本发明属于光谱分析，主要涉及一种应用于拉曼光谱背景基线自动化校正的分段多项式基线拟合方法。
背景技术：
1、将拉曼光谱技术应用于化工和生物医学领域分析所面临的一个重要挑战是：被测样品分子在调制入射光产生拉曼散射信号的同时，会被激发出更强烈的荧光背景，造成拉曼信号被荧光淹没，特征谱线信息提取困难。特别是生物样品的荧光信号强烈，其荧光背景强度最大值一般为被激发拉曼信号谱峰最大值的20倍以上，如果不对荧光背景进行有效拟合处理，几乎无法对拉曼谱图进行直观分析。同时，由于拉曼光谱技术已被广泛应用于扫描成像，光谱数据集更为庞大，对光谱分析速率也提出了更高要求。
2、目前荧光背景基线拟合方法主要包括人工线性拟合法、非对称最小二乘法、小波变换法和多项式拟合法等。其中人工线性拟合法拟合准确性严重依赖工作人员拟合经验，且消耗人力和时间成本高；非对称最小二乘法完成基线校正不需要提前知道峰的形状和基线，拟合速度快，参数易于调节，但其只考虑了二阶导数的平滑性约束，峰的强度或面积比较小时，背景扣除与实际相差太大；小波变换法应用小波变换把测量拉曼分解成各种频率分量，然后去除低频部分，最终实现拉曼信号的基线校正，但是在重构过程中系数设置不合理极易导致谱峰出现较大失真，且该方法在强荧光背景基线拟合中拟合效果较差；多项式拟合法具有便捷快速的优势，适用于各种基线拟合场景，但在拟合过程中容易出现“runge”现象，限制了该方法的拟合准确性。
3、lieber和mahadevan-jansen对传统多项式基线拟合方法进行了改进。他们将迭代思想加入拟合过程中，通过不断将拟合曲线中强度小于输入光谱的部分替换到原始谱线中，逐步消除拉曼谱图中强度明显的特征峰对基线拟合的影响，极大提高了基线拟合的准确程度。但是由于需要进行多次迭代计算，增加了数据计算量，导致基线拟合时间较长，无法应用于数据集庞大的拉曼显微成像领域，更适用于单光谱分析；在此基础上，zhao等首次提出了通过初步多项式拟合消除典型拉曼特征峰的方法，提高了迭代多项式拟合法的拟合速率，且在低强度荧光背景基线拟合中表现良好，但是该方法在强荧光背景基线拟合中拟合效果不佳；hu等提出了一种分段多项式基线拟合方法，通过将光谱分为小段依次进行拟合，实现了多场景高精度基线拟合，但该方法依赖人为标定基线拟合分段点，不属于自动化拟合方法，消耗人力和时间成本高。
4、综上可知，当前各种基线拟合方法虽然具有各自的优势，但是都难以兼顾高拟合准确性和高拟合速率，且普遍在高荧光背景下拟合效果不佳，无法满足拉曼光谱分析技术领域对快速有效基线拟合的需求。因此，当前本领域急需解决的一个关键技术问题是：如何对具有荧光背景的原始拉曼谱图进行快速准确的自动化基线拟合，实现拉曼信号的有效提取。
技术实现思路
1、为了克服已有技术中的不足，本发明提出一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法。本发明利用初步多项式拟合获取相较于基线变化剧烈的典型拉曼谱峰，以滑动窗口端点与各典型拉曼谱峰峰值位置距离为依据，实现滑动窗口自适应宽度选取，将原始光谱从左向右分为小段依次进行基线拟合，有效避免了经典多项式拟合方法中容易出现的过拟合、欠拟合现象，提升了拉曼谱线提取的准确性，同时减小了基线拟合所需迭代次数与拟合多项式阶数，大幅提高了基线拟合速度，实现了基线拟合快速与准确的同时兼顾；本发明可广泛应用于各类化工样品与生物样品的拉曼光谱背景基线自动化校正。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于包括以下步骤：
4、(1)对获取的拉曼光谱原始数据进行去噪预处理，提升光谱信噪比，记录进行去噪预处理后的原始光谱为spe_or；
5、(2)进行一次初步多项式拟合，获取谱线整体基本走向趋势；
6、(3)获取强度较大的典型拉曼谱峰，获取依据为：强度较大的典型拉曼谱峰相较于基线变化趋势剧烈，会被步骤(2)所拟合基线穿过，通过寻找原始谱线与拟合曲线的交点，可得到谱线所有典型拉曼谱峰。
7、(4)计算所有典型拉曼谱峰与初步多项式拟合结果相交的峰宽，通过比较获得峰宽最大值，记录为w0，以峰宽最大值的三倍，即3w0作为初始窗口宽度；
8、(5)获取并记录所有典型拉曼谱峰的峰值位置；
9、(6)寻找合适拟合窗口宽度，以谱线最左端第一个点为初始左端点，以初始左端点加初始窗口宽度做为初始右端点，向右延申右端点，直至满足右端点与所有峰值位置距离大于0.5w0，证明拟合窗口区域不会包含不完整的谱峰，造成分段区域基线过拟合，谱峰消失；
10、(7)对选定的窗口区间进行迭代多项式基线拟合；
11、(8)以上一个拟合窗口区间的右端点作为新窗口的左端点，以左端点加初始窗口宽度做为初始右端点，并重复步骤(6)～步骤(7)，直至初始右端点大于谱线右端点，此时设定谱线右端点为最后一次拟合窗口的右端点；
12、(9)对原始谱线所有区域进行分段多项式基线拟合完成后，对所拟合的分段基线进行一次多项式拟合，目的在于消除各分段点之间可能存在的不连续性，记录拟合所得曲线为f_mod；
13、(10)计算步骤(9)所拟合曲线f_mod强度高于原始谱线的最大值，作为拟合基线的修正值h，通过对基线进行修正确保光谱最终基线校正结果无小于零的负值，曲线s_mod＝f_mod-h为最终确定的基线拟合结果；
14、(11)获取可用于分析的基线校正光谱spe_fin，spe_fin＝spe_or-s_mod。
15、进一步的，所述步骤(1)中使用savitzky-golay滤波器进行噪声平滑处理。
16、进一步的，所述多项式拟合均基于最小二乘法。
17、进一步的，所述步骤(5)通过对步骤(3)获取的典型拉曼谱峰区域进行一阶求导获取峰值位置。
18、进一步的，所述步骤(7)具体为：
19、(7.1)对窗口区域光谱数据进行多项式拟合；
20、(7.2)使用拟合结果中强度小于谱线的部分替代原数据，以迭代消除拟合基线中存在的拉曼谱峰部分；
21、(7.3)重复步骤(7.1)～(7.2)，迭代次数一般为25到200次(取决于实际光谱情况)，直至拟合曲线中所有值小于或等于最初的原始光谱强度。
22、进一步的，所述步骤(2)、(7)～(9)中，多项式拟合阶数可根据实际光谱进行最优选取。
23、本发明所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于对拉曼信号的激发光波长无明显限制，普适于532nm、785nm等典型波长激光光源。
24、本发明所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用初步多项式拟合获取相较于基线变化剧烈的典型拉曼谱峰。
25、本发明所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用典型拉曼谱峰与初步多项式拟合结果相交的峰宽，作为滑动窗口长度的初步选择依据。
26、本发明所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用滑动窗口右端点与各典型拉曼谱峰峰值位置的距离，作为滑动窗口长度的最终选择依据。
27、本发明的有效益处在于，通过自动化的分段多项式基线拟合，有效避免了经典多项式拟合方法中容易出现的过拟合、欠拟合现象，提升了拉曼谱线提取的准确性，同时减小了基线拟合所需迭代次数与拟合多项式阶数，大幅提高了基线拟合速度，实现了基线拟合快速与准确的同时兼顾。
1.一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于所述步骤(1)中使用savitzky-golay滤波器进行噪声平滑处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于多项式拟合均基于最小二乘法。
4.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于步骤(5)通过对步骤(3)获取的典型拉曼谱峰区域进行一阶求导获取峰值位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于步骤(7)具体为：
6.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于步骤(2)、(7)～(9)中，多项式拟合阶数可根据实际光谱进行最优选取。
7.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于对拉曼信号的激发光波长无明显限制，普适于532nm、785nm等典型波长激光光源。
8.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用初步多项式拟合获取相较于基线变化剧烈的典型拉曼谱峰。
9.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用典型拉曼谱峰与初步多项式拟合结果相交的峰宽，作为滑动窗口长度的初步选择依据。
10.根据权利要求1所述的一种基于滑动窗口的拉曼光谱基线分段多项式拟合方法，其特征在于利用滑动窗口右端点与各典型拉曼谱峰峰值位置的距离，作为滑动窗口长度的最终选择依据。
