专利名称：一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法
技术领域：
本发明涉及光谱分析方法领域，具体为一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法。
背景技术：
激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是当前探测物质成分信息的一项新技术，它是利用激光激发物质产生激光等离子体，再利用适当的探测系统得到等离子体中含有物质成分信息的光谱信号，采取一定的数据处理方法提取物质成分信息并进行定量浓度反演。目前如何在错综复杂、种类繁多的光谱数据中准确、自动识别出所含成分，然后进行不同元素谱线的提取，这是LIBS技术应用的首要问题，也是定量分析的前提。在LIBS谱线识别过程中，目前众多研究人员均是通过经验对谱线直接进行归属，如利用NIST标准光谱数据库绘制模拟图，利用人眼观察对比相似性，并没有给出一个相似性程度指标，对于元素谱线归属识别的问题主要有:(I)人们往往通过某一条特征谱线的存在与否来判断元素的有无，而缺少全局或某个光谱范围内的考虑，而且LIBS等离子体存在自吸收现象，某些元素(尤其是痕量元素)的光谱会因为自吸收效应而消失，难以准确实现；(2)在实际分析中，某种元素的各条谱线的强度比例关系不一定与NIST数据库中的比例关系相一致，实验人员会因此而混淆，导致误判，且依赖于人的视觉必然造成时间上的浪费，无法实现快速、自动识别；(3)目前基于LIBS技术开发的光谱测量仪器虽然具有谱线识别的功能，但主要是以“就近原则”对谱线进行标识，错误率非常高，难以有效应用。

发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法。本发明所采用的技术方案为:一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法，其特征在于:选取所要分析的通过实验测量得到的整段光谱中的一段作为分析窗口，根据NIST标准原子谱线库数据，对分析窗口中峰强按由强到弱的顺序进行识别，即通过查询NIST库，首先找出分析窗口内测量光谱最强锋可能归属的所有元素，并根据原子发射谱线特征模拟出所有这些元素在该分析窗口内的标准光谱及其叠加谱，并分别与分析窗口内的实验测量谱进行相关性计算，称为光谱局部相关性分析，在光谱局部相关性分析过程中，首先设定相关阈值，相关性最大且同时大于相关阈值的元素为最终识别元素，其次将新识别的谱线与已识别的结果进行叠加，然后调整各谱线的比例系数使相关系数达到最大，再与相关阈值进行比较识别；按设定步长滑动分析窗口，每一步都进行上述光谱局部相关性分析，光谱的主要特征峰将被识别，通过多次缩小分析窗口，对实验测量光谱进行多次滑动来识别特征不太明显的光谱峰，最终实现整段分析光谱数据的光谱识别。
本发明以元素发射谱线库、光谱局部相关性分析和窗口可变滑动相关分析方法相结合，提出了一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法。本发明无人为识别干扰因素，完全在计算机系统上实现谱线识别，速度快、准确率高、自动化程度高，能够实现激光诱导击穿光谱中元素谱线的快速、准确、自动识别，适用于所有以激光诱导击穿光谱为分析工具的应用。
本发明的优点为:
(I)无需分析人员观察识别，速度快。
(2)根据设定相似性程度指标，结合不同元素光谱发射特性，实现不同元素谱线的归属分析，准确率高。
(3)整个识别过程由计算机系统自动完成，自动化程度高。
(4)适用于所有以激光诱导击穿光谱技术为分析手段的光谱数据处理。
具体实施方式
一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法，选取所要分析的通过实验测量得到的整段光谱中的一段作为分析窗口，根据NIST标准原子谱线库数据，对分析窗口中峰强按由强到弱的顺序进行识别，即通过查询NIST库，首先找出分析窗口内测量光谱最强锋可能归属的所有元素，并根据原子发射谱线特征模拟出所有这些元素在该分析窗口内的标准光谱及其叠加谱，并分别与分析窗口内的实验测量谱进行相关性计算，称为光谱局部相关性分析，在光谱局部相关性分析过程中，首先设定相关阈值，相关性最大且同时大于相关阈值的元素为最终识别元素，其次将新识别的谱线与已识别的结果进行叠加，然后调整各谱线的比例系数使相关系数达到最大，再与相关阈值进行比较识别；按设定步长滑动分析窗口，每一步都进行上述光谱局部相关性分析，光谱的主要特征峰将被识别，通过多次缩小分析窗口，对实验测量光谱进行多次滑动来识别特征不太明显的光谱峰，最终实现整段分析光谱数据的光谱识别。
本发明识别过程如下:
(I)元素发射谱线模拟:
不同元素的光谱数据来源于美国国家标准与技术研究院(NIST)原子发射谱线库，包括波长、谱线强度、电子组态、电离能等信息。针对不同元素，可以对设定波长范围内的发射光谱进行模拟，利用插值的方法模拟不同元素的发射光谱数据，并绘制发射光谱图。发射谱线展宽模型可以设为Gauss线型、Lorentz线型或Voigt线型函数，并可以调整模拟光谱的展宽。
以Lorentz线型函数为例，模拟不同元素的发射光谱。Lorentz函数可用下式表述:
权利要求
1.一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法，其特征在于:选取所要分析的通过实验测量得到的整段光谱中的一段作为分析窗口，根据NIST标准原子谱线库数据，对分析窗口中峰强按由强到弱的顺序进行识别，即通过查询NIST库，首先找出分析窗口内测量光谱最强锋可能归属的所有元素，并根据原子发射谱线特征模拟出所有这些元素在该分析窗口内的标准光谱及其叠加谱，并分别与分析窗口内的实验测量谱进行相关性计算，称为光谱局部相关性分析，在光谱局部相关性分析过程中，首先设定相关阈值，相关性最大且同时大于相关阈值的元素为最终识别元素，其次将新识别的谱线与已识别的结果进行叠加，然后调整各谱线的比例系数使相关系数达到最大，再与相关阈值进行比较识别；按设定步长滑动分析窗口，每一步都进行上述光谱局部相关性分析，光谱的主要特征峰将被识别，通过多次缩小分析窗口 ，对实验测量光谱进行多次滑动来识别特征不太明显的光谱峰，最终实现整段分析光谱数据的光谱识别。
全文摘要
本发明公开了一种激光诱导击穿光谱元素谱线归属识别方法。通过选定待识别光谱段范围的大小作为分析窗口的大小，对窗口内待识别局部光谱与不同元素发射谱线标准库相结合，由局部相关性分析实现对分析窗口内元素谱线的准确识别，再通过设定分析窗口的移动步长，完成对测量光谱的全谱扫描分析，由此实现对测量光谱中不同元素谱线的归属识别。具有识别速度快、准确率高、自动化程度高等特点，无人为识别干扰因素，完全在计算机系统上实现，有效地解决了目前激光诱导击穿光谱数据处理时元素谱线归属识别的速度、准确率以及谱线识别的自动化程度问题。
文档编号G01N21/63GK103217404SQ20131010890
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月30日 优先权日2013年3月30日
发明者赵南京, 刘立拓, 刘建国, 刘文清, 马明俊, 王春龙, 王寅, 余洋, 孟德硕, 胡丽, 张大海 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所