CN108802010A - 一种光谱连续背景去除装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光谱连续背景去除装置、系统和方法，该光谱连续背景去除装置应用于包括激光器、光谱仪和载物台的LIBS系统，所述光谱连续背景去除装置包括偏振器，所述偏振器设置于所述载物台与所述光谱仪的采集头之间，所述载物台上放置有定标样品集，其中，所述偏振器用于实现对不同偏振态的光谱的分离，所述载物台、所述偏振器和所述采集头共线。本发明通过对光谱连续背景去除装置和系统的巧妙设计，能够通过选取偏振器的最佳转动角度，实现对光谱中连续背景的滤除。

Description

一种光谱连续背景去除装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及光谱分析技术领域，具体而言，涉及一种光谱连续背景去除装置、系统和方法。

背景技术

在现有的光谱连续背景去除方面，常用的方法一般是采用小波变换去除连续背景，其核心思想是认为光谱是由高频率部分(噪声)、低频率部分(背景)和中间频率(独立谱线信号)三种频率信息组成，去背景的核心思想就是去除光谱信号中的低频分量。然而，由于激光诱导击穿光谱的复杂性，光谱信号和连续背景不能简单的靠频谱分析区分开来，而且，如果小波变换去背景的参数选择的不恰当，会造成过度的扣除背景的现象，从而引起更大的分析误差。同时，由于去背景算法的复杂性，电脑运算周期比较长，如果算法复杂有时候可能会运算几个小时之后才能得出结果，这个给工业现场的快速检测带来了很大的不便。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光谱连续背景去除装置、系统和方法，能够有效解决上述问题。

本发明较佳实施例提供一种光谱连续背景去除装置，应用于包括激光器、光谱仪和载物台的LIBS系统，所述光谱连续背景去除装置包括偏振器，所述偏振器设置于所述载物台与所述光谱仪的采集头之间，所述载物台上放置有定标样品集，其中，所述偏振器用于实现对不同偏振态的光谱的分离，所述载物台、所述偏振器和所述采集头共线。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光谱连续背景去除装置还包括电机，所述电机与所述偏振器连接，以用于驱动所述偏振器中的偏振片按照预设角度转动。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光谱连续背景去除装置还包括位移平台，所述载物台放置于所述位移平台上，其中，所述位移平台用于带动所述载物台位移。

在本发明较佳实施例的选择中，所述光谱连续背景去除装置还包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述载物台与所述激光器之间，所述第二聚焦透镜设置于所述载物台与所述偏振器之间。

在本发明较佳实施例的选择中，所述第一聚焦透镜、所述激光器和所述载物台共线，所述第二聚焦透镜、所述载物台和所述偏振器共线。

本发明较佳实施例还提供一种光谱连续背景去除系统，包括LIBS系统和上述的光谱连续背景去除装置，所述光谱连续背景去除装置可拆卸的安装于所述LIBS系统中。

本发明较佳实施例还提供一种光谱连续背景去除方法，应用于包括光谱连续背景去除装置和LIBS系统的光谱连续背景去除系统，所述LIBS系统包括光谱仪和数据处理设备，所述光谱连续背景去除方法包括：

基于偏振器的初始状态，以预设角度为步进单位转动所述偏振器，直到所述偏振器的转动角度达到预设值则停止转动；

通过光谱仪上的采集头采集所述偏振器每转动所述预设角度时的光谱并发送给数据处理设备形成光谱数据集；

从所述光谱数据集中的每个光谱中选取目标元素的谱线中连续背景最高的预设数量条谱线作为目标谱线；

基于不同转动角度对应的多个目标谱线，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线，并将该满足预设需求的目标谱线对应的转动角度作为去除光谱连续背景的最优参数。

在本发明较佳实施例的选择中，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线的步骤包括：

分别计算各目标谱线的谱线信背比以得到与各所述光谱数据一一对应的多个谱线信背比；

从多个所述谱线信背比中选取最佳谱线信背比，并将该最佳谱线信背比对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。

在本发明较佳实施例的选择中，所述预设角度为10度，所述预设值为360度。

在本发明较佳实施例的选择中，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线的步骤包括：

针对每个所述目标谱线，根据该目标谱线的谱线强度和定标样品集中的待测元素的浓度进行指数拟合以得到定标曲线，并基于所述定标曲线得到拟合决定系数；

从多个拟合系数中选取最优拟合决定系数，并将该最优拟合决定系数对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。

与现有技术相比，本实施例提供一种光谱连续背景去除装置、系统和方法，其中，可通过调节光谱连续背景去除装置中的偏振器的角度以选取能够有效去除光谱连续背景时的最优转动角度，提高LIBS系统在定量分析时的精确度及准确度。此外，本发明结构简单，操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光谱连续背景去除装置的应用场景示意图。

图2为本发明实施例提供的光谱连续背景去除装置的另一应用场景示意图。

图3为本发明实施例提供的光谱连续背景去除方法的流程示意图。

图4为图3中所示的步骤S14的子流程示意图。

图5为图3中所示的步骤S14的另一子流程示意图。

图标：10-光谱连续背景去除系统；100-光谱连续背景去除装置；110-偏振器；111-位移平台；112-第一聚焦透镜；113-第二聚焦透镜；200-样品靶材；300-激光器；310-载物台；320-光谱仪；330-数据处理设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，为本发明实施例提供的光谱连续背景去除装置100，应用于包括激光器300、光谱仪320和载物台310的LIBS系统，所述光谱连续背景去除装置100包括偏振器110，所述偏振器110设置于所述载物台310与所述光谱仪320的采集头之间，所述载物台310上放置有样品靶材200，其中，所述偏振器110用于实现对不同偏振态的光谱的分离，所述载物台310、所述偏振器110和所述采集头共线。

在上述设计中，本实施例中考虑到在LIBS系统中激发的光谱中，连续背景和独立谱线的偏振态是不同的，因此可通过设置于所述载物台310和所述采集头之间的偏振器110对不同偏振态的光谱进行分离，从而实现滤除连续背景的目的。

应注意的是，在本实施例中，由于光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、功率高、损耗低、散热快、激光阈值低、稳定性高、成本低、小型化等优点，能胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度，不需热电制冷和水冷，只需简单的风冷，使得其特别适合在恶劣环境下工作。因此，所述LIBS系统中的激光器300可以选用光纤激光器。

但是，由于光纤激光器300具有高的脉冲重复频率，对于普通的CCD阵列探测器，无法采集到单个激光脉冲产生的等离子体光谱，也就无法通过时间延时的方法来去除等离子体早期产生的连续背景的干扰。加之，对于便携式激光探针所采用的小型光谱仪，在一个积分时间里(例如10ms)，将采集到很多个激光脉冲产生的等离子体光谱及连续背景。因此，本发明中通过在采集头与样品靶材200之间设置偏振器110以有效去除光谱信号的连续背景，提高定量分析的准确度。

进一步地，所述偏振器110的型号等可根据实际需求进行灵活选取，本实施例在此不做限制，例如，本实施例中所述偏振器110可以选用一个两面均为平面的椭圆形镜片，如77mm的圆形偏振滤镜。

进一步地，由于在进行连续背景去除时，需要通过旋转所述偏振器110以选取最佳转动角度下的光谱连续背景去除效果最好的转动角度，因此，在本实施例中，所述光谱连续背景去除装置100还可包括电机，所述电机与所述偏振器110连接，以用于驱动所述偏振器110中的偏振片按照预设角度转动。其中，所述电机可以为但不限于步进电机，以带动所述偏振器110在的偏振片按照预设角度转动。

进一步地，所述光谱连续背景去除装置100还可包括位移平台111，所述载物台310放置于所述位移平台111上，其中，所述位移平台111用于带动所述载物台310位移，如转动、X轴向移动、Y轴向移动等。

进一步地，如图2所示，所述光谱连续背景去除装置100还可包括第一聚焦透镜112和第二聚焦透镜113，所述第一聚焦透镜112设置于所述载物台310与所述激光器300之间，所述第二聚焦透镜113设置于所述载物台310与所述偏振器110之间。其中，所述第一聚焦透镜112用于将由所述激光器300发射的激光光束进行聚焦后射向所述样品靶材200，以提高对样品靶材200的烧蚀效率。所述第二聚焦透镜113用于对激发后的光束进行聚焦以使得所述偏振器110实现对不同偏振态的光谱的有效分离。其中，所述第一聚焦透镜112和所述第二聚焦透镜113的类型在此不做限制，如平凸透镜、正凹凸透镜、非球面透镜、衍射透镜和反射透镜等。

实际实施时，所述第一聚焦透镜112、所述激光器300和所述载物台310共线，所述第二聚焦透镜113、所述载物台310和所述偏振器110共线。另外，所述第一聚焦透镜112和第二聚焦透镜113可以为相同类型的透镜，也可以是不同类型的透镜等，本实施例在此不做限制。

进一步地，基于上述光谱连续背景去除装置100的设计和描述，本发明实施例还提供一种光谱连续背景去除系统10，该光谱连续背景去除系统10包括LIBS系统和上述的光谱连续背景去除装置100，所述光谱连续背景去除装置100可拆卸的安装于所述LIBS系统中。

其中，由于所述光谱连续背景去除系统10包括所述光谱连续背景去除装置100，因此具有与所述光谱连续背景去除装置100相同的技术特征，在此不再一一赘述，请参考对所述光谱连续背景去除装置100的解释说明。在实际应用中，所述光谱连续背景去除系统10安装方便，体积小巧，实现简单，能够在工业现场或野外抗恶劣下工作，满足野外环境现场检测的需要，也可以工业现场快速原位检测。

进一步地，请参阅图3，是本发明实施例提供的一种光谱连续背景去除方法的流程图，该方法应用于包括光谱连续背景去除装置100和LIBS系统的光谱连续背景去除系统10，所述LIBS系统包括光谱仪320和数据处理设备330。其中，所述光谱连续背景去除系统10中的所述载物台310与所述光谱仪320的采集头之间设置有偏振器110，且所述载物台310、所述偏振器110和所述采集头共线，以对待测样品集中的待测元素进行参数遍历和分析。

首先需要说明的是，关于所述光谱连续背景去除系统10中的各部件的具体描述可参照前述关于光谱连续背景去除装置100和系统的描述，本实施例在此不再赘述。另外，所述数据处理设备330可以是但不限于计算机、手机、ipad等具有数据处理能力的电子设备。

步骤S11，基于偏振器110的初始状态，以预设角度为步进单位转动所述偏振器110，直到所述偏振器110的转动角度达到预设值则停止转动；

步骤S12，通过光谱仪320上的采集头采集所述偏振器110每转动所述预设角度时的光谱并发送给数据处理设备330形成光谱数据集；

步骤S13，从所述光谱数据集中的每个光谱中选取目标元素的谱线中连续背景最高的预设数量条谱线作为目标谱线；

步骤S14，基于不同转动角度对应的多个目标谱线，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线，并将该满足预设需求的目标谱线对应的转动角度作为去除光谱连续背景的最优参数。

本实施例中，通过上述步骤S11-步骤S14中给出的光谱连续背景去除方法，能够根据偏振器110在不同转动角度下对应的目标谱线选取去除光谱连续背景的最优参数，以实现对光谱连续背景的去除。同时，本发明操作简单，实现方便，能够适应不同的工业环境中的光谱分析。

详细地，在步骤S11中所述的预设角度可以根据实际需求进行灵活选取，例如本实施例中所述预设角度可以为但不限于10度等，所述预设值可以为但不限于360度等。此外，所述偏振器110子在水平面上的旋转可以是手动完成，也可以是电机驱动完成，本实施例在此不做限制。

在步骤S12和步骤S13中，当所述偏振器110每转动预设角度(如10度)便进行一次光谱采集，然后从采集到的光谱中选取预设数量条(如3条)谱线作为目标谱线，其中，可以理解的是，在进行目标谱线的选取时，需要选取连续背景较高的谱线。

在步骤S14中，在基于不同转动角度对应的多个目标谱线，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线的选取方法有多种，例如图4所示，可通过步骤S140-步骤S141实现。

步骤S140，分别计算各目标谱线的谱线信背比以得到与各所述光谱数据一一对应的多个谱线信背比；

步骤S141，从多个所述谱线信背比中选取最佳谱线信背比，并将该最佳谱线信背比对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。

在上述步骤S140和步骤S141中，以最佳信背比作为连续背景去除时的优化准则，进而求出偏振器110的最佳转动以作为去除光谱连续背景的最优参数。其中，以钢铁中的Mn元素为例对谱线信背比的计算过程进行加单说明，选取Mn 404.14nm作为分析线，选取谱线Mn 404.14nm附近的一段比较低的而且平坦的波长为409.45～409.87nm的一段区域波段作为背景噪声，并计算出这一段背景波长的平均信号强度，然后用分析线Mn404.14nm的谱线强度除以背景波长的平均信号强度，即为谱线信背比。

又例如，图5所示，还可通过步骤S142-步骤S143实现，具体如下：

步骤S142，针对每个所述目标谱线，根据该目标谱线的谱线强度和样品靶材200中的待测元素的浓度进行指数拟合以得到定标曲线，并基于所述定标曲线得到拟合决定系数；

步骤S143，从多个拟合系数中选取最优拟合决定系数，并将该最优拟合决定系数对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。

在上述步骤S142和步骤S143中，以最佳拟合系数作为连续背景去除时的优化准则，进而求出偏振器110的最佳转动角度以作为去除光谱连续背景的最优参数。具体地，本实施例在此以样品靶材200为钢铁中的锰为例对拟合系数的计算过程进行介绍，其中，假设以一套具有7个浓度梯度(如C₁，C₂，C₃，…，C₇)的钢铁标准样品中的Mn元素作为研究对象，以Mn404.14nm作为分析线，并假设7个样品中的Mn404.14nm的谱线强度分别是I₁，I₂，……，I₇，那么，将7个样品中Mn404.14nm的谱线强度I₁，I₂，……，I₇与7个样品中对应的Mn元素的浓度C₁，C₂，C₃，…，C₇进行拟合以形成一条直线方程y＝ax+b，进而计算出拟合系数R²，其中，在实际实施时，可以采用线性拟合、非线性拟合、多项式拟合、指数拟合等中的任意一种实现谱线强度和浓度的拟合。

应注意的是，在上述步骤S140-步骤S141或者步骤S142-步骤S143中，当所述偏振器110每转动一预设角度时即可计算一个当前转动角度下的谱线信背比/拟合系数，那么在完成一次预设值的角度转动后，即可得到不同转动角度对应的多个谱线信背比/拟合系数，然后从多个谱线信背比/拟合系数中选取最佳值(如从多个谱线信背比中选取最大值)，将该最佳值对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。最后，可将满足预设需求的目标谱线对应的偏振器110的转动角度作为去除光谱连续背景时的最优参数。

综上所述，本实施例提供一种光谱连续背景去除装置100、系统和方法，其中，可通过调节光谱连续背景去除装置100中的偏振器110的角度以选取能够有效去除光谱连续背景时的最优转动角度，提高LIBS系统在定量分析时的精确度及准确度。此外，本发明结构简单，操作方便。

除此之外，基于LIBS系统的光谱连续背景去除装置100、系统和方法，在快速优化光谱稳定性的同时，能够有效降低等离子体的波动性，提高LIBS系统在定量分析时的精确度及准确度。

在本发明的描述中，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其他方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的预设数量个实施例的装置、方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分。所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或预设数量个用于实现规定的逻辑功能。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱连续背景去除装置，应用于包括激光器、光谱仪和载物台的LIBS系统，其特征在于，所述光谱连续背景去除装置包括偏振器，所述偏振器设置于所述载物台与所述光谱仪的采集头之间，所述载物台上放置有定标样品集，其中，所述偏振器用于实现对不同偏振态的光谱的分离，所述载物台、所述偏振器和所述采集头共线。

2.根据权利要求1所述的光谱连续背景去除装置，其特征在于，所述光谱连续背景去除装置还包括电机，所述电机与所述偏振器连接，以用于驱动所述偏振器中的偏振片按照预设角度转动。

3.根据权利要求1所述的光谱连续背景去除装置，其特征在于，所述光谱连续背景去除装置还包括位移平台，所述载物台放置于所述位移平台上，其中，所述位移平台用于带动所述载物台位移。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光谱连续背景去除装置，其特征在于，所述光谱连续背景去除装置还包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置于所述载物台与所述激光器之间，所述第二聚焦透镜设置于所述载物台与所述偏振器之间。

5.根据权利要求4所述的光谱连续背景去除装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜、所述激光器和所述载物台共线，所述第二聚焦透镜、所述载物台和所述偏振器共线。

6.一种光谱连续背景去除系统，其特征在于，包括LIBS系统和上述权利要求1-5中任一项所述的光谱连续背景去除装置，所述光谱连续背景去除装置可拆卸的安装于所述LIBS系统中。

7.一种光谱连续背景去除方法，其特征在于，应用于包括光谱连续背景去除装置和LIBS系统的光谱连续背景去除系统，所述LIBS系统包括光谱仪和数据处理设备，所述光谱连续背景去除方法包括：

基于偏振器的初始状态，以预设角度为步进单位转动所述偏振器，直到所述偏振器的转动角度达到预设值则停止转动；

通过光谱仪上的采集头采集所述偏振器每转动所述预设角度时的光谱并发送给数据处理设备形成光谱数据集；

从所述光谱数据集中的每个光谱中选取目标元素的谱线中连续背景最高的预设数量条谱线作为目标谱线；

基于不同转动角度对应的多个目标谱线，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线，并将该满足预设需求的目标谱线对应的转动角度作为去除光谱连续背景的最优参数。

8.根据权利要求7所述的光谱连续背景去除方法，其特征在于，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线的步骤包括：

分别计算各目标谱线的谱线信背比以得到与各所述光谱数据一一对应的多个谱线信背比；

从多个所述谱线信背比中选取最佳谱线信背比，并将该最佳谱线信背比对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。

9.根据权利要求8所述的光谱连续背景去除方法，其特征在于，所述预设角度为10度，所述预设值为360度。

10.根据权利要求7所述的光谱连续背景去除方法，其特征在于，从该多个目标谱线中选取满足预设需求的目标谱线的步骤包括：

针对每个所述目标谱线，根据该目标谱线的谱线强度和定标样品集中的待测元素的浓度进行指数拟合以得到定标曲线，并基于所述定标曲线得到拟合决定系数；

从多个拟合系数中选取最优拟合决定系数，并将该最优拟合决定系数对应的目标谱线作为满足预设需求的目标谱线。