差异化光谱的自适应处理。该算法应用于颗粒物的流式拉曼光谱分析。结果表明,与其他主流算法相比,MWIALS在实际光谱处理上显著高效(平均处理时长47 ms·谱^(-1)),具有较高的准确性和自适应性。该算法能够满足流式拉曼和内窥拉曼等生物样本检测中实时光谱处理的需求,为拉曼光谱技术的进一步应用提供了强有力的支持。

关键词：拉曼光谱基线校正流式拉曼快速自适应负集加权迭代修正最小二乘算法(MWIALS)

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基于块稀疏学习的光谱基线校正方法

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光谱学与光谱分析 2022年第12期42卷 3730-3735页

作者：陈苏怡李浩然戴继生江苏大学电气信息工程学院江苏镇江212013

光谱数据在采集过程中易发生基线偏移现象,导致后续的鉴别和分析结果偏离真实值。因此,在光谱数据分析前,需利用基线校正技术获取更为准确的光谱数据。基于稀疏贝叶斯学习(SBL)的基线校正方法无需人工选择参数,基线校正结果在贝叶斯框... 详细信息

光谱数据在采集过程中易发生基线偏移现象,导致后续的鉴别和分析结果偏离真实值。因此,在光谱数据分析前,需利用基线校正技术获取更为准确的光谱数据。基于稀疏贝叶斯学习(SBL)的基线校正方法无需人工选择参数,基线校正结果在贝叶斯框架下具有最优性。然而,现有的稀疏贝叶斯建模较为简单,无法适用于复杂的稀疏结构。在实际应用中,当纯谱的某些谱峰较宽时,对应的稀疏向量将具有一定的块稀疏特性。利用额外的块稀疏结构,有助于进一步提升SBL方法的性能。为了建模稀疏向量的块稀疏结构特性,在原有的贝叶斯模型框架中引入模式耦合分层模型。得益于稀疏贝叶斯框架固有的学习能力,引入的模式耦合分层模型可自适应地学习稀疏向量的块稀疏结构,从而大幅提升了基于SBL的基线校正方法的性能。为验证本文方法的基线校正性能,首先利用模拟数据集进行仿真实验,并将该方法与SSFBCSP方法和SBL-BC方法在不同噪声方差条件下进行对比。仿真实验结果表明,该方法恢复谱峰较宽纯谱的效果提升明显,特别是当噪声方差较大时,其他方法的性能均有不同程度的下降,但该方法依然具有较好的稳定性。蒙特卡罗仿真实验结果也显示该方法纯谱拟合的标准化均方根误差明显优于其他对比方法。最后,利用色谱数据集与三种矿物的拉曼光谱数据集进行实测数据的基线校正性能验证,结果表明该方法能产生比其他方法更为平滑的纯谱拟合结果,且去噪效果更优。

关键词：光谱分析块稀疏稀疏贝叶斯学习基线校正

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改进的紫外拉曼光谱分段线性拟合基线校正方法

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光谱学与光谱分析 2020年第6期40卷 1862-1868页

作者：赵曼郭一新何玉青郭宏金伟其任林茂北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081 铁道警察学院河南郑州450053

紫外拉曼光谱具有拉曼散射强度高、易于荧光光谱分离、受环境干扰影响小以及人眼安全性高等特性,所用的紫外拉曼光谱仪采用波长266 nm激光器,拉曼和荧光光谱会有部分重叠,增加了准确获取拉曼光谱特征信息的难度,进一步影响样品的辨识。... 详细信息

紫外拉曼光谱具有拉曼散射强度高、易于荧光光谱分离、受环境干扰影响小以及人眼安全性高等特性,所用的紫外拉曼光谱仪采用波长266 nm激光器,拉曼和荧光光谱会有部分重叠,增加了准确获取拉曼光谱特征信息的难度,进一步影响样品的辨识。因此,需要在分析拉曼光谱之前进行基线校正来消除荧光干扰。根据紫外拉曼+荧光混合光谱中,荧光光谱具有逐渐增加且接近分段线性递增的特点,利用分段线性函数拟合荧光光谱基线是一种较简捷的方法,于是针对传统分段线性拟合基线校正方法基线点定义过度依赖操作人员、自动化水平较低等问题,研究了一种改进的紫外拉曼光谱分段线性拟合基线校正方法:(1)首先求原始信号经不同次平滑迭代后的光谱数据。由于波峰相对于基线是高频信号,在多次平滑过程中,波峰附近的光谱强度逐渐下降且变化较大,基线部分逐渐上升且相对变化很小,经不同次迭代平滑的光谱波峰和基线点处的光谱强度标准差SD差异较大。(2)然后通过对光谱强度偏差的比较确定准有效基线点位置。通过适当设定的阈值SD0提取出准有效基线点位置;(3)再利用线性迭代拟合法提取并修正过校正基线点。准有效基线点将整个拉曼光谱分割成N个特征峰区间,分别连接特征峰区间两端点得到一条直线,若特征峰全部在直线以上表明不存在过校正,否则区间端点向其峰方向移动并再次直线连接,重复以上过程,直到特征峰全部在直线以上,得到有效基线点;(4)最后逐段直线连接所有相邻有效基线点得到整个光谱的基线。原始光谱减去基线就是基线校正后的拉曼光谱。通过对模拟和实际测量的紫外混合光谱的基线校正处理实验表明:该方法能自动确定基线点位置,且较传统方法能获得更好的基线校正效果,为下一步的光谱分析提供更准确的光谱信息。

关键词：拉曼光谱紫外基线校正分段线性拟合

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基于凸优化的激光诱导击穿光谱基线校正方法

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光谱学与光谱分析 2018年第7期38卷 2256-2261页

作者：柯轲吕勇易灿灿武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室湖北武汉430081 武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室湖北武汉430081

在激光诱导击穿光谱定量分析中,基线是LIBS光谱信号的重要组成部分,由于受到实验参数设置及实验环境变化等影响,导致等离子体的发射谱线呈现不同程度的基线漂移现象,因此基线校正是光谱分析的重要环节。现有算法如多项式拟合通常需要设... 详细信息

在激光诱导击穿光谱定量分析中,基线是LIBS光谱信号的重要组成部分,由于受到实验参数设置及实验环境变化等影响,导致等离子体的发射谱线呈现不同程度的基线漂移现象,因此基线校正是光谱分析的重要环节。现有算法如多项式拟合通常需要设定关键参数,不具备自适应性。由于激光诱导产生的等离子体光谱信号的特征峰具有明显的独立性和稀疏性,以及基线具有低通特性,因此在凸优化约束框架下,提出了非参数化基线校正模型。同时,利用高效率的迭代算法来保证结果的收敛性。首先对23个高合金钢样本的光谱信号进行基线校正,然后以合金钢样本中的铬(Cr)元素为分析对象,并选取11条分析线进行定量分析。分别采用PLS和SVM定量模型进行训练和预测,并且与传统方法相比较,证明了所提出方法可以提高定量分析精度。

关键词：激光诱导击穿光谱基线校正凸优化定量分析

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基于B样条的拉曼光谱基线校正方法

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光谱学与光谱分析 2014年第8期34卷 2117-2121页

作者：王昕范贤光许英杰吴景林梁骏左勇厦门大学物理与机电工程学院福建厦门361005 北京长城计量测试技术研究所国防科技工业第一计量测试研究中心北京100095

基线漂移是光谱检测仪器普遍存在的现象,会对光谱信号的特征提取带来十分不利的影响,而基线校正是解决该问题的重要手段,也是拉曼光谱信号预处理的重要组成部分。基线校正的原理一般是通过拟合基线的方法来去除光谱信号中的基线漂移。... 详细信息

基线漂移是光谱检测仪器普遍存在的现象,会对光谱信号的特征提取带来十分不利的影响,而基线校正是解决该问题的重要手段,也是拉曼光谱信号预处理的重要组成部分。基线校正的原理一般是通过拟合基线的方法来去除光谱信号中的基线漂移。传统的基线校正方法是利用多项式拟合的方法对拉曼光谱信号的基线进行拟合的,但是该方法容易出现过拟合和欠拟合现象,且拟合阶数难以确定。针对传统方法的缺点进行了改进,利用B样条方法对拉曼光谱信号的基线进行拟合,发挥B样条低阶光滑的优点,能够有效地克服多项式方法的缺陷。在实验中,利用该方法对孔雀石绿、罗丹明B的拉曼光谱信号进行了基线校正,观察并比较该方法和传统方法的校正结果。实验结果表明,该方法能够有效地消除拉曼光谱信号的基线漂移,在基线漂移较小和较大的位置,可以采用相同的拟合阶数,不会出现欠拟合和过拟合的现象,获得了良好的基线校正效果,为进一步分析光谱数据提供准确可靠的信息。

关键词：基线校正拉曼光谱 B样条

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基于中值滤波和非均匀B样条的拉曼光谱基线校正算法

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物理学报 2020年第20期69卷 195-202页

作者：王昕康哲铭刘龙范贤光厦门大学仪器与电气系厦门361005 福建省高等院校传感器技术重点实验室厦门市光电子传感器技术重点实验室厦门361005

基线校正是拉曼光谱数据预处理的关键步骤之一,是消除荧光干扰的有效方法.传统的多项式拟合和均匀B样条拟合算法原理简单、易于实现,但拟合阶数和内节点的不确定性限制了其灵活性.因此,本文提出了一种基于中值滤波和非均匀B样条的拉曼... 详细信息

基线校正是拉曼光谱数据预处理的关键步骤之一,是消除荧光干扰的有效方法.传统的多项式拟合和均匀B样条拟合算法原理简单、易于实现,但拟合阶数和内节点的不确定性限制了其灵活性.因此,本文提出了一种基于中值滤波和非均匀B样条的拉曼光谱基线校正算法.该算法首先通过平滑预处理、差分计算和设置阈值筛选波谷点,并根据光谱数据的波谷位置自适应地选择非均匀B样条的内节点;接着利用中值滤波算法对光谱数据进行处理,使非均匀B样条算法能够更好地拟合基线.该算法克服了传统B样条算法需要根据不同的拉曼光谱手动选择内节点的缺点,同时避免了光谱数据中的随机噪声对基线拟合的影响,且进一步提高了光谱基线校正效果.实验结果表明,该算法能较好地消除拉曼信号基线漂移,且不存在过拟合和欠拟合现象.因此,该算法可以为光谱数据的进一步分析提供更准确、可靠的信息.

关键词：基线校正拉曼光谱非均匀B 样条中值滤波自适应节点

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基于DE算法和NURBS曲线的ICP-AES光谱基线校正方法研究

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光谱学与光谱分析 2023年第1期43卷 260-267页

作者：廉小亲陈彦铭王宇乔刘钰北京工商大学人工智能学院北京100048 北京工商大学中国轻工业工业互联网与大数据重点实验室北京100048

电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析法是一种常用的溶液元素浓度分析方法,但在ICP-AES测量过程中,由于温度漂移、杂散光和仪器暗电流等原因,光谱往往会存在一定程度的基线漂移,导致元素光谱强度值的测量结果存在误差,进而影响... 详细信息

电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析法是一种常用的溶液元素浓度分析方法,但在ICP-AES测量过程中,由于温度漂移、杂散光和仪器暗电流等原因,光谱往往会存在一定程度的基线漂移,导致元素光谱强度值的测量结果存在误差,进而影响元素浓度的定量分析结果,因此基线校正是ICP-AES分析法中的必要环节之一。对传统光谱基线校正方法进行简要分析,在此基础上设计了一种基于非均匀B样条曲线和差分进化算法的ICP-AES光谱基线漂移校正方法;首先验证了光谱信号中噪声的概率密度分布服从高斯分布,然后对原始光谱进行预处理,通过高斯滤波对光谱信号去噪;然后以光谱基线校正过程中极小值序列的标准偏差作为评价指标,以非均匀B样条曲线作为基线模型,以曲线的控制点序列C和内接点序列T作为评价函数特征参数,建立ICP-AES光谱基线校正评价函数,将光谱基线校正问题转换为求解评价函数特征参数全局最优解的问题;最后简要介绍了差分进化算法的流程,通过差分进化算法求解使得评价函数取得最小值时的特征参数的全局最优解,即非均匀B样条曲线的控制点序列C与内接点序列T的取值,并以此拟合相应的非均匀B样条曲线作为光谱基线,实现对ICP-AES光谱的基线校正。利用一组实测的ICP-AES光谱数据对本文提出的基线漂移校正方法进行验证,实验结果表明,提出的基于差分进化算法和非均匀B样条曲线的ICP-AES光谱基线校正方法能够准确地计算出非均匀B样条曲线的控制点序列C与内接点序列T,并拟合出理想的光谱基线,从而实现ICP-AES光谱的基线校正,该方法能够克服非均匀B样条曲线在光谱基线校正领域应用的局限性,为后续的元素含量定量分析提供了技术基础。

关键词：光谱基线基线校正差分进化算法非均匀B样条电感耦合等离子体

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一种用于一次谐波背景消除与基线校正的新型方法

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物理学报 2014年第7期63卷 81-88页

作者：张锐赵学玒胡雅君郭媛王喆赵迎李子晓汪曣天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津科技大学电子信息与自动化学院天津300222

针对可调谐半导体激光吸收光谱一次谐波信号中具有背景信号及较大的基线信号,提出一种新型的背景消除与基线校正的处理方法.分析了一次谐波背景中的激光器相关强度调制信号,电子学噪声和光学干涉条纹,采用无吸收谱线区域检测谐波方法消... 详细信息

针对可调谐半导体激光吸收光谱一次谐波信号中具有背景信号及较大的基线信号,提出一种新型的背景消除与基线校正的处理方法.分析了一次谐波背景中的激光器相关强度调制信号,电子学噪声和光学干涉条纹,采用无吸收谱线区域检测谐波方法消除背景信号.给出了激光器不同工作温度时的电流和强度之间的关系曲线,由此设计出消除背景后剩余基线的校正方法.文中给出了背景搜索方法的原理以及LabView软件流程图.设计了检测氟化氢气体的实验系统,根据谱线选取原则确定吸收谱线为1312.59 nm,设置激光器的工作温度为27.0?C,对应的背景温度为30.2?C.一次谐波信号经过背景消除和基线校正后,信号的畸变得到明显改善,基线得到校正,验证了该方法在激光器其他工作温度(26.7—27.2)是有效的,并对HF气体浓度精度的改善进行了定量分析,为一次谐波信号的后续处理提供了方便.

关键词：可调谐半导体激光吸收光谱一次谐波背景消除基线校正

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聚谷氨酸发酵过程中ATR-FTIR光谱信号的分数阶基线校正

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光谱学与光谱分析 2022年第6期42卷 1848-1854页

作者：何年单鹏贺忠海王巧云李志刚吴缀东北大学秦皇岛分校控制工程学院河北秦皇岛066000

采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR),结合多元校正模型对γ-聚谷氨酸(γ-PGA)发酵过程中两种主要底物葡萄糖和谷氨酸钠的浓度进行间接测量,为优化发酵系统控制提供重要的反馈信息。光谱测量中经常出现的基线漂移会严重影响... 详细信息

采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR),结合多元校正模型对γ-聚谷氨酸(γ-PGA)发酵过程中两种主要底物葡萄糖和谷氨酸钠的浓度进行间接测量,为优化发酵系统控制提供重要的反馈信息。光谱测量中经常出现的基线漂移会严重影响后续多元校正模型的性能,需要采用基线校正算法对光谱进行预处理。现有流行的基线校正算法多数是基于Whittaker Smoother(WS)平滑算法,这些算法均采用整数阶微分对拟合基线进行约束,表达能力有限。针对现有基线校正算法中的整数阶微分自适应性差的问题,利用更加灵活的分数阶微分对基线进行约束,提出了一种基于分数阶的基线校正算法,实现对整数阶基线校正的扩展。总共进行了5个批次的γ-PGA发酵实验,并对不同批次和全部批次的ATR-FTIR光谱数据分别进行了分数阶基线校正,模型的预测精度均得到不同程度的提升。实验结果表明,只有在批次2时,基于整数阶的基线校正效果最好;其他批次的基线校正效果最好时的阶次均为分数阶。这也表明了分数阶微分(包含整数阶微分)对基线的约束更加合理。同时发现全部批次的整体基线校正效果远远差于单一批次的效果,原因可能是各批次发酵光谱的基线是不同的,对不同的批次需要选用不同的阶次以获得最佳的基线校正。此外,γ-PGA发酵样品的ATR-FTIR光谱测量是以蒸馏水为背景,会在3100~3600 cm^(-1)波数范围内出现负水峰,形成有害的干扰信号;分数阶基线校正后的光谱表明,分数阶基线校正算法将负的水峰当作基线,在一定程度上进行了消除。综上分析,分数阶基线校正算法不仅扩展了传统整数阶基线校正算法的应用范围,也为消除ATR光谱中负的水峰提供了新的解决思路。

关键词：分数阶微分光谱预处理基线校正

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