CN103063621B - 一种基于光谱相关性的元素识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种被测物中元素组成及含量高低的识别方法，具体步骤为：1)建立元素标准谱图库；2)获取被测物的光谱，确定所测光谱波长范围；3)对被测光谱进行寻峰处理；4)判断所选元素在被测物中是否存在；5)存在某元素前提下，计算谱图的相关系数；6)根据相关系数高低判断元素浓度高低。本方法适用于激光诱导击穿光谱分析、火花直读光谱分析、荧光光谱分析等基于宽波段范围的原子发射光谱分析仪器。本发明能够快速判断被测物质中的元素组成，同时显示元素含量高低；而且可以同时判断多种元素，判断结果更准确，应用实现更容易。

Description

一种基于光谱相关性的元素识别方法

技术领域

本发明涉及被测物中元素组成识别及含量高低分析领域，具体说是一种基于光谱相关性的元素识别方法。

背景技术

目前在原子光谱分析方法领域，绝大多数采用的定性方法为特征谱线选取识别法。其特点是，根据采集光谱峰值所对应的波长，与特定数据库中各个元素的特征谱线进行比对，当采集光谱谱线与数据库中某元素的大多数特征谱线吻合时，即判定待测未知样本中存成此种元素。这种判定方法的缺点是，它只是简单的将采集光谱与特征谱线比对，完全没有考虑元素本身特征谱线所对应光谱强度的强弱关系，极有可能造成把一个元素光谱的弱谱线判定为另外一个元素的光谱强谱线。以铁基体中所含稀有金属定性判定为例，由于铁元素特征谱线极多，造成整个光谱图谱峰非常密集，通过传统的特征谱线选取识别法，势必造成将很多检测到的铁元素谱线判定为其他元素的特征谱线，同时也很有可能将检测到的稀有金属谱线淹没在铁基体特征谱线中。所以这种传统的特征谱线选取识别法，在定性分析上会造成元素识别的错误，极大的影响了未知元素定性分析的准确性。由于对未知元素判断不准确，那么定性分析更加无从谈起。

本专利所采用的相关系数计算法，可以通过标准元素谱线数据库中，特征谱线的强度关系，与待测谱线的强弱关系进行统计，能够准确得出未知样本中所含元素的种类，同时在此定性分析的基础上，通过待测谱线与标准数据库中特征谱线进行的相关系数计算，还能够得出这些元素所含浓度的高低，并从软件中用不同深浅的颜色直观的体现在图形界面上，以达到准确定性分析同时进行半定量分析的目的。

发明内容

为了解决现有技术中对被测物所含元素判断过程的繁琐，本发明的目的在于提出一种基于光谱相关性的元素识别方法，快速有效并同时可对多元素进行分析。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于光谱相关性的元素识别方法，基于光谱相关性，通过获取被测物的原子激发光谱，定性判断被测物中元素的组成及含量高低。具体步骤如下：

步骤1：建立元素标准谱图库，所述元素标准谱图库由峰值波长向量W、归一化后强度向量Y、档位向量D组成，预先存储在计算机中；

步骤2：获取被测物的光谱，确定所测的光谱波长范围；

步骤3：对所获得的激发光谱进行寻峰处理，峰值对应波长向量为V＝[v1，v2，...，vm]；

步骤4：峰值对应波长向量V与标准谱图库比较，根据强档峰值的交集判断所选元素是否存在；

步骤5：如果存在某元素，计算该元素标准谱图与所测谱图的相关系数；如果不存在某元素，返回步骤2。

步骤6：根据相关系数高低判断元素浓度高低。

所述元素标准谱图库可以通过对高纯物质测量获得；对于不易获得高纯物质的元素可以根据标准原子发射光谱数据库获得。

所述元素标准谱图库由峰值波长向量W＝[w1，w2，...，wn]，归一化后强度向量Y＝[y1，y2，...，yn]，档位向量D＝[d1，d2，...，dn]，其中n为波峰数量。

所述档位向量D标识峰值强度的高低，通过档位向量辨识强谱线、中强谱线及弱谱线，其分档规则为：如果强度yi大于高档位限l2，则该强度为强谱线；如果强度yi大于低档位限l1且小于高档位限l2，则该强度为中强谱线。如果强度yi小于低档位限l1，则该强度为弱谱线。

所述步骤2获取被测物的激发光谱为宽谱段光谱。

所述相关系数的计算公式为：

$r=s\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，x为波长W处的实际测量谱线强度，s表示是否存在该元素；

所述s为1表示存在该元素；s为0表示不存在该元素。

本发明具有以下优点：

1.本发明能够快速判断被测物质中的元素组成，同时显示元素含量高低；

2.本发明可同时判断多种元素，判断结果更准确，应用实现更容易。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明实施方案中分析结果显示图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，基于光谱相关性，通过获取被测物的原子激发光谱，定性判断被测物中的元素组成及含量高低。具体步骤如下：

步骤1：建立单元素标准谱图库。其中，谱图库由峰值波长向量W、归一化后强度向量Y、档位向量D组成，谱图库预先存储在计算机中。

其中，标准谱图库可以通过对高纯物质测量获得，对于不易获得高纯物质的元素，可以根据标准原子发射光谱数据库获得。

另外，标准谱图库中的归一化强度向量Y和档位向量D的建立规则如下：峰值波长向量表示为W＝[w1，w2，…，wn]，归一化处理后的强度向量表示为Y＝[y1，y2，…，yn]，档位向量为D＝[d1，d2，…，dn]，n为波峰数量。设归一化处理后的区间为(a，b)，其中a为最小值，b为最大值。用l1表示低档位限，l2表示高档位限，强度对应档位用di表示，分档规则为：如果强度yi大于高档位限l2，则该强度为强谱线，档位di用III标识；如果强度yi大于低档位限l1且小于高档位限l2，则该强度为中强谱线，档位di用II标识。如果强度yi小于低档位限l1，则该强度为弱谱线，档位di用I标识。

步骤2：获取被测物的光谱，确定所测的光谱波长范围。

步骤3：对光谱寻峰处理，峰值对应波长向量为V＝[v1，v2，…，vm]。

步骤4：判断所选元素在标准谱图库中是否存在。在所测得光谱波长范围内比较标准谱图中的波长向量W与实际峰值波长向量V，获得交集WV，并确定交集WV中的强档谱线数量。如果强档谱线数量超过了标准谱图中强档谱线数量的一半，则认为存在该元素，否则认为不存在该元素。

步骤5：存在某元素前提下，计算谱图的相关系数。其中，相关系数的计算公式为：

$r=s\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，x为波长W处的实际测量谱线强度，s为0或1，表示是否存在该元素(存在为1，不存在为0)。

步骤6：按照相关系数高低将元素含量分档，高相关系数代表高含量，颜色为深。

实验过程中，测量系统为激光诱导击穿光谱分析设备，利用脉冲激光激发等离子体，通过等离子体发射光判断被测物质中的元素组成。探测器为CCD，所测光谱范围为200-980nm，标准谱图根据NIST标准谱图库获得。

实际测量时所用设备与高纯物质测量条件基本相同，但限制波长范围在250nm至500nm波段范围内，因此步骤2中的波长范围被限制在此范围内。

选定被测物质为铝合金，铝合金中各元素组成及含量如表1所示。

表1  被测物质中的元素组分

Al	Si	Fe	Cu	Mn	Zn	Sn	Ni
								83.89	9.56	0.58	3.99	0.81	0.30	0.16	0.20

以铝元素判断为例，其标准谱图归一化后的强度限制在(0，1000)范围内，在250nm至500nm范围内，铝元素峰值波长向量：

W＝[256.7984，257.5094，281.6185，305.0073，305.7144，308.2153，309.271，309.2839，358.6557，390.0675，394.4006，396.152，466.3056，466.68]

归一化后强度向量：

Y＝[25，50，600，40，50，500，800，200，400，400，500，1000，1000，600]

档位向量：

D＝[I，I，III，I，I，III，III，II，III，III，III，III，III，III]

其中，低档限为100，高档限为300。

对实际测量光谱进行寻峰，判断峰值中的档位在III级别的谱线条数，获得实际值为9个，标准谱图中为6个，Al超过1/2，则说明被测物中存在该元素。

按照以下公式计算相关系数

$r=s\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

按照相关系数高低将元素含量分档，高相关系数代表高含量，颜色为深。本实施例中分为二档，也可分多档。

图2给出了定性分析被测物的元素组成及含量高低的结果。结果证明本发明判断结果准确。

Claims (5)

1.一种基于光谱相关性的元素识别方法，其特征在于：基于光谱相关性，通过获取被测物的原子激发光谱，定性判断被测物中元素的组成及含量高低，具体步骤如下：

步骤1：建立元素标准谱图库，所述元素标准谱图库由峰值波长向量W、归一化后强度向量Y、档位向量D组成，档位向量D标识峰值强度的高低,预先存储在计算机中；

步骤2：选定被测物的元素范围，获取被测物的光谱，确定所测的光谱波长范围；

步骤3：对所获得的激发光谱进行寻峰处理，峰值对应波长向量为V＝[v1,v2,…,vm]；

步骤4：峰值对应波长向量V与标准谱图库比较，根据峰值对应波长向量V和标准谱图中的波长向量W的交集WV中的强档谱线数量判断所选元素是否存在；

步骤5：如果存在某元素，计算该元素标准谱图与所测谱图的相关系数；如果不存在某元素，返回步骤2；

步骤6：根据相关系数高低判断元素浓度高低。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱相关性的元素识别方法，其特征在于，所述元素标准谱图库可以通过对高纯物质测量获得；对于不易获得高纯物质的元素可以根据标准原子发射光谱数据库获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于光谱相关性的元素识别方法，其特征在于，所述档位向量D标识峰值强度的高低，通过档位向量辨识强谱线、中强谱线及弱谱线，其分档规则为：如果强度yi大于高档位限l2，则该强度为强谱线；如果强度yi大于低档位限l1且小于高档位限l2，则该强度为中强谱线；如果强度yi小于低档位限l1，则该强度为弱谱线，其中，l1表示低档位限，l2表示高档位限。

4.根据权利要求1所述的一种基于光谱相关性的元素识别方法，其特征在于，所述步骤2获取被测物的激发光谱为宽谱段光谱。

5.根据权利要求1所述的一种基于光谱相关性的元素识别方法，其特征在于，所述相关系数的计算公式为：

$r=s\frac{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中，x为波长W处的实际测量谱线强度，y为归一化后强度，n为波峰数量，和为均值，s表示是否存在该元素，s为1表示存在该元素；s为0表示不存在该元素。