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原文传递基于稀疏非负最小二乘的混合物拉曼光谱定性分析方法

专利名称：	基于稀疏非负最小二乘的混合物拉曼光谱定性分析方法
摘要：	本发明公开了一种基于稀疏非负最小二乘的混合物拉曼光谱定性检测方法，涉及拉曼光谱领域，该方法将待测拉曼光谱处理为与拉曼光谱标准库中各个纯净物的拉曼光谱同一维度的列向量，然后通过求解利用待测拉曼光谱和拉曼光谱标准库构建的目标函数从拉曼光谱标准库中初步筛选出待测混合物中包括的疑似物质，然后通过稀疏非负最小二乘法计算待测混合物和疑似物质的残差，再采用双尾T检验依次计算相邻残差的显著性差异，基于显著性差异从疑似物质中二次筛选出待测混合物中包括的纯净物，实现了对未知的待测混合物的定性检测，准确率高、操作简单、快速有效。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江南大学
发明人：	朱启兵;颜凡;黄敏;张恒;张丽文
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-08T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-10T00:00:00+0800
申请号：	CN201910015027.0
公开号：	CN109738413A
代理机构：	无锡华源专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	聂启新
分类号：	G01N21/65(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	214122 江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道1800号
主权项：	1.一种基于稀疏非负最小二乘的混合物拉曼光谱定性检测方法，其特征在于，所述方法包括：建立纯净物的拉曼光谱标准库，所述拉曼光谱标准库中包括N种纯净物的拉曼光谱，每一种纯净物的拉曼光谱均为具有M维的列向量，M和N为正整数；获取待测混合物的拉曼光谱并进行预处理得到待测拉曼光谱，所述待测拉曼光谱为具有M维的列向量；根据所述拉曼光谱标准库和所述待测拉曼光谱建立目标函数为f(x)＝\|\|AX-y\|\|+λ\|\|X\|\|1，其中A表示M行N列的拉曼光谱标准库，y表示所述待测拉曼光谱，λ为惩罚因子，X为系数向量且包括N个系数，所述N个系数构成N维的列向量，X中的系数xi对应第i种纯净物，i为参数且1≤i≤N，xi≥0；最小化所述目标函数得到所述系数向量X；基于2δ准则从求解得到的所述系数向量X中的N个系数中筛选出疑似系数，确定各个所述疑似系数对应的纯净物为疑似物质；将各种所述疑似物质的拉曼光谱与所述待测拉曼光谱进行最小二乘匹配，并通过双尾T检验对最小二乘匹配的结果进行检验，从而从各种所述疑似物质中筛选出所述待测混合物中包括的纯净物。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将各种所述疑似物质的拉曼光谱与所述待测拉曼光谱进行最小二乘匹配，并通过双尾T检验对最小二乘匹配的结果进行检验，从而从各种所述疑似物质中筛选出所述待测混合物中包括的纯净物，包括：对各种所述疑似物质按照对应的疑似系数由大到小的顺序进行排列得到疑似物质序列，所述疑似物质序列中共包括L个纯净物，L为正整数；利用所述疑似物质序列中的前l个纯净物的拉曼光谱与所述待测拉曼光谱进行最小二乘匹配并计算得到第l个残差，l为参数，l≤L且l的起始值为1；通过双尾T检验检测第l个残差与第l-1个残差之间是否具有显著性差异，其中，定义第0个残差为所述待测拉曼光谱；若具有显著性差异，则令l＝l+1并再次执行所述利用所述疑似物质序列中的前l个纯净物的拉曼光谱与所述待测拉曼光谱进行最小二乘匹配并计算得到第l个残差的步骤；若不具有显著性差异，则确定所述待测混合物中包括所述疑似物质序列中的前l-1个纯净物。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小化所述目标函数得到所述系数向量X，包括将所述目标函数处理为对应的增广目标函数为：其中，t为惩罚因子，迭代求解所述增广目标函数得到所述系数向量X，迭代求解过程包括：初始化所述系数向量X的解为e，通过拉格朗日乘子法得到所述目标函数的对偶方程为L(x)＝-(Ax-y)2-2(Ax-y)Ty，根据所述目标函数以及所述目标函数的对偶方程确定对偶误差的表达式为Δ＝L(x)-f(x)；将所述系数向量X的解代入所述对偶误差的表达式计算得到对偶误差；判断计算得到的所述对偶误差是否在预设范围内，若所述对偶误差在所述预设范围内，则输出所述系数向量X的解；若所述对偶误差超出所述预设范围，则通过牛顿法确定系数向量的迭代方向、通过回溯线搜索确定迭代步长，并利用所述迭代方向和迭代步长更新所述系数向量X的解，利用更新后的所述系数向量X的解再次执行所述将所述系数向量X的解代入所述对偶误差的表达式计算得到对偶误差的步骤。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于2δ准则从求解得到的所述系数向量X中的N个系数中筛选出疑似系数，包括：计算所述系数向量X中的N个系数的均值和标准差；判断所述N个系数是否在(u-2δ,u+2δ)范围内，u是计算得到的所述均值，δ是计算得到的所述标准差；确定不在(u-2δ,u+2δ)范围内的各个系数为疑似系数。 5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述建立纯净物的拉曼光谱标准库，包括：利用拉曼光谱仪采集所述N种纯净物的原始拉曼光谱；对采集到的所述原始拉曼光谱进行预处理，并通过线性插值法插值取点得到处理后的原始拉曼光谱，所述处理后的原始拉曼光谱为M维的列向量；对所述处理后的原始拉曼光谱采用线性函数归一化得到所述N种纯净物的拉曼光谱，从而建立得到所述拉曼光谱标准库。 6.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述获取待测混合物的拉曼光谱并进行预处理得到待测拉曼光谱，包括：利用拉曼光谱仪采集所述待测混合物的拉曼光谱；对采集到的所述待测混合物的拉曼光谱进行预处理，并通过线性插值法插值取点得到所述待测混合物的处理后的拉曼光谱，所述待测混合物的处理后的拉曼光谱为M维的列向量；对所述待测混合物的处理后的拉曼光谱采用线性函数归一化得到所述待测拉曼光谱。
所属类别：	发明专利