專利名稱：一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識別方法
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)前探測物質(zhì)成分信息的一項新技術(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系統(tǒng)得到等離子體中含有物質(zhì)成分信息的光譜信號，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。目前如何在錯綜復(fù)雜、種類繁多的光譜數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確、自動識別出所含成分，然后進(jìn)行不同元素譜線的提取，這是LIBS技術(shù)應(yīng)用的首要問題，也是定量分析的前提。在LIBS譜線識別過程中，目前眾多研究人員均是通過經(jīng)驗對譜線直接進(jìn)行歸屬，如利用NIST標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)庫繪制模擬圖，利用人眼觀察對比相似性，并沒有給出一個相似性程度指標(biāo)，對于元素譜線歸屬識別的問題主要有:(I)人們往往通過某一條特征譜線的存在與否來判斷元素的有無，而缺少全局或某個光譜范圍內(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)的光譜會因為自吸收效應(yīng)而消失，難以準(zhǔn)確實現(xiàn)；(2)在實際分析中，某種元素的各條譜線的強度比例關(guān)系不一定與NIST數(shù)據(jù)庫中的比例關(guān)系相一致，實驗人員會因此而混淆，導(dǎo)致誤判，且依賴于人的視覺必然造成時間上的浪費，無法實現(xiàn)快速、自動識別；(3)目前基于LIBS技術(shù)開發(fā)的光譜測量儀器雖然具有譜線識別的功能，但主要是以“就近原則”對譜線進(jìn)行標(biāo)識，錯誤率非常高，難以有效應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，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別方法，其特征在于:選取所要分析的通過實驗測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)原子譜線庫數(shù)據(jù)，對分析窗口中峰強按由強到弱的順序進(jìn)行識別，即通過查詢NIST庫，首先找出分析窗口內(nèi)測量光譜最強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)的實驗測量譜進(jìn)行相關(guān)性計算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時大于相關(guān)閾值的元素為最終識別元素，其次將新識別的譜線與已識別的結(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)行比較識別；按設(shè)定步長滑動分析窗口，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別，通過多次縮小分析窗口，對實驗測量光譜進(jìn)行多次滑動來識別特征不太明顯的光譜峰，最終實現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識別。
本發(fā)明以元素發(fā)射譜線庫、光譜局部相關(guān)性分析和窗口可變滑動相關(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別方法。本發(fā)明無人為識別干擾因素，完全在計算機系統(tǒng)上實現(xiàn)譜線識別，速度快、準(zhǔn)確率高、自動化程度高，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、自動識別，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)點為:
(I)無需分析人員觀察識別，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，實現(xiàn)不同元素譜線的歸屬分析，準(zhǔn)確率高。
(3)整個識別過程由計算機系統(tǒng)自動完成，自動化程度高。
(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。
具體實施方式
一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識別方法，選取所要分析的通過實驗測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)原子譜線庫數(shù)據(jù)，對分析窗口中峰強按由強到弱的順序進(jìn)行識別，即通過查詢NIST庫，首先找出分析窗口內(nèi)測量光譜最強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)的實驗測量譜進(jìn)行相關(guān)性計算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時大于相關(guān)閾值的元素為最終識別元素，其次將新識別的譜線與已識別的結(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)行比較識別；按設(shè)定步長滑動分析窗口，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別，通過多次縮小分析窗口，對實驗測量光譜進(jìn)行多次滑動來識別特征不太明顯的光譜峰，最終實現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識別。
本發(fā)明識別過程如下:
(I)元素發(fā)射譜線模擬:
不同元素的光譜數(shù)據(jù)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)原子發(fā)射譜線庫，包括波長、譜線強度、電子組態(tài)、電離能等信息。針對不同元素，可以對設(shè)定波長范圍內(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別方法，其特征在于:選取所要分析的通過實驗測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)原子譜線庫數(shù)據(jù)，對分析窗口中峰強按由強到弱的順序進(jìn)行識別，即通過查詢NIST庫，首先找出分析窗口內(nèi)測量光譜最強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)的實驗測量譜進(jìn)行相關(guān)性計算，稱為光譜局部相關(guān)性分析，在光譜局部相關(guān)性分析過程中，首先設(shè)定相關(guān)閾值，相關(guān)性最大且同時大于相關(guān)閾值的元素為最終識別元素，其次將新識別的譜線與已識別的結(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)行比較識別；按設(shè)定步長滑動分析窗口，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別，通過多次縮小分析窗口 ，對實驗測量光譜進(jìn)行多次滑動來識別特征不太明顯的光譜峰，最終實現(xiàn)整段分析光譜數(shù)據(jù)的光譜識別。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光誘導(dǎo)擊穿光譜元素譜線歸屬識別方法。通過選定待識別光譜段范圍的大小作為分析窗口的大小，對窗口內(nèi)待識別局部光譜與不同元素發(fā)射譜線標(biāo)準(zhǔn)庫相結(jié)合，由局部相關(guān)性分析實現(xiàn)對分析窗口內(nèi)元素譜線的準(zhǔn)確識別，再通過設(shè)定分析窗口的移動步長，完成對測量光譜的全譜掃描分析，由此實現(xiàn)對測量光譜中不同元素譜線的歸屬識別。具有識別速度快、準(zhǔn)確率高、自動化程度高等特點，無人為識別干擾因素，完全在計算機系統(tǒng)上實現(xiàn)，有效地解決了目前激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)處理時元素譜線歸屬識別的速度、準(zhǔn)確率以及譜線識別的自動化程度問題。
文檔編號G01N21/63GK103217404SQ20131010890
公開日2013年7月24日 申請日期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, 劉文清, 馬明俊, 王春龍, 王寅, 余洋, 孟德碩, 胡麗, 張大海 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所