基于平滑spline曲线结...算法的拉曼光谱基线校正方法 姚泽楷.pdf

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中国激光
物质并与现有方法对比其基线校正结果。实验结果表明，所提出的方法能够有效地消除
具有不同强度荧光背景的拉曼光谱的基线漂移，且不需要复杂的参数设置和调整过程，为进一步
利用拉曼光谱数据实现物质的定性和定量分析提供可靠的信息。
关键词: 拉曼光谱; 基线漂移；平滑 spline 曲线；离散状态转移算法；基线校正
中图分类号：O436 文献标识码：A
1 引言
凭借其能够获取目标物质的详细光谱指纹信息以及检测过程中制样简单和水干扰小等特点，
拉曼光谱技术在化学、生物医学和地质等领域得到了广泛的应用[1-3]。然而，拉曼光谱分析仪器
所获得的信号绝大部分可以观察到变化程度不同的荧光背景，导致其光谱基线发生漂移和扭曲。
这是由于绝大部分物质在激光激发下会产生不同程度的荧光散射信号，从而与拉曼散射信号相
叠加，导致所获得光谱测量结果无法真实反应其拉曼光谱信息，带来定性或定量分析结果的误
差。因此，基线校正算法是提取真实拉曼散射信号和实现荧光散射背景扣除的重要手段。
在早期的分析研究中，研究人员通常使用分段线性函数手动近似拟合拉曼光谱基线[4]。然而，
人为经验的丰富程度和拟合方法往往较大程度影响拟合结果，且步骤繁琐以及难以较好的处理
含有复杂变化荧光背景的拉曼光谱曲线。因此，诸多基线校正算法被陆续提出，其中人工或自
动多项式拟合方法得到广泛的应用[5]。最初，使用该方法的研究人员通过预先设定多项式阶数和
波数范围来估计拉曼光谱的基线，但其参数设定的不同往往造成拟合结果存在较大差异。其后，

基金项目：国家自然科学基金项目(61903138), 湖 南 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (2020JJ5366), 国家级大学生创新项目
(S202010542003)
作者简介：姚泽楷,2000 年生，湖南师范大学电子信息工程专业在读 *通讯联系人：蔡耀仪，Email: ******@[6]。然而，这些
方法仍旧很难处理那些背景强烈变化的拉曼光谱信号。小波变换能够基于频域变换方法将光谱
信号分解为高频和低频成分，并将低频部分作为拉曼光谱信号的荧光背景[7]。由于含有不同强度
荧光背景的拉曼光谱信号需要基于不同小波函数进行基线估计，因此这类方法难以广泛应用于
不同类型拉曼光谱信号的基线校正过程。基于 Whittaker 平滑器和惩罚最小二乘的方法也被应用
于拉曼光谱的基线校正，如 AsLS[8]，IAsLS[9] 和 airPLS[10]等，且取得了比较好的效果。此外，
一些改进的 Whittaker 平滑器结合惩罚最小二乘方法也被应用于拉曼光谱荧光背景的自适应扣
除过程中[11-12]。这些方法易于使用，并且不需要峰值检测的先验信息。然而，这些基线校正方法
的性能取决于关键参数的设定，需要基于专家经验和荧光背景强度来改变，因而难以适应于不
同物质的拉曼光谱基线校正过程。近些年来，基于 spline 等样条函数插值的方法被广泛应用于
拉曼光谱的基线校正过程中，如刘龙等人提出的基于自适应加窗 spline 曲线拟合的基线校正方
法(Adaptive window spline fitting, AWSF)[13]。这种方法基于插值的原理，通过估计荧光背景所属
的拉曼光谱位置来拟合真实基线，极易受到噪声的影响，无法处理具有强噪声的拉曼光谱信号。
因此，本文提出了一种基于平滑 spline 曲线结合离散状态转移算法（DSTAspline）的拉曼光
谱基线校正方法，能够自适应处理含有不同强度荧光背景及不同噪声