一种LIBS成分分析中元素谱线的自动识别方法

摘要

一种LIBS成分分析中元素谱线的自动识别方法，属于材料成分分析技术领域。从元素谱线自动识别阶段的内在特点出发，抛开难以制定规则的问题，以已知的原子光谱数据库为波长参考标准，以光谱数据波长和强度的测量范围和精度为限制条件，定义元素谱线识别限制参数，制定识别规则，建立识别算法，从实测光谱数据中识别出各元素光谱数据，为后续的元素成分分析提供尽可能完备的数据基础。以NIST原子光谱数据库为波长参考标准，在7分钟内中实现了单块低合金钢标样N-LA17GBW01211中14个元素的共5310条LIBS谱线的自动识别，得到了符合规则要求的元素谱线。优点在于，识别适应性强、速度快、结果准确完备。

主权项

一种LIBS成分分析中元素谱线的自动识别方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：(1)定义限制参数a、谱线波长匹配阈值D₁D₁为待匹配实测谱线波长与前一个实测谱线波长的间隔的一半；b、谱线波长匹配阈值D₂D₂为待匹配实测谱线波长与后一个实测谱线波长的间隔的一半；D₁和D₂能不遗漏地和少冗余地覆盖和带匹配实测谱线临近的理论谱线；c、光谱强度下限值ILL：光谱强度下限值ILL不小于零；d、光谱强度上限值IUL：光谱强度上限值IUL不大于光谱仪强度测量上限；(2)制定识别规则a)‑D₁<＝λ_{元素i，理论谱线j}‑λ_{实测谱线k}<＝D₂，其中λ_{元素i，理论谱线j}为元素i的第j条理论谱线的波长，λ_{实测谱线k}为第k条实测谱线的波长；所述的理论谱线即是已知的原子光谱数据库的谱线；D₁＝(λ_{实测谱线k}‑λ_{实测谱线k‑1})/2,D₂＝(λ_{实测谱线k+1}‑λ_{实测谱线k})/2，这里实测谱线波长序列{λ_{实测谱线k},k＝1,2…r}是按从小到大排列的；该规则用于划分实测谱线k为元素i的谱线，这时实测谱线k的波长λ_{实测谱线k}就是元素i的实测谱线波长，记为λ_{元素i,实测谱线k}；b)min{|λ_{元素i，实测谱线k}‑λ_{元素i，理论谱线j}|，j＝1,2…m}，其中λ_{元素i，实测谱线k}是元素i的第k条实测谱线波长，{λ_{元素i，理论谱线j}，j＝1,2…m}是元素i的与λ_{元素i，实测谱线k}对应的m条理论谱线波长的集合；该规则用于在λ_{元素i，实测谱线k}对应的所有理论谱线波长中，只选择离此实测谱线波长最近的理论谱线波长；c)min{|λ_{元素i，理论谱线j}‑λ_{元素i，实测谱线k}|，k＝1,2…n}，其中λ_{元素i，理论谱线j}是元素i的第j条理论谱线波长，{λ_{元素i，实测谱线k}，k＝1,2…n}是元素i的与λ_{元素i，理论谱线j}对应的n条实测谱线波长的集合；该规则用于在λ_{元素i，理论谱线j}对应的所有实测谱线波长中，只选择离此理论谱线波长最近的实测谱线波长；d)min{|λ_{元素i，实测谱线j}‑λ_{元素i，理论谱线j}|，i＝1,2…p}，这里p条λ_{元素i，实测谱线j}相等，其中{λ_{元素i，理论谱线j}，i＝1,2…p}是p个元素的理论波长，这些理论波长对应的实测谱线波长λ_{元素i，实测谱线j}都相等；该规则用于在同一实测谱线属于不同元素的情形下，选择和此实测谱线波长最接近的理论谱线波长所对应的元素为该实测谱线所属的元素；e)ILL≤I_{元素i,实测谱线j}≤IUL，其中，I_{元素i,实测谱线j}是元素i的实测谱线j的强度；该规则用于剔除受到仪器、外部环境或光谱信号自身的影响而导致的谱线光谱强度过大或过小的谱线；(3)建立识别算法(a)按指定波长范围读取理论波长数据并存储从各个元素对应的理论波长数据文件TheoWavLen1_元素名中读取波长在指定的光谱波长范围[SL，SH]内的数据，并按从小到大顺序存储在各元素的理论谱线波长数组TheoWavLen2_元素名中；这里SL和SH分别为指定的光谱波长下限值和上限值；(b)按指定波长范围读取样本的实测光谱数据并在平均后存储按[SL,SH]波长范围从样本实测光谱数据文件PracSpectraData中读取波长和多次测量的光谱强度数据，计算各波长处光谱强度的平均值，将波长和平均强度存储在二维数组PracAvgSpectraData中，数组的第一列为波长，第二列为平均强度；(c)对每个元素i，按规则a)划分出属于此元素的实测谱线和相应的理论谱线；对于每个给定的元素i，按‑D₁<＝λ_{元素i，理论谱线j}‑λ_{实测谱线k}<＝D₂匹配规则，得到每个元素的实测谱线波长及相应的平均强度；(d)对每一元素i，按规则b)，在每条实测谱线对应的所有理论谱线波长中，只保留与实测谱线最接近的理论谱线波长并存储；对每条实测谱线，求它和与它对应的每条理论谱线的波长差，取波长差最小的理论谱线作为对应于实测谱线波长的元素波长；将得到的元素实测谱线波长数据、其对应的光谱强度数据和理论谱线波长数据，分别存储到对应的二维数组InstrMatTheoWaveLen1(i,j)、InstrMatstrength1(i,j)、InstrMatPracWaveLen1(i,j)；(e)对每一元素i,按规则e)去除强度过小或过大的谱线并存储；对于元素谱线的光谱强度，按照ILL≤I_{元素i,实测谱线j}≤IUL规则，去除光谱强度值过低的谱线以减小背景光谱影响，增大信噪比；去除光谱强度值过高的谱线，以去除光谱强度饱和的谱线；存储元素i对应的理论谱线波长、实测谱线波长和实测谱线强度到对应的二维数组InstrMatTheoWaveLen2(i,j)、InstrMatstrength2(i,j)、InstrMatPracWaveLen2(i,j)；(f)对每一元素i，按规则c)，在每条理论谱线对应的所有实测谱线波长中，只保留与理论谱线最接近的实测谱线波长并存储；对每条理论谱线，求它和与它对应的每条实测谱线的波长差，取波长差最小的实测谱线和该理论谱线对应；将得到的元素实测谱线波长、其对应的光谱强度和理论谱线波长，分别存储到对应的二维数组InstrMatTheoWaveLen3(i,j)、InstrMatstrength3(i,j)、InstrMatPracWaveLen3(i,j)；(g)按照规则d)，在同一实测谱线属于不同元素的情形下，选择和此实测谱线波长最接近的理论谱线波长所对应的元素为该实测谱线所属的元素并存储；存储各元素的理论谱线波长、实际谱线波长、实际谱线强度到二维数组InstrMatTheoWaveLen4(i,j)、InstrMatPracWaveLen4(i,j)、InstrMatstrength4(i,j)。