阅读说明：本技术 一种过程拉曼信号的可视化方法 (Visualization method of process Raman signal ) 是由 姚志湘 粟晖 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光谱测量技术领域,尤其涉及一种过程拉曼信号的可视化方法。本发明为一种过程拉曼信号的可视化方法,该方法包括以下几个步骤：1)建立数据可视化坐标；2)定义刻度线并求取可视化向量参数；3)绘制被跟踪组分可视化向量。本发明提出一种针对被关注组分信号强度的可视化方法,解决环境和背景对组分测量结果的干扰问题,帮助拉曼光谱实现准确、直观、方便的过程监测应用,该方法不需要硬件改动或者限制测量条件,也不需要进行建模等复杂操作和反推被跟踪组分含量等计算,可视化结果可以直接作为仪表设定参数用于过程系统监测。(The invention relates to the technical field of spectral measurement, in particular to a visualization method of process Raman signals. The invention relates to a visualization method of a process Raman signal, which comprises the following steps: 1) establishing a data visualization coordinate; 2) defining a scale mark and solving a visual vector parameter; 3) and drawing a tracked component visualization vector. The invention provides a visualization method for the signal intensity of a component to be focused, which solves the problem of interference of environment and background on the component measurement result and helps Raman spectrum to realize accurate, visual and convenient process monitoring application.)

一种过程拉曼信号的可视化方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，尤其涉及一种过程拉曼信号的可视化方法。

背景技术

拉曼光谱具有响应快、非接触、特征强等优点，可以通过直接记录特征峰变化情况，直接体现过程中被关注组分的变化情况，因而，越来越受到过程在线监测应用的关注。但是，拉曼光谱采集的是散射光，很容易受到环境光、颗粒散射光、荧光等其他因素影响，如果仅从装置、环境等物理条件上改进，不仅会提高硬件成本，而且应用场景也会受到限制。

拉曼光谱特征峰具有较好的独立性，这是其用于过程跟踪监测的基础；直接的观测波动是由于基线抬升引起的，由于背景基线通常是倾斜的，大多数时候斜率还会发生变化，从而导致问题复杂。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种过程拉曼信号的可视化方法，该方法包括以下几个步骤：

1)建立数据可视化坐标；

2)定义刻度线并求取可视化向量参数；

3)绘制被跟踪组分可视化向量。

优选的，步骤1)分为以下几步：

a.选取被跟踪组分特征峰，确定特征峰的起始位置，读取区间内的序列光谱强度值[X]作为x轴；

b.从实测拉曼信号中选取与特征峰对应的序列光谱强度值[Y]作为y轴；

c.[X]和[Y]构成数据点[X,Y]，绘制直角坐标图，此为可视化坐标XY图。

优选的，步骤2)分为以下几步：

a.将[X]与不含被跟踪组分的背景信号[Y0]构成的系列数据点[X,Y0]绘制于XY图上，得到特征峰P；

如果不需要反映被跟踪组分的绝对强度，只需要观测相对强度变化，也可以选择被跟踪组分含量最低的状态作为背景，即在过程监测时，往往以化学反应的起点时刻作为基准背景[Y0]，观测后续时刻的组分变化情况。

b.在P的横向顶点T处，绘制与x轴平行的刻度线Tx；

c.在P的峰腰处，确定x轴上一点，通过该点绘制与y轴平行的刻度线Ty，Ty分别与Tx和P的上下沿交于C、A、B三点；

d.量取AC和CB的长度，计算|AC|/|CB|的比率，得到可视化向量的参数值R；

e.延长TC交y轴于H，将TH向下平移至原点，平移后的向量T’O就是被跟踪组分含量为0的可视化表达向量。

优选的，步骤3)分为以下几步：

a.将[X]与实际测量光谱信号[Yr]构成的数据点[X,Yr]绘制于XY图，得到实际测量的横峰Pr；

b.Pr与Ty交于两点Ar和Br，按照R值标出Cr，连接顶点Tr和标出的Cr，延长TrCr，交Y轴于Hr。

c.将TrHr上下平移，Hr’与原点O重合，平移后的向量Tr’O，就是被跟踪组分拉曼强度的可视化表达向量Vr。

本发明将观测信号约束在被跟踪组分的纯光谱轮廓中，因为光谱轮廓不会发生改变，进一步的把轮廓中包含的光谱响应归纳至峰顶点至基线的垂足的基准向量，该向量避免了基线斜率的影响，而垂足点本身经过正交投影，不再包含被跟踪组分的响应，也就是说，其提升和降低与被跟踪组分无关，因而，可以通过该向量倾斜程度的变化，反映出该组分光谱强度的变化。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明提出一种针对被关注组分信号强度的可视化方法，解决环境和背景对组分测量结果的干扰问题，帮助拉曼光谱实现准确、直观、方便的过程监测应用。

2、本发明提供了一种准确、直观、便捷的可视化过程跟踪表达方法，不需要硬件改动或者限制测量条件，也不需要进行建模等复杂操作和反推被跟踪组分含量等计算，可视化结果可以直接作为仪表设定参数用于过程系统监测。

附图说明

图1为甲醇、乙醇和丙醇三个组分各自的纯拉曼信号。

图2为不同甲醇、乙醇和丙醇混合比例的混合样本拉曼信号S1-S4。

图3为S1-S4在波数范围2778cm^-1-2878cm^-1处的拉曼信号。

图4为可视化向量参数R求取示意图。

图5为状态S1中甲醇的可视化向量求取情况。

图6为S1-S4四个状态的转换和表达情况。

图7为直接用原始谱图与本发明方法的跟踪甲醇效果的比对。

图8为直接用原始谱图与本发明方法的跟踪乙醇效果的比对。

图9为直接用原始谱图与本发明方法的跟踪乙醇效果的比对。

图10为11种涂改液样本A1～A11和分析纯四氯化碳的拉曼光谱。

图11为常规拉曼视图结果和本发明的可视化效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

实施例一

如图1和图2所示，如果保持体系纯净无气泡和颗粒散射干扰时，可以测到平直的光谱，如状态S1-S3，但是，存在散射干扰时，不可避免出现散射干扰，导致基线抬升，如状态S4。

甲醇的2830cm^-1峰具有比较显著特征，用于本例的组分跟踪峰位。尽管甲醇特征峰的特征显著，但仍然被临近的其他组分信号干扰。

在S1、S2、S3、S4四个状态中，S1、S2和S4具有相同的甲醇含量为10％，S3的甲醇含量为15％。在体系混合和背景干扰的情况下，仅从特征峰直接观察，难以直观、准确判断被跟踪的甲醇实际含量情况。

从图3可以看出，S1的甲醇含量最低，S2的甲醇含量大于S1，而S4受到基线漂移影响，如果仅从峰高判断，其甲醇含量与S3相当，与实际含量的误差约为50％，无法直观判断出四个状态中甲醇的真实含量。

本发明的具体实施如下：

1、建立可视化坐标。

1)选择甲醇特征峰，波数范围2778cm^-1-2878cm^-1，以该迁移波数范围内的纯甲醇拉曼强度值[X]作为x轴；

2)从实测拉曼信号中选取与特征峰对应的序列光谱强度值[Y]，作为y轴；

3)[X]和[Y]构成数据点[X,Y]，绘制直角坐标图，此为可视化坐标XY。

2、定义刻度线Ty并求取可视化向量参数R

1)选取不含甲醇的其他组分序列光谱强度值[Y0]，以[X]与[Y0]构成的系列数据点[X,Y0]，绘制系列响应，为图4中的横峰P。

如果不需要反映甲醇的绝对强度，只需要观测相对强度变化，也可以选择甲醇含量最低的状态作为背景，即在过程监测时，往往以化学反应的起点时刻作为基准背景[Y0]，来观测后续时刻的组分变化情况。

2)过P的横向顶点T绘制平行于x轴的刻度线Tx，在P的峰腰处，选择x＝25000，绘制与y轴平行的刻度线Ty，Ty分别与Tx和P的上下沿分别交于C、A、B三点。

3)计算R＝|AC|/|CB|的值等于1.738。

4)同时，将线段TH向下平移至x轴，T’O表示其对应的甲醇响应等于0。

3、绘制与实际状态对应的被跟踪组分可视化向量

1)采集S1光谱信号值[Y1]，以纯甲醇拉曼强度值[X]与[Y1]构成的数据点[X,Y1]，绘制于XY坐标上，得到P1。

2)P1与刻度线Ty分别交于A1和B1两点；通过R求出C1的位置，连接顶点T1和标出的C1，延长T1C1，交y轴于H1。

3)将T1H1上下平移，使H1与原点O重合，平移后的向量T1’O，为被跟踪组分拉曼强度的可视化表达向量V1，如图5所示。

如图6所示，S1-S4四个状态分别对应了V1-V4四个可视化向量，其中V1、V2和V4重合，即甲醇的拉曼响应强度一致，终点对应的纵坐标值为6560，即纯物质信号的1/10，V3终点值为9865，V3对应于V4的强度比为1.504，准确反映了S1-S4中被跟踪的实际甲醇强度响应。

从图7可以看出，可视化向量实现了清晰准确表达的目的。

在S5-S8四个状态中，S5的乙醇含量为60％，S6的乙醇含量为45％，S7和S8的乙醇含量为50％。

依照本发明实施步骤，选择为398cm^-1-481cm^-1波数范围谱图进行分析，得到四个状态S5-S8中组分乙醇分别对应了V5-V8四个可视化向量。从图8看出V5终点对应的纵坐标值为2480，即为纯物质信号的59.76％；其中V7和V8几乎重合，表明S7和S8的乙醇拉曼响应强度一致，采用可视化向量可实现清晰表达S5-S8中被跟踪的实际乙醇强度响应。

在S9-S12四个状态中，S9的丙醇含量为30％，S11和S12的丙醇含量为40％，S10的丙醇含量为45％。

依照本发明实施步骤，选择380cm^-1-520cm^-1波数范围的谱图进行分析，得到四个状态S9-S12中组分丙醇分别对应了V9-V12四个可视化向量。从图9看出V9终点对应的纵坐标值为3600，即为纯物质信号的30％；其中V11和V12重合，即说明S11和S12的丙醇拉曼响应强度一致，采用可视化向量可实现清晰准确表达S9-S12中被跟踪的实际丙醇强度响应。

采用本发明提出的可视化方法，可以准确跟踪和表达被跟踪组分的拉曼强度，直观反映存在背景波动的过程中组分变化情况。

实施例二

涂改液溶剂初筛判断

四氯化碳是涂改液的禁用成分，本例采用拉曼光谱筛查涂改液原料组成的四氯化碳存在情况。通过离线化学方法，已经知道A5中含有四氯化碳。11种涂改液样本A1～A11和分析纯四氯化碳的拉曼光谱如图10所示。

依照本发明实施步骤，选择四氯化碳特征峰波数范围286cm^-1-348cm^-1，取x＝2900，求得R＝0.4784，得到A1-A11中四氯化碳的可视化向量VA1-VA11，见图11。

图11左侧是常规拉曼视图结果，由于含量小，以及背景散射等原因，判断效果很不明显。图11右侧是本发明的可视化效果，可以看出除VA5外，其余VA1-VA11对应的纵坐标值趋于0，很容易判断这10种样本中不以四氯化碳为溶剂组成。其中VA5是A5号样本的可视化效果，用于检定的四氯化碳信号强度为7140，本发明可视化显示VA5对应的纵坐标值为690，即A5号样本中含四氯化碳的量约为纯量的9.7％。

采用本发明提出的可视化方法，可直观的对涂改液中的卤代烃或苯系物进行筛查判断，实现现场分析。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。