專(zhuān)利名稱(chēng)：一種獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種利用三維熒光光譜數(shù)據(jù)獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，同時(shí)也確定了最優(yōu)的掃描路徑。
背景技術(shù)：
熒光分析法是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、衛(wèi)生、司法鑒定和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的分析技術(shù)。傳統(tǒng)的熒光分析法指的是利用物質(zhì)特征熒光的二維發(fā)射(或激發(fā))光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或定量分析的方法。與二維發(fā)射(或激發(fā))光譜相比，熒光強(qiáng)度隨激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)變化的三維熒光譜提供的信息量更多。因而利用三維熒光譜的分析法作為研究原油地球化學(xué)特性的一種有效測(cè)試方法，越來(lái)越受到人們的重視。但通常獲取三維熒光數(shù)據(jù)的方法，是在不同激發(fā)波長(zhǎng)位置上連續(xù)掃描發(fā)射波長(zhǎng)得到的一系列發(fā)射光譜，一個(gè)三維熒光譜的獲得通常需要采集幾十個(gè)二維發(fā)射光譜，實(shí)驗(yàn)上很費(fèi)時(shí)。最新發(fā)展起來(lái)的非線性可變角同步熒光光譜(Variable-angle synchronous fluorescence spectrum)是一種新的高選擇性的熒光分析法，它可將三維圖譜要表達(dá)的各種特征以特殊的二維圖譜模式表現(xiàn)出來(lái)而備受關(guān)注。理論上說(shuō)，可變角同步熒光光譜(VASFS)通過(guò)一次最優(yōu)掃描就可獲得設(shè)計(jì)者期望從一個(gè)三維熒光譜得到的信息。該項(xiàng)技術(shù)要求發(fā)射光波長(zhǎng)和激發(fā)光波長(zhǎng)按設(shè)計(jì)的一定掃描路徑同步掃描，其關(guān)鍵在于找到最優(yōu)的掃描路徑。其中，最優(yōu)掃描路徑的選取應(yīng)當(dāng)根據(jù)分析的要求，同時(shí)考慮盡量少的光譜重疊，最接近于各組分的最大熒光強(qiáng)度值，以及盡可能地避開(kāi)散射的干擾。
鑒于此，目前在利用可變角同步熒光法分析多組分物質(zhì)時(shí)，通常針對(duì)特定物質(zhì)根據(jù)特定分析的需要設(shè)計(jì)出沿特定掃描路徑掃描的可變角同步熒光光譜儀，而這種掃描路徑即是滿足分析要求的最優(yōu)掃描路徑，而這種掃描路徑目前多采用較為盲目的試湊法試驗(yàn)來(lái)獲取，不但費(fèi)時(shí)，而且受儀器性能和試驗(yàn)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)等因素的制約，這樣就很大程度上限制了最優(yōu)掃描路徑的選取而大大影響了可變角同步熒光光譜的質(zhì)量，同時(shí)這種試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很費(fèi)時(shí)。如果在熒光光譜儀上同時(shí)測(cè)量多種不同類(lèi)的物質(zhì)，則需要對(duì)每一類(lèi)物質(zhì)確定其相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)掃描路徑，這樣就更加復(fù)雜而費(fèi)時(shí)，在某種程度上限制了熒光光譜儀的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種方便、快捷地獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，同時(shí)也確定了最優(yōu)的掃描路徑，以便通過(guò)獲取的熒光光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行充分有效的定性和定量分析，并大大節(jié)省必須通過(guò)做大量的實(shí)驗(yàn)獲取該光譜圖及其最優(yōu)掃描路徑所需要的耗費(fèi)。
本發(fā)明的另一目的是為可變角熒光光譜儀的設(shè)計(jì)，即對(duì)需要測(cè)量的特定物質(zhì)可以提供最優(yōu)掃描路徑，使其方便快速的測(cè)定相應(yīng)物質(zhì)的最優(yōu)可變角同步熒光光譜。
本發(fā)明的方法或步驟首先讀取實(shí)驗(yàn)上已獲得的三維熒光光譜數(shù)據(jù)，并繪制出三維熒光光譜的等高線投影圖，然后在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑并讀取此掃描路徑，通過(guò)插值方法，對(duì)所選折線掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值得到這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度值，進(jìn)而繪制出所選折線掃描路徑對(duì)應(yīng)的一條可變角同步熒光光譜圖，再通過(guò)反復(fù)選擇折線掃描路徑并相應(yīng)的繪制出多條可變角同步熒光光譜圖，根據(jù)分析的要求，并考慮盡量少的光譜重疊，以接近于各組分的最大熒光強(qiáng)度值來(lái)比較所得到的各熒光光譜圖，即可得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖(VASFS)，并把這條熒光光譜相對(duì)應(yīng)的掃描路徑確定為該物質(zhì)的滿足分析需要的最優(yōu)掃描路徑。通常僅需反復(fù)選擇3-5條即可獲取可變角同步熒光光譜圖。
上述的插值方法可以采取多種，如雙線性插值或雙立方Hermite插值，本發(fā)明考慮到插值后的熒光強(qiáng)度曲面在網(wǎng)點(diǎn)處的彎曲需要與實(shí)際相一致，以便獲得最優(yōu)化的圖譜而選取了二維三次卷積插值方法對(duì)三維熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行局部插值得到插值函數(shù)，以此來(lái)獲取所選掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值。本發(fā)明的插值方法得到的插值函數(shù)是三維熒光光譜曲面的三次逼近，具有連續(xù)的三階導(dǎo)數(shù)，可以很好的滿足可變角同步熒光光譜獲取的需要。
在程序編制中，還可以考慮到在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑時(shí)，以便對(duì)三維熒光光譜有一個(gè)整體的直觀的印象。本發(fā)明在讀取三維熒光光譜數(shù)據(jù)之后，可以在繪制三維熒光光譜等高線投影圖的同時(shí)繪制出三維熒光光譜圖和三維等高線光譜圖。即在讀取三維熒光光譜數(shù)據(jù)之后，在繪制三維熒光光譜等高線投影圖的同時(shí)在界面上繪制出三維熒光光譜圖和三維等高線光譜圖。
按照上述步驟即可編制出獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜和最優(yōu)掃描路徑的程序，并依此實(shí)現(xiàn)多種熒光光譜圖的顯示和各種操作以對(duì)光譜進(jìn)行直觀分析，該最優(yōu)掃描路徑也就為熒光光譜儀設(shè)計(jì)測(cè)定該物質(zhì)提供了最優(yōu)掃描路徑，同時(shí)也為測(cè)量特定物質(zhì)的可變角同步熒光光譜圖的設(shè)計(jì)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)方便測(cè)定相應(yīng)物質(zhì)的最優(yōu)可變角同步熒光光譜。


圖1為本發(fā)明的程序流程圖。
圖2為利用三維熒光光譜數(shù)據(jù)繪制的三維熒光光譜的等高線光譜投影圖(其中選擇了三條折線掃描路徑)。圖中星點(diǎn)表示折線掃描路徑的控制點(diǎn)，連接星點(diǎn)的虛線表示折線掃描路徑。其中較粗的一條為最優(yōu)掃描路徑，而另外兩條為非最優(yōu)掃描路徑。
圖3為與圖2中三條折線掃描路徑對(duì)應(yīng)的可變角同步熒光光譜圖。圖中圓圈對(duì)應(yīng)圖2折線掃描路徑中的星點(diǎn)。其中較粗的一條為最優(yōu)可變角同步熒光光譜，而另外兩條為非最優(yōu)可變角同步熒光光譜。圖中有一組坐標(biāo)(371.7566，380.035)為箭頭所指點(diǎn)的坐標(biāo)，其中橫坐標(biāo)表示此點(diǎn)的發(fā)射光波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示所選掃描路徑中在此發(fā)射光波長(zhǎng)下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的熒光強(qiáng)度值。
圖4a為含有一條掃描路徑的等高線光譜投影圖。
圖4b為實(shí)驗(yàn)和本發(fā)明獲得的圖4a中掃描路徑下的相吻合的可變角同步熒光光譜圖。
圖5為本發(fā)明繪制的兩條掃描路徑下的可變角同步熒光光譜圖的程序主界面。界面中同時(shí)顯示出了三維熒光光譜圖(左上)、三維等高線光譜圖(右上)、三維熒光光譜的等高線投影圖(左下)及等高線光譜投影圖中兩條掃描路徑下的可變角同步熒光光譜圖(右下)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明首先讀取實(shí)驗(yàn)上已獲得的三維熒光光譜數(shù)據(jù)，并繪制出三維熒光光譜的等高線投影圖，然后在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑并讀取此掃描路徑，通過(guò)插值方法，對(duì)所選折線掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值得到這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度值，進(jìn)而繪制出所選折線掃描路徑對(duì)應(yīng)的一條可變角同步熒光光譜圖，再通過(guò)反復(fù)選擇折線掃描路徑并相應(yīng)的繪制出多條可變角同步熒光光譜圖，比較所得到的各熒光光譜圖，即可得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖，并把這條熒光光譜相對(duì)應(yīng)的掃描路徑確定為該物質(zhì)的滿足分析需要的最優(yōu)掃描路徑。
本發(fā)明選取了二維三次卷積插值方法對(duì)三維熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行局部插值得到插值函數(shù)，以此來(lái)獲取所選掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值。
考慮到在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑時(shí)，便于對(duì)三維熒光光譜有一個(gè)整體的直觀的印象。本發(fā)明在讀取三維熒光光譜數(shù)據(jù)之后，可以在繪制三維熒光光譜等高線投影圖的同時(shí)繪制出三維熒光光譜圖和三維等高線光譜圖。即在讀取三維熒光光譜數(shù)據(jù)之后，在繪制三維熒光光譜等高線投影圖的同時(shí)在界面上繪制出三維熒光光譜圖和三維等高線光譜圖。具體步驟如下①讀取并存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)上已獲得的三維熒光光譜數(shù)據(jù)(三維熒光光譜數(shù)據(jù)是以網(wǎng)格的形式給出網(wǎng)格點(diǎn)上的熒光強(qiáng)度信息)，并利用三維熒光光譜數(shù)據(jù)同時(shí)繪制出三維熒光光譜圖、三維等高線光譜圖及等高線光譜投影圖(圖2)。其中三維熒光光譜和等高線光譜圖直觀的顯示出了熒光數(shù)據(jù)的整體信息，而等高線光譜投影圖則用來(lái)選擇各折線掃描路徑。
②在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑(如圖2中虛線所示)，折線掃描路徑由控制點(diǎn)進(jìn)行控制，通過(guò)選取掃描路徑中的各控制點(diǎn)來(lái)完成對(duì)掃描路徑的選取，這些掃描路徑由圖中的星點(diǎn)和連接星點(diǎn)的虛線組成。
③讀?、谥兴x掃描路徑，即在選擇掃描路徑的同時(shí)讀取掃描路徑中的各星點(diǎn)坐標(biāo)，并依次連接各星點(diǎn)形成折線掃描路徑。
在②、③中編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)在等高線光譜投影圖中以星點(diǎn)作為掃描路徑控制點(diǎn)選擇掃描路徑時(shí)，可以在等高線光譜投影圖中利用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊所選掃描路徑的控制點(diǎn)，存儲(chǔ)這些控制點(diǎn)，并將這些控制點(diǎn)以星點(diǎn)的形式顯示在等高線光譜投影圖中，同時(shí)用虛線依次連接各控制點(diǎn)(星點(diǎn))來(lái)表示所選掃描路徑。
④繪制③中讀取的折線掃描路徑對(duì)應(yīng)的可變角同步熒光光譜圖，即利用二維三次卷積插值方法對(duì)③中讀取的折線掃描路徑中的各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值，獲得此折線掃描路徑上各數(shù)據(jù)點(diǎn)處的熒光強(qiáng)度值，即可利用二維作圖函數(shù)繪制出此折線掃描路徑相對(duì)應(yīng)的可變角同步熒光光譜圖。
上述插值如果是利用通用的數(shù)學(xué)處理軟件Matlab來(lái)完成時(shí)，這種二維三次卷積插值方法稱(chēng)為三次Cubic插值，其中由I＝interp2(X，Y，Z，xxi，yyi，’cubic’)；命令得到插值結(jié)果，該命令中，X，Y，Z為原始三維熒光光譜網(wǎng)格數(shù)據(jù)，xxi、yyi為所需插值點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)值，’cubic’表示插值類(lèi)型，插值結(jié)果I即為插值點(diǎn)(xxi，yyi)處的熒光強(qiáng)度值。
⑤按上述步驟②、③、④再選擇一條折線掃描路徑并讀取此路徑，同時(shí)得到此掃描路徑對(duì)應(yīng)的可變角同步熒光光譜圖。
⑥比較④、⑤中得到的兩條可變角同步熒光光譜圖，并從中選擇能更好的反映熒光光譜信息的一條，看是否滿足分析的需要，即是否是最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖。如果④、⑤中得到的兩條可變角同步熒光光譜圖均不能滿足需要，可重復(fù)進(jìn)行步驟⑤，繼續(xù)選擇下一條折線掃描路徑并得到此掃描路徑對(duì)應(yīng)的可變角同步熒光光譜圖，看是否滿足需要，直到得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖為止，這條熒光光譜對(duì)應(yīng)的掃描路徑即為最優(yōu)掃描路徑，詳細(xì)的程序流程如圖1所示。
圖2中為已選擇的三條不同折線掃描路徑，圖3為圖2中各掃描路徑下的可變角同步熒光光譜圖。對(duì)圖3中的可變角同步熒光光譜圖比較可以看出，較粗的一條為最優(yōu)可變角同步熒光光譜，與它對(duì)應(yīng)的圖2中較粗的折線掃描路徑即為最優(yōu)掃描路徑。
在圖4b中，以有代表性復(fù)雜的多組份石油樣品為例，分別運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和本發(fā)明兩種方法得到的圖4a所示掃描路徑下的可變角同步熒光光譜圖。從圖中可以看出，在誤差范圍內(nèi)兩種方法得到的可變角同步熒光光譜圖基本一致，經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試，都得出了相同的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用三維熒光光譜數(shù)據(jù)，由本發(fā)明的方法獲得的可變角同步熒光光譜的可靠性。
圖5是借助通用的數(shù)學(xué)處理軟件Matlab按本發(fā)明進(jìn)行編程得到的程序主界面及其上的四幅光譜圖。分析人員利用此程序即可在同一界面中同時(shí)顯示出三維熒光光譜圖、三維等高線光譜圖和三維熒光光譜的等高線投影圖。這樣就可以直觀的在等高線投影圖按照分析的要求選擇最優(yōu)折線掃描路徑，并得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖。另外，還可以運(yùn)用其他編程語(yǔ)言(如Vc)來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中各步驟。
由本發(fā)明編寫(xiě)的程序即可得到需要的最優(yōu)可變角同步熒光光譜，并同時(shí)確定出最優(yōu)掃描路徑，為實(shí)驗(yàn)上最有效地通過(guò)熒光光譜對(duì)同類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析提供了方便和可靠依據(jù)，也大大節(jié)省了以往必須通過(guò)做大量的實(shí)驗(yàn)獲取該光譜圖及其最優(yōu)掃描路徑所需要的耗費(fèi)，顯然對(duì)特定物質(zhì)的可變角同步熒光光譜儀的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
權(quán)利要求
1 一種獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，其特征在于它是利用實(shí)驗(yàn)上已獲得的三維熒光光譜數(shù)據(jù)繪制出三維熒光光譜的等高線投影圖，然后在等高線光譜投影圖中選擇折線掃描路徑并讀取此掃描路徑，通過(guò)插值方法，對(duì)所選折線掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值得到這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度值，進(jìn)而繪制出所選折線掃描路徑對(duì)應(yīng)的一條可變角同步熒光光譜圖，再通過(guò)反復(fù)選擇折線掃描路徑并相應(yīng)的繪制出多條可變角同步熒光光譜圖，比較所得到的各熒光光譜圖，即可得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖，并把這條熒光光譜相對(duì)應(yīng)的掃描路徑確定為該物質(zhì)的滿足分析需要的最優(yōu)掃描路徑。
2 如權(quán)利要求1所述的獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，其特征在于上述插值方法是運(yùn)用二維三次卷積插值算法對(duì)三維熒光光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行局部插值得到插值函數(shù)，并以此來(lái)獲取所選掃描路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值。
3 如權(quán)利要求1所述的獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，其特征是上述在讀取三維熒光光譜數(shù)據(jù)之后，在繪制三維熒光光譜等高線投影圖的同時(shí)在界面上繪制出三維熒光光譜圖和三維等高線光譜圖。
全文摘要
一種獲取最優(yōu)可變角同步熒光光譜的方法，首先利用實(shí)驗(yàn)上已獲得的三維熒光光譜數(shù)據(jù)繪制出三維熒光光譜的等高線投影圖，然后在等高線光譜投影圖中選擇掃描路徑，通過(guò)二維三次卷積插值方法，對(duì)所選路徑中各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值得到它們對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度值，進(jìn)而繪制出所選路徑對(duì)應(yīng)的一條可變角同步熒光光譜圖，最后通過(guò)反復(fù)選擇掃描路徑并相應(yīng)的繪制出多條可變角同步熒光光譜圖，再對(duì)它們加以比較，即可得到最優(yōu)的可變角同步熒光光譜圖及其最優(yōu)掃描路徑。依此編寫(xiě)程序即可得到需要的最優(yōu)光譜和最優(yōu)掃描路徑，為實(shí)驗(yàn)上最有效地通過(guò)熒光光譜對(duì)同類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析提供了方便和可靠依據(jù)，也為可變角同步熒光光譜儀的設(shè)計(jì)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01N21/63GK1645109SQ20051000500
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者鄭榮兒, 王春艷, 李文東, 高居偉 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)