CN101281147A - 用于x荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，解决目前X荧光光谱仪存在的信号的堆积和基线偏移问题，方法是对通过前置放大器和主放大器，放大的电压脉冲信号，不用多道幅度分析器，而通过数字化的信噪比增强处理过程，解决信号的堆积和基线偏移的问题，得到准确的信号的幅度峰值。然后对所有测量信号的幅度峰值，进行分类统计，得到样品的X荧光能谱。

Description

用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法
技术领域
本发明涉及X荧光光谱仪测量信号处理技术，尤其是一种可以减小噪声引起的测量误差的X荧光光谱仪的信号处理方法。
背景技术
广义地说，信号就是随时间和空间变化的某种物理量或物理现象。通信就是从一方向另一方传送消息，给予信息。但传送消息必须借助于一定形式的信号(光信号、电信号等)才能传送和进行各种处理。因而，信号是消息的载体，是消息的表现形式，是通信的客观对象，而消息则是信号的内容。
在X荧光光谱仪中，信号的包括范围十分广泛，主要包括光信号与电信号，X荧光光谱仪正是通过对这些信号进行实时分析，从而对物质内部组成进行分析。
X荧光光谱仪工作原理的工作原理如下：
通常人们将X光管所产生的X射线称为初级X射线。以初级X射线为激发光源照射试样，激发态试样所释放的能量不为原子内部吸收而以辐射形式发出次级X射线，这便是X射线荧光。它正是我们分析的基础与对象。
X荧光从微观上来说过程如下：如图1和图2所示，当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为10-12-10-14s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。辐射跃迁中的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。
例如：K层电子被逐出后，其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫K射线，由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线……。同样，L层电子被逐出可以产生L系辐射。
如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，
此时就有能量ΔE释放出来，且ΔE＝EK-EL，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是Kα射线，同样还可以产生Kβ射线，L系射线等。发现，
这种较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不以辐射形式放出，而是产生X射线荧光，并且其能量等于两能级之间的能量差的现象被认为是能量色散X荧光分析的基础。X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系的现象是被莫斯莱(H.G.Moseley)发现的，他总结的理论如下：
荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关，其数学关系如下：
λ＝＝K(Z  s)-2
这就是莫斯莱定律，式中K和S是常数。
而根据量子理论，X射线可以看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光具有的能量为：
E＝＝hv＝＝hC/λ
式中，E为X射线光子的能量，单位为keV；h为普朗克常数；v为光波的频率；C为光速。
因此，只要测出荧光X射线的波长或者能量，就可以知道元素的种类，这就是荧光X射线定性分析的基础。此外，荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系，据此，可以进行元素定量分析。
探测器的作用，是将X射线荧光光量子转变为一定形状和数量的电脉冲，表征X射线荧光的能量和强度。
利用X荧光进行样品检测的具体实现系统如图3所示。测试过程中出现的出现的基本谱形如图4所示(Mn的K线的谱图)
在信号的产生、传输和测量过程中，噪声会迭加于有用信号上，从而降低测量精确度。如能谱测量时，噪声使系统的能量分辨率下降。系统的噪声性能常用信号噪声比(简称信噪比，即有用信号与噪声的比值)来表示。信噪比越高，由噪声引起的测量误差越小。
噪声来源主要来自以下三个方面：
1、基线的不稳定。
2、信号的重叠。
因为半导体探测器的工作原理基本如下：半导体中的电子是被束缚在晶格上，当射线与晶格上原子碰撞时，使电子获得一定的能量进入导带成为自由电子，同时形成等量的空穴。这些电子-空穴对在外电场作用下分别向两极移动，形成电流。而这些有着特征能量的电流可以表征成为特征能量的电脉冲。通过对电脉冲的捕捉计数，特征能量的分析，即可判定物质中原子的成分构成。
但是在实际运作中，当两个电脉冲进入计数流程的时间间隔太短时，就会导致被判定为另一种特征能量为两种特征能量之和的脉冲，从而会导致系统将其认定为是另一种原子受到激发所致。这种信号的重叠现象也使得检测过程出现噪声。
3、康普顿散射。
X射线在物质中的散射现象，可分为四种形式：不变质散射(弹性散射)，变质散射(非弹性散射)，相干散射，不相干散射。康普顿散射属于一种变质散射。主要原理如下：当光子与核外电子相互作用时，由于外层电子的结合能很小，通常是几个电子伏特量级，远小于特征X射线能量，因而可以将这一过程简化为能量为hv/c的入射X射线光子与一个静止的自由电子(动量为0)相互作用的过程。当光子与自由电子产生弹性碰撞时，光子将一部分能量传递给电子，使之获得一定的能量，成为散射电子。而光子本身能量和方向都发生变化。康普顿效应使得电子跃迁产生的特征能量的光子并没有完全转化为有用信号。在这个过程中出现了噪声。
为了减少噪声对测量结果的影响，需要对信号进行数字化信噪增强处理，过程如下：
1、样品经X光源的激发，其所含元素产生的X荧光特征能量射线，这些单能入射X荧光射线，可认为是冲击信号。
2、这些信号，在半导体探测器中转化为电荷脉冲信号，通过前置放大器的放大，成为快前沿，缓后沿的毫伏级电压信号。
3、在这过程中，尽管采用了高性能，低噪声的探测器，前级场效应管和前置放大器，但也无法避免探测器和前放所引入的噪声的影响。为减少噪声的影响，前放的输出信号在主放大器中，除被放大为标准电压的信号外，还需经过按最佳滤波参数设计硬件滤波电路，进行模拟滤波，达到有效的噪声抑制。但这同时又使信号被展宽成一定的宽度，使信号的堆积和基线偏移情况更严重。目前存在的X荧光光谱仪，在X荧光光谱的测量过程中，通过主放大器放大的电压信号，将由多道幅度分析器得到X荧光射线的能量数值，从而测量到样品的X荧光能谱。但是信号的堆积和基线偏移，造成了所测量X荧光能谱的畸变，会对测量结果产生误差。
发明内容
本发明的目的是解决目前X荧光光谱仪存在的信号的堆积和基线偏移问题，方法是对通过前置放大器和主放大器，放大的电压脉冲信号，不用多道幅度分析器，而通过数字化的信噪比增强处理过程，解决信号的堆积和基线偏移的问题，得到准确的信号的幅度峰值。然后对所有测量信号的幅度峰值，进行分类统计，得到样品的X荧光能谱。
本发明是通过下述方法实现的：一种用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，包括如下步骤：
(1)、样品经X光源的激发，其所含元素产生的X荧光特征能量射线，这些单能入射X荧光射线，可认为是冲击信号；
(2)、将步骤A所得冲击信号，在半导体探测器中转化为电荷脉冲信号，通过前置放大器的放大，成为快前沿，缓后沿的毫伏级电压信号；
(3)、前置放大器的输出信号再通过主放大器放大为电压脉冲信号；
(4)、对主放大器的输出电压脉冲信号，直接进行高速AD转换(16BIT，100MHZ)，高速采样为数字信号波形。
(5)、使用标准信号的数字信号峰形数据X(j＝1，2，…，N)为拟合函数，对所采样的数字信号波形Y(i＝1，2，…)作离散方差变换，得到均方差S(i＝1，2，…)，对低于一定阈值的峰谷，其极小值处就是信号波形的峰位，而均方差超出阈值的峰谷，则是噪声造成的，或是波形严重畸变，都不作为信号作寻峰处理。
Si 2＝N-M∑j＝-M(Yj+i-Yi*Xj)2
(6)、计算所测量的信号波形峰位与前一个峰位的间距T，以信号波形峰宽度tW和信号波形前沿宽度tm，作重峰的堆积判弃，
A)T＞tW-tm，前后的信号波形无堆积，峰值无畸变；
B)tm＜T＜tW-tm，前后的信号波形有堆积，后一信号峰值畸变；
C)0＜T＜tm，前后的信号波形严重堆积，前后信号峰值皆畸变，前后的信号都被舍弃；
对A)无堆积的单峰，对公式Y＝h*X+b，使用最小二乘线性拟合，得到扣除基线值b的信号峰值h。
h＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-M Xj/N；XX＝N-M∑j＝-M Xj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M Yi+j/N；XY＝N-M∑j＝-M Xj*Yi+j/N；
对B)前后信号波形非严重堆积的重峰，则是在以单峰的公式Y＝h1*X+b1，使用最小二乘线性拟合，得到前一个信号扣除基线值b1的信号峰值h1的基础上，对公式Y-h1*X1-b1＝h2*X2+b2，使用最小二乘线性拟合，得到后一个信号扣除基线值b2的信号峰值h2。
h2＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-M Xj/N；XX＝N-M∑j＝-M Xj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M (Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
XY＝N-M∑j＝-M Xj*(Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
(7)、对以上进行信号的堆积判弃，和拟合计算扣除基线漂移影响的信号波形峰值，信号峰幅值按满量程/2048为道间距作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。
在步骤(7)中，如信号峰幅值满量程为5VDC，则道间距以2.44MV作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。
本发明的有益效果在于：
一、由于本发明对通过前置放大器和主放大器放大的电压脉冲信号，不用多道幅度分析器，而对电压脉冲信号直接使用高速AD转换(16BIT，100MHZ)，高速采样为数字信号波形。然后使用数学处理方法，解决以上问题。然后对所有测量信号的幅度峰值，进行分类统计，得到样品的X荧光能谱。采用上述方法后得到的样品的X荧光能谱精确度大大提高。
二、本发明对于信号的堆积问题的处理也非常巧妙。由于信号的重叠，使信号波形产生畸变，本发明使用标准的信号波形作为拟合函数，对所采样的信号数字时谱进行拟合计算，从信号波形的拟合均方差，判断信号波形畸变程度，也就是信号的堆积程度，对超过一定数值的信号，认为是严重堆积的信号，作出放弃处理。
三、本发明还包括了信号数字平滑和信号基线恢复的有效处理。对信号波形出现前的一段区间，进行数字平滑，并计算区间的平均值，如这平均值大于0，则表示信号的基线已漂移，从信号幅度峰值扣减这平均值，得到实际的信号幅度峰值，就相当于进行了信号基线的恢复。
附图说明
图1为本发明背景技术X荧光光谱仪的基本组成体系示意图。
图2和图3为本发明背景技术X荧光工作原理示意图。
图4为本发明背景技术Mn的K线的谱图。
图5为本发明的一个实施例即含数字化信噪增强处理方法的X荧光能谱测量流程图。
具体实施方式
如图5所示，一种用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，包括如下步骤：
(1)、样品经X光源的激发，其所含元素产生的X荧光特征能量射线，这些单能入射X荧光射线，可认为是冲击信号；
(2)、将步骤A所得冲击信号，在SI-PIN半导体探测器中转化为电荷脉冲信号，通过前置放大器的放大，成为快前沿，缓后沿的毫伏级电压信号；
(3)、前置放大器的输出信号再通过滤波成形主放大器放大为电压脉冲信号；
(4)、对主放大器的输出电压脉冲信号，直接进行高速AD转换(16BIT，100MHZ)，高速采样为数字信号波形。
(5)、使用标准信号的数字信号峰形数据X(j＝1，2，…，N)为拟合函数，对所采样的数字信号波形Y(i＝1，2，…)作离散方差变换，得到均方差S(i＝1，2，…)，对低于一定阈值的峰谷，其极小值处就是信号波形的峰位，而均方差超出阈值的峰谷，则是噪声造成的，或是波形严重畸变，都不作为信号作寻峰处理。
Si 2＝N-M∑j＝-M (Yj+i-Yi*Xj)2
(6)、计算所测量的信号波形峰位与前一个峰位的间距T，以信号波形峰宽度tW和信号波形前沿宽度tm，作重峰的堆积判弃，
A)T＞tW-tm，前后的信号波形无堆积，峰值无畸变；
B)tm＜T＜tW-tm，前后的信号波形有堆积，后一信号峰值畸变；
C)0＜T＜tm，前后的信号波形严重堆积，前后信号峰值皆畸变，前后的信号都被舍弃；
对A)无堆积的单峰，对公式Y＝h*X+b，使用最小二乘线性拟合，得到扣除基线值b的信号峰值h。
h＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-M Xj/N；XX＝N-M∑j＝-M Xj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M Yi+j/N；XY＝N-M∑j＝-M Xj*Yi+j/N；
对B)前后信号波形非严重堆积的重峰，则是在以单峰的公式Y＝h1*X+b1，使用最小二乘线性拟合，得到前一个信号扣除基线值b1的信号峰值h1的基础上，对公式Y-h1*X1-b1＝h2*X2+b2，使用最小二乘线性拟合，得到后一个信号扣除基线值b2的信号峰值h2。
h2＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-M Xj/N；XX＝N-M∑j＝-M Xj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M (Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
XY＝N-M∑j＝-M Xj*(Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
(7)、对以上进行信号的堆积判弃，和拟合计算扣除基线漂移影响的信号波形峰值，信号峰幅值按满量程/2048为道间距作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。
在步骤(7)中，如信号峰幅值满量程为5VDC，则道间距以2.44MV作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。

Claims (3)

1. 一种用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，包括如下步骤：
(1)、样品经X光源的激发，其所含元素产生的X荧光特征能量射线，这些单能入射X荧光射线，可认为是冲击信号；
(2)、将步骤A所得冲击信号，在半导体探测器中转化为电荷脉冲信号，通过前置放大器的放大，成为快前沿，缓后沿的毫伏级电压信号；
(3)、前置放大器的输出信号再通过主放大器放大为电压脉冲信号；
(4)、对主放大器的输出电压脉冲信号，直接进行高速AD转换(16BIT，100MHZ)，高速采样为数字信号波形。
(5)、使用标准信号的数字信号峰形数据X(j＝1，2，…，N)为拟合函数，对所采样的数字信号波形Y(i＝1，2，…)作离散方差变换，得到均方差S(i＝1，2，…)，对低于一定阈值的峰谷，其极小值处就是信号波形的峰位，而均方差超出阈值的峰谷，则是噪声造成的，或是波形严重畸变，都不作为信号作寻峰处理。
Si 2＝N-M∑j＝-M(Yj+i-Yi*Xj)2
(6)、计算所测量的信号波形峰位与前一个峰位的间距T，以信号波形峰宽度tW和信号波形前沿宽度tm，作重峰的堆积判弃，
A)T＞tW-tm，前后的信号波形无堆积，峰值无畸变；
B)tm＜T＜tW-tm，前后的信号波形有堆积，后一信号峰值畸变；
C)0＜T＜tm，前后的信号波形严重堆积，前后信号峰值皆畸变，前后的信号都被舍弃；
对A)无堆积的单峰，对公式Y＝h*X+b，使用最小二乘线性拟合，得到扣除基线值b的信号峰值h。
h＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-MXj/N；XX＝N-M∑j＝-MXj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M Yi+j/N；XY＝N-M∑j＝-M Xj*Yi+j/N；
对B)前后信号波形非严重堆积的重峰，则是在以单峰的公式Y＝h1*X+b1，使用最小二乘线性拟合，得到前一个信号扣除基线值b1的信号峰值h1的基础上，对公式Y-h1*X1-b1＝h2*X2+b2，使用最小二乘线性拟合，得到后一个信号扣除基线值b2的信号峰值h2。
h2＝Xn*(Xn*Yn+XY)/(Xn2-XX)
Xn＝N-M∑j＝-MXj/N；XX＝N-M∑j＝-MXj*Xj/N；
Yn＝N-M∑j＝-M(Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
XY＝N-M∑j＝-MXj*(Yi2+j-h1*Xi1+j-b1)/N；
(7)、对以上进行信号的堆积判弃，和拟合计算扣除基线漂移影响的信号波形峰值，信号峰幅值按满量程/2048为道间距作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。
2. 如权利要求1所述的用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，其特征在于：在步骤(7)中，如信号峰幅值满量程为5VDC，则道间距以2.44MV作分道统计，得到X荧光入射射线能谱。
3. 如权利要求1或2所述的用于X荧光光谱仪的数字化信噪比增强处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中，对主放大器的输出电压脉冲信号，直接进行高速AD转换，高速采样为数字信号波形，所述高速AD转换的参数为16BIT，100MHZ。
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Open date: 20081008