本發(fā)明涉及一種激光光譜探測方法,尤其涉及一種遠程定量激光誘導擊穿光譜分析方法,適用于遠程探測目標元素組成定量化分析,屬于光電探測領域。
背景技術:
激光誘導擊穿光譜(Laser-inducedbreakdownspectroscopy,簡稱LIBS)是一種對物質組成元素進行探測的激光光譜技術。LIBS技術可以很好地對探測目標元素進行定性檢測,但定量化LIBS檢測是一個公認的技術難題。在定量化LIBS中存在著多因素,包括:燒蝕孔效應、化學基質效應等,影響定量檢測的精度。定量化LIBS分析常用定標的方法,第一類,是單變量分析定標方法,該方法對待測的某一種元素進行定標,得到定標曲線,根據(jù)定標曲線及待測目標的該元素譜線強度計算元素的含量。另一類是多變量分析定標方法,該方法同時對待測目標的多種元素的多條譜線進行多定標樣品的定標,通過求解多變量數(shù)學矩陣方程式,得到回歸矩陣。根據(jù)該回歸矩陣及待測目標的光譜分布,同時得到待測目標的多種元素的含量。以上的基于定標的定量化LIBS分析方法存在一個共性的問題,即需要制備大量的定標樣品進行定標實驗建立定標數(shù)據(jù)庫,且需要對待測物有一定的先驗知識,制備與待測物具有相似化學組成的樣品進行定標才能保證一定的分析精度。在一些特定的需要遠程無人LIBS探測場合,例如深空探測中的外星球物質成份分析、戰(zhàn)場化學殘留檢測等,由于先驗知識的缺乏,樣品的制備及數(shù)據(jù)庫的建立非常困難,因此基于定標的定量化LIBS分析遇到問題。免定標的LIBS定量分析方法(Calibration-FreeLIBStechnique,簡稱CF-LIBS)可適用上述場合,但傳統(tǒng)的CF-LIBS在計算的時候不考慮LIBS發(fā)射與接收光學系統(tǒng)的幾何關系及光譜探測器的波長響應,定量分析的精度不高。因此,急需提供一種免定標且具有較高精度的LIBS定量分析方法,適用于遠程LIBS探測的需求。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種免定標且具有較高精度的遠程LIBS定量化分析方法,該方法首先測定反映LIBS光譜探測器數(shù)字電壓輸出與目標受激光誘導等離子體發(fā)射系數(shù)關系的光譜基準函數(shù),然后建立LIBS發(fā)射與接收光學系統(tǒng)的幾何關系模型,并將兩者融入到CF-LIBS的定量計算當中,以實現(xiàn)定量化LIBS檢測。本發(fā)明提出的遠程LIBS定量化分析方法所用探測系統(tǒng)主要包括望遠鏡組件、LIBS光譜儀及脈沖激光器組件。LIBS光譜儀中的探測器采用CCD(Chargecoupleddevice,即電荷耦合器件,簡稱CCD)陣列探測器。設遠程LIBS探測距離為R,望遠鏡入瞳直徑為D,接收立體角為Ω,本專利是按以下步驟來實現(xiàn)的:1.光譜基準函數(shù)測定將已知輻射光譜強度分布Es(λ)的標準光源安放至探測距離R處,此時脈沖激光器組件處于關閉狀態(tài),LIBS光譜儀處于開啟狀態(tài)。遠程LIBS探測系統(tǒng)通過望遠鏡組件收集標準光源的輻射信號,并傳送至LIBS光譜儀進行光電轉換及后續(xù)處理。設CCD陣列探測器曝光時間(即探測積分時間)為Δt,則其輸出電壓Us(λ)可表示為Us(λ)=δF(λ)S(λ)Es(λ)ΔλΔtΩ(1)式中,λ為波長;δ為系統(tǒng)的比例系數(shù);F(λ)為光譜傳輸效率;S(λ)為CCD陣列探測器的光譜響應度;Δλ為光譜波長劃分寬度。將(1)式進行變形可得式中,β(λ)為反映遠程LIBS系統(tǒng)光譜特性的光譜基準函數(shù)。由Es(λ)及CCD陣列探測器的輸出電壓Us(λ)計算得到β(λ)。2.遠程LIBS探測遠程LIBS探測系統(tǒng)對位于探測距離R處的目標進行物質成份探測。此時LIBS光譜儀處于開啟狀態(tài),啟動脈沖激光器組件使其發(fā)出強脈沖激光,經(jīng)望遠鏡組件聚焦于目標上,聚焦點的瞬間高溫使該處的物質氣化產(chǎn)生等離子體態(tài),并向外輻射LIBS信號。遠程LIBS探測系統(tǒng)通過望遠鏡組件收集目標的LIBS信號,并傳送至LIBS光譜儀進行光電轉換及后續(xù)處理。探測參數(shù)與步驟1相同,測得CCD陣列探測器輸出電壓為U(λ),即式中,E(λ)為目標受激光激發(fā)后形成的等離子體輻射的發(fā)射系數(shù)。3.免定標遠程LIBS定量化分析位于探測距離R處的目標,由激光激發(fā)后聚集點處產(chǎn)生等離子體態(tài),該等離子體可認為處于局域熱平衡態(tài),此時,原子按能量的分布規(guī)律遵循麥克斯韋-玻爾茲曼分布。在該狀態(tài)(溫度T)下,等離子體的譜線輻射可用發(fā)射系數(shù)E(λ)來衡量,其含義為單位時間單位體積單位立體角內(nèi)輻射的能量,可用下式表示式中,h為普朗克常數(shù),c為真空中的光速,n2是處于激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)密度,而A21是自發(fā)輻射的愛因斯坦系數(shù),這個系數(shù)對于任意兩個特定的能級是定值。處在激發(fā)態(tài)i上的原子數(shù)可表示為式中,n是包括處于激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子的總數(shù)密度;k是玻爾茲曼常數(shù);T是溫度;Ei是激發(fā)態(tài)i的能量;gi是激發(fā)態(tài)i的簡并度;Z(T)是系統(tǒng)的配分函數(shù)。將公式(5)代入公...