專利名稱：一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析方法領(lǐng)域，具體為一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)是當(dāng)前探測(cè)物質(zhì)成分信息的一項(xiàng)新技術(shù)，它是利用激光激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生激光等離子體，再利用適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)系統(tǒng)得到等離子體中含有物質(zhì)成分信息的光譜信號(hào)，采取一定的數(shù)據(jù)處理方法提取物質(zhì)成分信息并進(jìn)行定量濃度反演。目前如何在錯(cuò)綜復(fù)雜、種類(lèi)繁多的光譜數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確、自動(dòng)識(shí)別出所含成分，然后進(jìn)行不同元素譜線的提取，這是LIBS技術(shù)應(yīng)用的首要問(wèn)題，也是定量分析的前提。在LIBS譜線識(shí)別過(guò)程中，目前眾多研究人員均是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)對(duì)譜線直接進(jìn)行歸屬，如利用NIST標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)繪制模擬圖，利用人眼觀察對(duì)比相似性，并沒(méi)有給出一個(gè)相似性程度指標(biāo)，對(duì)于元素譜線歸屬識(shí)別的問(wèn)題主要有:(I)人們往往通過(guò)某一條特征譜線的存在與否來(lái)判斷元素的有無(wú)，而缺少全局或某個(gè)光譜范圍內(nèi)的考慮，而且LIBS等離子體存在自吸收現(xiàn)象，某些元素(尤其是痕量元素)的光譜會(huì)因?yàn)樽晕招?yīng)而消失，難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)；(2)在實(shí)際分析中，某種元素的各條譜線的強(qiáng)度比例關(guān)系不一定與NIST數(shù)據(jù)庫(kù)中的比例關(guān)系相一致，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)因此而混淆，導(dǎo)致誤判，且依賴于人的視覺(jué)必然造成時(shí)間上的浪費(fèi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)識(shí)別；(3)目前基于LIBS技術(shù)開(kāi)發(fā)的光譜測(cè)量?jī)x器雖然具有譜線識(shí)別的功能，但主要是以“就近原則”對(duì)譜線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，錯(cuò)誤率非常高，難以有效應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法，其特征在于:選取所要分析的通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的整段光譜中的一段作為分析窗口，根據(jù)NIST標(biāo)準(zhǔn)原子譜線庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)分析窗口中峰強(qiáng)按由強(qiáng)到弱的順序進(jìn)行識(shí)別，即通過(guò)查詢NIST庫(kù)，首先找出分析窗口內(nèi)測(cè)量光譜最強(qiáng)鋒可能歸屬的所有元素，并根據(jù)原子發(fā)射譜線特征模擬出所有這些元素在該分析窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)光譜及其疊加譜，并分別與分析窗口內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過(guò)程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時(shí)大于相關(guān)閾值的元素為最終識(shí)別元素，其次將新識(shí)別的譜線與已識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行疊加，然后調(diào)整各譜線的比例系數(shù)使相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，再與相關(guān)閾值進(jìn)行比較識(shí)別；按設(shè)定步長(zhǎng)滑動(dòng)分析窗口，每一步都進(jìn)行上述光譜局部相關(guān)性分析，光譜的主要特征峰將被識(shí)別，通過(guò)多次縮小分析窗口，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜進(jìn)行多次滑動(dòng)來(lái)識(shí)別特征不太明顯的光譜峰，最終實(shí)現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識(shí)別。
本發(fā)明以元素發(fā)射譜線庫(kù)、光譜局部相關(guān)性分析和窗口可變滑動(dòng)相關(guān)分析方法相結(jié)合，提出了一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法。本發(fā)明無(wú)人為識(shí)別干擾因素，完全在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)譜線識(shí)別，速度快、準(zhǔn)確率高、自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)激光誘導(dǎo)擊穿光譜中元素譜線的快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)識(shí)別，適用于所有以激光誘導(dǎo)擊穿光譜為分析工具的應(yīng)用。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
(I)無(wú)需分析人員觀察識(shí)別，速度快。
(2)根據(jù)設(shè)定相似性程度指標(biāo)，結(jié)合不同元素光譜發(fā)射特性，實(shí)現(xiàn)不同元素譜線的歸屬分析，準(zhǔn)確率高。
(3)整個(gè)識(shí)別過(guò)程由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成，自動(dòng)化程度高。
(4)適用于所有以激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)為分析手段的光譜數(shù)據(jù)處理。
具體實(shí)施方式
一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法，選取所要分析的通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的整段光譜中的一段作為分析窗口，根據(jù)NIST標(biāo)準(zhǔn)原子譜線庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)分析窗口中峰強(qiáng)按由強(qiáng)到弱的順序進(jìn)行識(shí)別，即通過(guò)查詢NIST庫(kù)，首先找出分析窗口內(nèi)測(cè)量光譜最強(qiáng)鋒可能歸屬的所有元素，并根據(jù)原子發(fā)射譜線特征模擬出所有這些元素在該分析窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)光譜及其疊加譜，并分別與分析窗口內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過(guò)程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時(shí)大于相關(guān)閾值的元素為最終識(shí)別元素，其次將新識(shí)別的譜線與已識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行疊加，然后調(diào)整各譜線的比例系數(shù)使相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，再與相關(guān)閾值進(jìn)行比較識(shí)別；按設(shè)定步長(zhǎng)滑動(dòng)分析窗口，每一步都進(jìn)行上述光譜局部相關(guān)性分析，光譜的主要特征峰將被識(shí)別，通過(guò)多次縮小分析窗口，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜進(jìn)行多次滑動(dòng)來(lái)識(shí)別特征不太明顯的光譜峰，最終實(shí)現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識(shí)別。
本發(fā)明識(shí)別過(guò)程如下:
(I)元素發(fā)射譜線模擬:
不同元素的光譜數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)原子發(fā)射譜線庫(kù)，包括波長(zhǎng)、譜線強(qiáng)度、電子組態(tài)、電離能等信息。針對(duì)不同元素，可以對(duì)設(shè)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜進(jìn)行模擬，利用插值的方法模擬不同元素的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)，并繪制發(fā)射光譜圖。發(fā)射譜線展寬模型可以設(shè)為Gauss線型、Lorentz線型或Voigt線型函數(shù)，并可以調(diào)整模擬光譜的展寬。
以Lorentz線型函數(shù)為例，模擬不同元素的發(fā)射光譜。Lorentz函數(shù)可用下式表述:
權(quán)利要求
1.一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法，其特征在于:選取所要分析的通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的整段光譜中的一段作為分析窗口，根據(jù)NIST標(biāo)準(zhǔn)原子譜線庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)分析窗口中峰強(qiáng)按由強(qiáng)到弱的順序進(jìn)行識(shí)別，即通過(guò)查詢NIST庫(kù)，首先找出分析窗口內(nèi)測(cè)量光譜最強(qiáng)鋒可能歸屬的所有元素，并根據(jù)原子發(fā)射譜線特征模擬出所有這些元素在該分析窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)光譜及其疊加譜，并分別與分析窗口內(nèi)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量譜進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過(guò)程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時(shí)大于相關(guān)閾值的元素為最終識(shí)別元素，其次將新識(shí)別的譜線與已識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行疊加，然后調(diào)整各譜線的比例系數(shù)使相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大，再與相關(guān)閾值進(jìn)行比較識(shí)別；按設(shè)定步長(zhǎng)滑動(dòng)分析窗口，每一步都進(jìn)行上述光譜局部相關(guān)性分析，光譜的主要特征峰將被識(shí)別，通過(guò)多次縮小分析窗口 ，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量光譜進(jìn)行多次滑動(dòng)來(lái)識(shí)別特征不太明顯的光譜峰，最終實(shí)現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識(shí)別。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識(shí)別方法。通過(guò)選定待識(shí)別光譜段范圍的大小作為分析窗口的大小，對(duì)窗口內(nèi)待識(shí)別局部光譜與不同元素發(fā)射譜線標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)相結(jié)合，由局部相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)對(duì)分析窗口內(nèi)元素譜線的準(zhǔn)確識(shí)別，再通過(guò)設(shè)定分析窗口的移動(dòng)步長(zhǎng)，完成對(duì)測(cè)量光譜的全譜掃描分析，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量光譜中不同元素譜線的歸屬識(shí)別。具有識(shí)別速度快、準(zhǔn)確率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，無(wú)人為識(shí)別干擾因素，完全在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，有效地解決了目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)處理時(shí)元素譜線歸屬識(shí)別的速度、準(zhǔn)確率以及譜線識(shí)別的自動(dòng)化程度問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N21/63GK103217404SQ20131010890
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月30日
發(fā)明者趙南京, 劉立拓, 劉建國(guó), 劉文清, 馬明俊, 王春龍, 王寅, 余洋, 孟德碩, 胡麗, 張大海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所