CN107589134B - 一种基于saxs技术的二维散射谱计算方法及系统 - Google Patents

一种基于saxs技术的二维散射谱计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法，该方法包括以下步骤：象限选择步骤：利用SAXS本身的特性进行简化，基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配；提取特征点的步骤：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；筛选散射图谱的步骤：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱；筛选全散射图谱的步骤：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱。本发明还提出一种基于SAXS技术的二维散射谱计算系统。本发明根据SAXS本身的特性只需对一个象限进行匹配，在保留足够信息量的同时减少计算拟合的数据量，有效提高二维散射图谱的计算时间。

Description

一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法及系统
技术领域
本发明涉及一种数据计算拟合方法，具体涉及一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法及系统。
背景技术
小角X射线散射(SAXS)是一种无损分析微纳结构的方法，是发生在X射线方向附近小角度范围内的电子相干散射现象，它来自于样品内部电子密度差，是研究介观尺度(一到几百纳米)内物质结构的重要手段。不同于X射线衍射分析晶体结构，SAXS适合在相对较低分辨率下分析非晶材料的结构特征，被广泛应用于解析纳米尺度电子密度不均匀物质(纳米颗粒或纳米孔洞)的结构尺寸、比表面、孔径分布、界面信息等。SAXS适用样品范围宽，干、湿、气态样品都适用；与常规显微结构分析，如SEM、TEM相比较，SAXS几乎不需特殊样品制备，能表征TEM无法测量的样品。SAXS可以直接测量体相材料，有较好的粒子统计平均性，在化学、化工、材料科学、分子生物学、医药学、凝聚态物理等多学科都有广泛应用。研究对象包括具有各种纳米结构，如液晶、液晶态生物膜的各种相变化、溶致液晶、胶束、囊泡、脂质体、表面活性剂缔合结构、生物大分子(蛋白质、核酸等)、自组装超分子结构、微孔、晶粒等，溶胶分形结构和界面层结构、聚合物溶液、结晶取向聚合物(工业纤维和薄膜)、嵌段离子离聚物的微观结构等。
SAXS测试简单，数据分析复杂，虽然经过多年的研究，但SAXS理论分析方法依然不完善。SAXS模型处理复杂、数据分析困难，成为影响其广泛应用的主要瓶颈和关键科学问题之一。在二维SAXS散射谱分析拟合过程中，不仅理论计算复杂，而且由于其数据量较大，计算拟合的过程非常耗时。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法及系统，根据SAXS本身的特性对计算对象进行简化，在保留足够信息量的同时减少计算拟合的数据量，有效提高二维散射图谱的计算时间。
本发明提出的一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法，该方法包括以下步骤：
象限选择步骤：利用SAXS本身的特性进行简化，基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配；
提取特征点的步骤：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；
筛选散射图谱的步骤：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱；
筛选全散射图谱的步骤：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱。
进一步地，在提取特征点的步骤中，具体包括以下步骤：
步骤21.对SAXS散射图谱进行各种校正；
步骤22.根据散射强度作散射图谱的等值线；
步骤23.设定M个散射矢量Q1、Q2、……、QM，并画圆，M为正整数；
步骤24.圆与等值线在该象限内的交点即为特征点。
进一步地，M为大于等于4的正整数。
进一步地，筛选散射图谱步骤中采用式(1)进行计算：
其中，Isim为计算的散射图谱的散射强度，Iexp为实验图谱的散射强度，N为拟合的散射点，n为拟合的参数个数。
进一步地，在筛选散射图谱步骤中，反复调整式(1)中的各个参数，使得式(1)最小，定量解析出高性能纤维内缺陷的参数。
本发明还提出一种基于SAXS技术的二维散射谱计算系统，该系统包括以下模块：
象限选择模块：利用SAXS本身的特性进行简化，基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配；
提取特征点模块：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；
筛选散射图谱模块：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱；
筛选全散射图谱模块：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱。
进一步地，提取特征点模块包括子模块：
校正模块：对SAXS散射图谱进行各种校正；
等值线制作模块：根据散射强度制作散射图谱的等值线；
散射矢量设定模块：设定M个散射矢量Q1、Q2、……、QM，并画圆，M为正整数；
特征点获得模块：根据圆与等值线在该象限内的交点获得特征点。
进一步地，M为大于等于4的正整数。
进一步地，筛选散射图谱模块采用式(1)进行计算：
其中，Isim为计算的散射图谱的散射强度，Iexp为实验图谱的散射强度，N为拟合的散射点，n为拟合的参数个数。
进一步地，筛选散射图谱模块反复调整式(1)中的各个参数，使得式(1)最小，定量解析出高性能纤维内缺陷的参数。
本发明的有益效果：本发明提出的基于SAXS技术的二维散射谱计算方法及系统，根据SAXS本身的特性对计算对象进行简化，只需对一个象限进行匹配，在保留足够信息量的同时减少计算拟合的数据量，有效提高二维散射图谱的计算时间。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的提取特征点方法示意图。
图3是本发明的计算图谱与实验图谱结果对比示意图。
图4是本发明的系统框架图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明提出的一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法，其流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)象限选择步骤：利用SAXS本身的特性进行简化，由于SAXS的散射图谱是圆对称的光斑，因此基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配，这样在保留足够信息量的同时减少计算拟合的数据量，有效提高二维散射图谱的计算时间；
(2)提取特征点的步骤：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；
(3)筛选散射图谱的步骤：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱，具体为在变动参数计算出的大量散射图谱中选出与特征点结果最相近的散射图谱；
(4)筛选全散射图谱的步骤：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱，从而快速筛选出散射图谱，提升全谱拟合的效率。
其中，在(2)提取特征点的步骤中，具体包括如下步骤：
步骤21.对SAXS散射图谱进行校正，以方便拟合所进行的原始散射图谱的图像处理，该校正包括但不限于背底的扣除、散射光斑的旋转等；
步骤22.根据散射强度制作散射图谱的等值线，如I＝100；
步骤23.设定M个散射矢量Q1、Q2、……、QM，并画圆，M为正整数，所选取的散射矢量要求包含在圆内，圆的大小一般取决于最远的向量，最远的向量一般取决于散射图谱光斑的大小。优选地，M为大于等于4的正整数，图2中示出了M为4的情形，即散射矢量Q1、Q2、Q3、Q4。在散射光斑中每个散射矢量处都对应着特定的散射强度，这相当于直角坐标中的(x,y)，x是散射矢量，y是散射强度。4个散射矢量是随机选取的，但应尽量包括散射图谱的特征区域。
步骤24.圆与等值线在该象限内的交点即为特征点，如图2中所示的圆圈。
在(3)筛选象限内的散射图谱步骤中，筛选散射图谱的方法具体如下：
步骤31：进行特征点匹配；实验图谱和计算的图谱的特征点相对应；
步骤32：在特定取值范围调整公式(1)中的参数，进行全谱拟合，加速计算；散射强度公式中的参数，特定取值范围根据要研究的散射体以及测试条件决定。
符合上述取点条件的计算散射图谱Isim与实验图谱Iexp进行全谱拟合，反复调整各个参数，使得式(1)最小，定量解析出高性能纤维内缺陷的参数。上述调整是根据各参数对光斑的影响效果进行调整，也就是根据结构参数的物理意义进行调整。全谱拟合的目的就是为了得到材料内部特定结构的形状、大小和取向等参数。高性能纤维内缺陷的参数是其中一种。
式(1)中，q12和q3为散射矢量在不同方向上的分量。
其中N为拟合的散射点，n为拟合的参数个数。N为人为设置的散射矢量上的点数。n与具体的样品信息有关。
实施例1
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝70作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圆与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例2
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝100作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.025，Q2＝0.035，Q3＝0.045，Q4＝0.055，并画圆；
D)圆与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例3
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝150作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.03，Q2＝0.035，Q3＝0.043，Q4＝0.051，并画圆；
D)圆与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例4
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝200作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.029，Q2＝0.035，Q3＝0.048，Q4＝0.053，并画圆；
D)圆与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例5
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝300作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圆与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例6
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝400作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圈与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例7
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝500作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圈与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例8
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝600作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.03，Q2＝0.044，Q3＝0.051，Q4＝0.06，并画圆；
D)圈与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例9
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝700作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圈与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
实施例10
A)对得到的散射图谱进行各种校正；
B)取散射强度I＝800作散射图谱的等值线；
C)指定4个散射矢量Q1＝0.02，Q2＝0.03，Q3＝0.04，Q4＝0.05，并画圆；
D)圈与等值线的交点定为特征点；
E)在全谱拟合时，先进行特征点匹配，然后在特定取值范围调整参数，进行全谱拟合，加速计算。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SAXS技术的二维散射谱计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
象限选择步骤：利用SAXS本身的特性进行简化，基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配；
提取特征点的步骤：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；
筛选散射图谱的步骤：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱；
筛选全散射图谱的步骤：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱；其中，在提取特征点的步骤中，具体包括以下步骤：
步骤21.对SAXS散射图谱进行各种校正；
步骤22.根据散射强度作散射图谱的等值线；
步骤23.设定M个散射矢量Q1、Q2、……、QM，并画圆，M为正整数；
步骤24.圆与等值线在该象限内的交点即为特征点；其中，
所述筛选散射图谱步骤中采用式(1)进行计算：
其中，Isim为计算的散射图谱的散射强度，Iexp为实验图谱的散射强度，N为拟合的散射点，n为拟合的参数个数，q12和q3为散射矢量在不同方向上的分量。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，M为大于等于4的正整数。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在筛选散射图谱步骤中，反复调整式(1)中的各个参数，使得式(1)最小，定量解析出高性能纤维内缺陷的参数。
4.一种基于SAXS技术的二维散射谱计算系统，其特征在于，该系统包括以下模块：
象限选择模块：利用SAXS本身的特性进行简化，基于SAXS散射图谱的对称性，选择其中一个象限进行匹配；
提取特征点模块：提取该象限内SAXS散射图谱的特征点；
筛选散射图谱模块：根据提取的特征点筛选该象限内的SAXS散射图谱；
筛选全散射图谱模块：基于SAXS散射图谱的对称性，由该象限内的SAXS散射图谱生成整个SAXS散射图谱；其中，提取特征点模块包括下述模块：
校正模块：对SAXS散射图谱进行各种校正；
等值线制作模块：根据散射强度制作散射图谱的等值线；
散射矢量设定模块：设定M个散射矢量Q1、Q2、……、QM，并画圆，M为正整数；
特征点获得模块：根据圆与等值线在该象限内的交点获得特征点；其中，
所述筛选散射图谱模块采用式(1)进行计算：
其中，Isim为计算的散射图谱的散射强度，Iexp为实验图谱的散射强度，N为拟合的散射点，n为拟合的参数个数，q12和q3为散射矢量在不同方向上的分量。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，M为大于等于4的正整数。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，筛选散射图谱模块反复调整式(1)中的各个参数，使得式(1)最小，定量解析出高性能纤维内缺陷的参数。
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