CN104458701B - 拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决现有技术中对于爆炸物识别用的拉曼光谱仪在使用过程由于老化而造成的测定结果不准确的问题，提供了一种拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法，包括：根据需求对拉曼光谱爆炸物识别仪进行初始化设置；根据不同的分析阶段建立分析曲线，保存数据，所述分析阶段包括第一分析阶段以及其他分析阶段；对拉曼光谱爆炸物识别仪进行现场准备；使用拉曼光谱爆炸物识别仪对样品进行分析等步骤。该方法提高了拉曼光谱爆炸物识别仪的测量准确度和精度，减少了测量爆炸物，尤其是红外谱较丰富的红外爆炸物对拉曼光谱的谱信号的影响，从而使得拉曼光谱爆炸物识别仪能够自动地在各种温度条件下得到校准。

Description

拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法

技术领域

本发明涉及仪器校正技术领域，更具体地，涉及一种拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法。

背景技术

爆炸物因为其强大的破坏力，属于各国严格控制的物品。为了公共安全等安全目的，在机场、车站等公共场所以及其它特定场所进行爆炸物检测是必要的。爆炸物一般由炸药、引爆装置和填充物、包裹物等构成。目前常用的爆炸物探测技术有探测炸药本身(如离子迁移谱)，有探测引爆装置(如金属探测)，还有探测爆炸物形状(如单能X光)，当然也有能同时探测炸药和包裹形状(如双能X光)。其中炸药探测有痕量炸药和常量炸药探测之分，痕量炸药探测是通过分析炸药挥发出来的蒸气或者残留在物体表面的炸药颗粒来实现，而常量炸药探测所需的炸药有一定质量和体积，一般通过炸药的等效原子序数、密度、外形特征等方式来实现。基于这些常用探测技术的设备往往适合于近距离使用，检查人员和设备距检查对象都比较近，有的甚至是接触式检查方式，隐蔽性差，对人员和设备都存在潜在危险。因此，能够确保检查人员和仪器的安全性，同时还具有隐蔽性的探测技术是最理想的。目前适用于远距离爆炸物探测的技术有远距离X背散成像、激光光谱、热成像、太赫兹和毫米波等技术，它们的探测原理、技术成熟度以及适用场合都还存在差异，但总体来讲都还处在试验化向产品化的转化阶段，目前现有技术产品化的成本都还处在一个较高的阶段，不能被广泛应用。

拉曼光谱分析技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，它能对物质的成分和结构进行定性、定量分析。拉曼光谱测量速度快，应用拉曼光谱分析可以做到原位实时测量，有利于过程控制的实时在线监测。自1960年出现激光后，由于激光具有单色性好、能量集中、输出功率大等特点、尤其是光谱辐射密度高、激光源体积小、重量轻、易自动化操作等优点，故而很快将激光用于拉曼光谱仪的激发光源，从而使拉曼光谱获得了新的起点。产生的激光拉曼光谱光源的拉曼光谱法。应用激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特性，与表面增强拉曼效应相结合，便产生了表面增强拉曼光谱。其灵敏度比常规拉曼光谱可提高10^4～10^7倍，使分析的信噪比大大提高。

在现场实际拉曼光谱定量分析中，拉曼谱图数据处理是整个拉曼光谱分析流程中的关键，只有信号的可靠性高，才能谈论它的定性、定量准确度。然而在实际的使用过程中，激光器在长时间相对恶劣的环境中使用，会出现激光功率下降偏离等现象，而拉曼光谱信号的强弱也会受到测量时光谱仪的工作环境温度带来的影响。因此现场长期在线使用的拉曼光谱仪需要一种有效的仪器校准方法，以使其在各种温度背景下都能确保检测工作的准确、可靠。

发明内容

本发明为了解决现有技术中对于爆炸物识别用的拉曼光谱仪在使用过程由于老化而造成的测定结果不准确的问题，提供了一种拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法，包括：

1)根据需求对拉曼光谱爆炸物识别仪进行初始化设置，所述初始化设置包括：

1.1)测量所述拉曼光谱爆炸物识别仪的工作环境参数；

1.2)根据所述拉曼光谱爆炸物识别仪的工作环境参数选择其内部保存的参考光谱，设定光谱匹配参数并保存数据；

2)根据不同的分析阶段建立分析曲线，保存数据，所述分析阶段包括第一分析阶段以及其他分析阶段；

3)对拉曼光谱爆炸物识别仪进行现场准备，所述现场准备包括：

3.1)当拉曼光谱爆炸物识别仪到达使用现场后对所述拉曼光谱爆炸物识别仪进行安装上电；

3.2)开启拉曼光谱爆炸物识别仪，等待光谱仪光室的真空度到达设定值；

4)使用拉曼光谱爆炸物识别仪对样品进行分析，包括：

4.1)调用分析曲线，激发爆炸物样品；

4.2)采集第一分析阶段光谱；

4.3)第一分析阶段光谱与参考光谱进行匹配，计算探测器位置偏移，对每块电荷耦合原件CCD对应的光谱进行匹配，计算出光谱位置校正多项式，第n块CCD对应的校正多项式记为POL_n，其中电荷耦合原件CCD作为全谱式直读光谱仪的探测器，电荷耦合原件CCD是一种线阵探测器，每片电荷耦合原件CCD可以采集光谱信号，可以测量分析元素；

4.4)根据波长获取谱线位置，带入相应的位置校正多项式POL_n，计算得到谱线当前的第一参考位置X1；

5)在其他分析阶段，以接近所述测量得到的工作环境参数两侧的参考光谱所对应的校准信号，通过所述拉曼光谱爆炸物识别仪的分光器得到爆炸物待测品的谱线信号，并重复步骤3.1)到4.4)，得到第二参考位置X2和第三参考位置X3，其中X3>X2；

6)根据如下公式计算得到正确的谱线峰值X：X＝(X1^3+(1/3)*(X2^3)+(2/3)*(X3^3))/M，其中M为正整数；

7)对谱线峰值进行积分，得到谱线强度，带入分析曲线，并经过干扰校正操作，计算得到元素的含量。

进一步地，所述工作环境参数包括激光功率和工作环境温度。

进一步地，所述步骤2)中，第一分析阶段设定激发参数与光谱校正模块中的激发参数相同，其余分析阶段的激发参数根据要求进行设定。

进一步地，所述步骤6)中的M等于2的N次方，其中N的取值为||X3/X2||+1。

进一步地，所述步骤4.3)中，POL_n的计算方法为将第n块电荷耦合原件CCD对应的光谱按照固定宽度w进行分段，段数记为K，执行匹配操作时，逐段进行，可以得到K个匹配位置，第p个位置记为(x_p，y_p)，x_p为参考光谱上的第p段的中心位置，y_p为当前光谱上的第p段的中心位置，K个匹配位置进行最小二乘拟合，得到y＝f(x)，该多项式即是POL_n。

本发明的有益效果是，提高了拉曼光谱爆炸物识别仪的测量准确度和精度，减少了测量爆炸物，尤其是红外谱较丰富的红外爆炸物对拉曼光谱的谱信号的影响，从而使得拉曼光谱爆炸物识别仪能够自动地在各种温度条件下得到校准。

附图说明

图1是本发明拉曼光谱爆炸物识别仪自动校准方法的操作流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，本发明一种拉曼光谱爆炸物识别仪的自动校准方法，所述拉曼光谱爆炸物识别仪的自动校准方法包括如下步骤：

1)根据需求对拉曼光谱爆炸物识别仪进行初始化设置，所述初始化设置包括：

1.1)测量所述拉曼光谱爆炸物识别仪的工作环境参数；

1.2)在光谱校正模块中设定激发参数，激发光谱校正样，将采集到的光谱设定为参考光谱，设定光谱匹配参数并保存数据；

2)根据不同的分析阶段建立分析曲线，保存数据，所述分析阶段包括第一分析阶段以及其他分析阶段；

3)对拉曼光谱爆炸物识别仪进行现场准备，所述现场准备包括：

3.1)当拉曼光谱爆炸物识别仪到达使用现场后对所述拉曼光谱爆炸物识别仪进行安装上电；

3.2)开启拉曼光谱爆炸物识别仪，等待光谱仪光室的真空度到达设定值；

4)使用拉曼光谱爆炸物识别仪对样品进行分析，包括：

4.1)调用分析曲线，激发爆炸物样品；

4.2)采集第一分析阶段光谱；

4.3)第一分析阶段光谱与参考光谱进行匹配，计算探测器位置偏移，对每块电荷耦合原件CCD对应的光谱进行匹配，计算出光谱位置校正多项式，第n块CCD对应的校正多项式记为POL_n，其中电荷耦合原件CCD作为全谱式直读光谱仪的探测器，电荷耦合原件CCD是一种线阵探测器，每片电荷耦合原件CCD可以采集光谱信号，可以测量分析元素；

4.4)根据波长获取谱线位置，带入相应的位置校正多项式POL_n，计算得到谱线当前的第一参考位置X1；

5)在其他分析阶段，以接近所述测量得到的工作环境参数两侧的参考光谱所对应的校准信号，通过所述拉曼光谱爆炸物识别仪的分光器得到爆炸物待测品的谱线信号，并重复步骤3.1)到4.4)，得到第二参考位置X2和第三参考位置X3；

6)根据如下公式计算得到正确的谱线峰值X：X＝(X1^3+(1/3)*(X2^3)+(2/3)*(X3^3))/8；

7)对谱线峰值进行积分，得到谱线强度，带入分析曲线，并经过干扰校正操作，计算得到元素的含量。

优选地，所述步骤2)中，第一分析阶段设定激发参数与光谱校正模块中的激发参数相同，其余分析阶段的激发参数根据要求进行设定。

优选地，所述工作环境参数包括激光功率和工作环境温度。

优选地，所述步骤6)中的M等于2的N次方，其中N的取值为||X3/X2||+1。该取值方式是申请人根据上述思路，经过多次试验确定的经验值。

为了提高计算效率，所述步骤4.3)中，POL_n的计算方法为将第n块电荷耦合原件CCD对应的光谱按照固定宽度w进行分段，段数记为K，执行匹配操作时，逐段进行，可以得到K个匹配位置，第p个位置记为(x_p，y_p)，x_p为参考光谱上的第p段的中心位置，y_p为当前光谱上的第p段的中心位置，K个匹配位置进行最小二乘拟合，得到y＝f(x)，该多项式即是POL_n。

拉曼光谱爆炸物识别仪分析样品的时间在20到40秒之间，进行谱线位置校正所花费时间小于2秒，因此实时校正不会对光谱仪的使用带来明显影响，可以有效的消除温度等环境因素变化对光谱仪的影响，提升使用的方便性和数据的稳定性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种拉曼光谱爆炸物识别仪的自动校准方法，包括如下步骤：

1)根据需求对拉曼光谱爆炸物识别仪进行初始化设置，所述初始化设置包括：

1.1)测量所述拉曼光谱爆炸物识别仪的工作环境参数；

1.2)根据所述拉曼光谱爆炸物识别仪的工作环境参数选择其内部保存的参考光谱，设定光谱匹配参数并保存数据；

2)根据不同的分析阶段建立分析曲线，保存数据，所述分析阶段包括第一分析阶段以及其他分析阶段；

3)对拉曼光谱爆炸物识别仪进行现场准备，所述现场准备包括：

3.1)当拉曼光谱爆炸物识别仪到达使用现场后对所述拉曼光谱爆炸物识别仪进行安装上电；

3.2)开启拉曼光谱爆炸物识别仪，等待光谱仪光室的真空度到达设定值；

4)使用拉曼光谱爆炸物识别仪对样品进行分析，包括：

4.1)调用分析曲线，激发爆炸物样品；

4.2)采集第一分析阶段光谱；

4.3)第一分析阶段光谱与参考光谱进行匹配，计算探测器位置偏移，对每块电荷耦合原件CCD对应的光谱进行匹配，计算出光谱位置校正多项式，第n块CCD对应的校正多项式记为POL_n，其中电荷耦合原件CCD作为全谱式直读光谱仪的探测器，电荷耦合原件CCD是一种线阵探测器，每片电荷耦合原件CCD可以采集光谱信号，可以测量分析元素；

其中，POL_n的计算方法为将第n块电荷耦合原件CCD对应的光谱按照固定宽度w进行分段，段数记为K，执行匹配操作时，逐段进行，可以得到K个匹配位置，第p个位置记为(x_p，y_p)，x_p为参考光谱上的第p段的中心位置，y_p为当前光谱上的第p段的中心位置，K个匹配位置进行最小二乘拟合，得到y＝f(x)，该多项式即是POL_n；

4.4)根据波长获取谱线位置，带入相应的位置校正多项式POL_n，计算得到谱线当前的第一参考位置X1；

5)在其他分析阶段，以接近所述测量得到的工作环境参数两侧的参考光谱所对应的校准信号，通过所述拉曼光谱爆炸物识别仪的分光器得到爆炸物待测品的谱线信号，并重复步骤3.1)到4.4)，得到第二参考位置X2和第三参考位置X3，其中X3>X2；

6)根据如下公式计算得到正确的谱线峰值X：X＝(X1^3+(1/3)*(X2^3)+(2/3)*(X3^3))/M，其中M为正整数，且M等于2的N次方，其中N的取值为||X3/X2||+1；

7)对谱线峰值进行积分，得到谱线强度，带入分析曲线，并经过干扰校正操作，计算得到元素的含量。

2.根据权利要求1所述的拉曼光谱爆炸物识别仪的自动校准方法，其特征在于：所述工作环境参数包括激光功率和工作环境温度。

3.根据权利要求1所述的拉曼光谱爆炸物识别仪的自动校准方法，其特征在于：所述步骤2)中，第一分析阶段设定激发参数与光谱校正模块中的激发参数相同，其余分析阶段的激发参数根据要求进行设定。