基于相似系统理论的红外光谱谱图比对方法.pdfVIP

第30卷，第6期 光谱实验室 V01．30，No．6 0 ChineseJournal 3 2 13年11月 of SpectroscopyLaboratory 基于相似系统理论的红外光谱谱图比对方法① 张其林②王先培4赵宇4屈萌4杜双育4 (湖北文理学院数学与计算机学院湖北省襄阳市襄城区隆中路296号441053) a(武汉大学电子信息学院武汉市武昌区珞珈山路16号430072) 摘要通过计算提问谱和数据库中标准谱图的相似度，以查出与提问谱相同或相近的谱图，有助于 确定未知物的结构与性质。基于相似系统理论，以红外谱图的峰强、峰位、峰面积为相似元设计比对算法， 通过实验得到相似元中不同特征值对计算谱图相似性存在一定的影响，然后采用层次分析法得到相似度 计算中不同特征值的权重系数，最后提出一种改进的比对算法，并以峰数弹性作为相似性测度的评价指 标。实验结果表明改进后的算法更加准确地反映提问谱与数据库中谱图的相对差异，验证了提出算．法的合 理性。 关键词相似系统理论；红外光谱；比对；相似度 中图分类号：0657．33 文献标识码：A 文章编号：1004—8138(2013)06—2742—05 1 引言 经过化学家长期的研究，目前已经得到了大量物质的红外光谱，并建立起了各种红外光谱谱图 数据库，著名的萨特勒红外光谱数据库就是其中之一。相对于质谱和核磁共振谱识别的精确性，红 外光谱的确定相对模糊，因此利用红外光谱数据库对未知物质的红外谱图进行比对检索，有助于确 定该物质的结构、性质。但是光谱数据库的完整性、提问谱的质量、比对方法的优劣都影响了谱图比 对检索的结果。 红外光谱的比对算法分为基于光谱特征参数的比对算法和整波形特征的光谱比对算法。基于 整波形特征的光谱比对算法是直接将提问谱和标准光谱在整个波长范围内相比较，得到两者的相 似度来进行识别和分类。由于红外光谱数据量大，存在大量的无用信息，少数的有用信息主要表现 在谱峰强度、峰面积、峰位等，因此，整波形比对运算量大。基于光谱特征参数比对算法从谱图中提 取有意义的特征参量来比较提问谱与标准光谱，最后得出它们的关系，此方法计算简单，适合于建 立在线谱图比对检索系统。文献[1]提出了一种将最小距离匹配算法和编码比对算法结合起来区域 峰数法。文献[2]采用阵列相关系数比对的方法对中药材的红外光谱图进行比。文献[3]提出了一 种基于筛的比对算法。文献[4]提出了一种基于小波多尺度分解的比对算法。文献[5]利用相似系 统理论，把相同的色谱峰看成是相似要素，峰面积为相似要素的特征值对色谱指纹图谱的相似度进 行计算，但未考虑权重问题。上述文献采用不同的方法通过红外光谱的特征参数设计比对检索算 法，但均未考虑不同特征参数对谱图相似度的影响。 ①国家自然科学基金；湖北省教育厅科学技术研究项目(资助 ②联系人，手机：(oE—mail：zhangqilin@whu．edu．ca 作者简介：张其林(1976一)，男，湖北省仙桃市人，讲师，博士，主要从事光谱信号处理，实时系统安全与可靠性方面的研究工作。 收稿日期：2013—06—17；接受日期：2013—06—28 万方数据 第6期 张其林等；基于相似系统理论的红外光谱谱图比对方法 本文基于相似系统理论，以红外谱图的峰强、峰位、峰面积为相似元设计比对算法，通过实验得 到相似元中不同特征值对计算谱图相似性的影响，然后采用层次分析法得到不同特征值的权重系 数，最后改进了比对算法。实验表明，改进的算法更加准确地反映提问谱与数据库中谱图的相对差 异。 2 方法 2．1相似系统理论 20世纪90年代，周美立E6．72提出了计算机系统相似度的新理论。相似系统理论用系统组成的 要素及其特征来表述系统的相似度。设系统以由k‘·要素(以。，a：，口。…，a∥“，m)组成，系统B由z 个要素(6。，b：，b。…，b∥一，良)组成，两系统间相似要素有竹个，以