CN110987827A - 一种微量元素光谱检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微量元素光谱检测方法,包括如下步骤:调制强度随时间变化的激发光源,并使用激发光源照射微量元素样品,激发周期性特征光,其中,所述周期性特征光,在时域空间上的强度随时间呈周期分布;光探测器采集光信号,转换为数字信号,将所述数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,若存在,则强度明显高于其他频率处强度的信号,即为微量元素样品激发的周期性特征光信号。本发明有效的解决了光谱法微量元素检测过程中微弱的检测信号完全淹没于背景噪声的问题,避免了微弱信号难以检测造成对微量元素检测的误判。还提供了一种微量元素检测装置。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域,特别涉及一种微量元素光谱检测方法及装置。
背景技术
微量元素检测是指通过仪器检查微量元素的多少,用于微量元素检测的方法有:同位素稀释质谱法、分子光谱法、原子发射光谱法、原子吸收光谱法、X射线荧光光谱分析法、中子活化分析法、生化法、电化学分析法等。在临床医学上广泛应用的方法主要为生化法、电化学分析法、原子吸收光谱法这几种,生化法和电化学分析法(也叫电位溶出法)结果准确性差。
激发光谱法检测元素采用稳定的激发光照明样品,检测待测元素特征谱强度用于判断待检测元素存在与否。微量元素检测的难点在于检测系统信噪比的提升,在噪声信号中提取微弱的检测信号的方法有噪声的抑制、消减,检测信号的增强等方法。当元素含量较低时,其特征谱强度较低,当特征谱信号淹没在检测系统噪声中时难以检测出元素的存在,从而造成误判。
因此为了解决现有技术中的技术问题,需要有效从系统噪声中判断微弱信号,提供了对微量元素检测的一种元素光谱检测方法及微量元素检测装置系统。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明的一个方面在于提供一种微量元素光谱检测方法,所述检测方法包括如下方法步骤:
调制强度随时间变化的激发光源,并使用所述激发光源照射微量元素样品,激发周期性特征光,其中,所述周期性特征光,在时域空间上的强度随时间呈周期分布;
光探测器采集光信号,转换为电信号,并经过模数转换器转换为数字信号,输入与至信号处理模块,
将所述数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,
若存在,则强度明显高于其他频率处强度的信号,即为微量元素样品激发的周期性特征光信号。
在一些较佳的实施例中,强度随时间变化的激发光源通过如下方法调制:
将激光器产生的激光分成两束,分别进入长度相同的第一光纤和第二光纤;
对第二光纤的上的光程进行调整后,将第一光纤和第二光纤的两束光合束,合束后两束光的干涉光斑作为所述激发光源。
在一些较佳的实施例中,通过精确温度控制对所述二光纤的上的光程进行调整。
在一些较佳的实施例中,光探测器采集光信号转换为电信号,经运算放大器对信号放大后,转换数字信号。
本发明的另一个方面在于提供一种微量元素检测装置,所述检测装置包括:
激发光源调制装置,用于调制强度随时间变化的激发光源;
光探测器,用于采集光信号,并将光信号转换为电信号;
信号处理装置,包括数模转换器,用于接收电信号并转换为数字信号,
以及信号处理模块,用于将所述数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号。
在一些较佳的实施例中,所述激发光源调制装置包括:
激光器,与激光器通过光纤连接的分束器,
所述分束器将激光器发射产生的激光分成第一束光和第二束光;
第一光纤和第二光纤,第一束光进入第一光纤,第二束光进入第二光纤;
第二光纤上安装光程调整装置,用于对第二光纤上的第二束光的光程进行调整;
合束器,用于将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为所述激发光源。
在一些较佳的实施例中,光程调整装置为精确温度控制装置,通过精确温度控制对所述二光纤的上第二束光的光程进行调整。
在一些较佳的实施例中,所述装置还包括运算放大器,光探测器采集光信号转换为电信号,经运算放大器对信号放大后,转换数字信号。
本发明提供的一种元素光谱检测方法及装置,将待检测微弱光信号加载在时域周期性载波信号上,通过周期性载波信号在频率域的稀疏性判断微弱信号,有效的解决了光谱法微量元素检测过程中微弱的检测信号完全淹没于背景噪声的问题,避免了微弱信号难以检测造成对微量元素检测的误判。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,采用强度随时间周期性变化的光源做为载波,将待检测微弱信号加载到载波信号上,解决了强度随时间周期性变化的激发光源制备问题。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为激发光源,照射样品,解决了周期性特征光在系统噪声淹没的情况下的加载到载波信号上的问题。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,将信号从时域空间变换至频率域空间,根据对应于时域空间下的频率处是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,将激发微量元素产生的微弱信号与噪声分开,解决了微弱信号提取问题。
应当理解,前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释,并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图,本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明,其中:
图1是本发明微量元素检测装置的结构框图。
图2是本发明微量元素光谱检测方法的流程框图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例,本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而,本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例;可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
下面结合具体的实施例对本发明的内容作出详细的阐述,为了解决现有技术中检测系统信噪比的提升难度的技术问题,本发明另辟蹊径,从激发光的角度出发调制周期性激光光源,将激发微量元素产生的微弱的周期性特征光加载的周期载波信号上,通过数字信号的转换至频率域,根据频率域稀疏性提取微弱信号,从而对微量元素判断。
根据本发明的实施例,如图1所示本发明微量元素光谱检测装置的结构框图,一种微量元素光谱检测装置包括:激发光源调制装置100,用于调制强度随时间变化的激发光源和信号处理装置200。
激发光调制装置100为光信号处理装置,用于调整生成强度随时间变化的激发光源。根据本发明的实施例,激发光源调制装置100包括:激光器101,与激光器101通过光纤连接的分束器102。激光器101产生激光进入分束器102,分束102将激光器101发射产生的激光分成第一束光和第二束光。
第一光纤103和第二光纤104,分束102将激光器101发射产生的激光分成第一束光和第二束光分别进入第一光纤103和第二光纤104,具体地,第一束光进入第一光纤103,第二束光进入第二光纤104。在第二光纤104上安装光程调整装置105,用于对第二光纤104上的第二束光的光程进行调整。根据本发明的优选实施例,光程调整装置105为精确温度控制装置,通过精确温度控制对第二光纤104的上第二束光的光程进行调整。
合束器106,用于将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为激发光源。根据本发明的实施例,第一光纤103上的第一束光直接进入合束器106,第二光纤104上的第二束光经过光程调整后进入合束器106,合束后两束光形成干涉光斑,作为激发光源。
经过激发光调制装置100对光信号处理后,激光光源成为强度随时间变化的周期性光源,激发光源照射样品300检测样品中是否存在待检测的微量元素。
具体地,如果样品中存在待检测的微量元素,则激发光源照射微量元素,激发光与微量元素相互作用,激发出周期性特征光。激发出的周期性特征光虽然非常微弱,淹没在系统的噪声中,但是通过强度随时间变化的周期性的激光源照射,将微弱的周期性特征光加载到周期性载波信号上。
以余弦函数作为载波信号举例来说,激发光调制装置100对光信号处理,产生的激发光源强度随时间变化为:I=cos(ω0t),其中I为光源强度,ω0为在时域空间下的频率,t为时间。
如果样品中具有微量元素,激发光源照射在微量元素样品上,激发光与微量元素相互作用,激发出非常微弱周期性特征光,周期性特征光淹没在噪声信号之中。周期性特征光虽然微弱,但是在时间域上的强度随时间变化满足规律:I=cos(ω0t),从而使微弱周期性特征光加载在载波信号上。
根据本发明的实施例,微量元素检测装置还包括光探测器400和运算放大器500。
光探测器400,用于采集光信号,并将光信号转换为电信号。应当理解,光探测器400采集激发光源照射在微量元素样品后激发的光信号。如果微量元素样品中存在微量元素,则光探测器采集的光信号中则会存在信号微弱的周期性特征光。
运算放大器500,对电信号做放大处理,即光探测器400采集光信号转换为电信号,经运算放大器500对信号放大。
信号处理装置200包括数模转换器201,信号处理模块202和显示屏203。
数模转换器201,接收运算放大器500处理后的电信号,并转换为数字信号,
信号处理模块202接收数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号。根据本发明的实施例,将信号从时域空间投影到频域空间,在稀疏空间中判断否存在周期性变化的周期性特征光,从而判断微量元素存在与否。
在一个优选的实施例中,采用傅里叶变换对时域空间下的信号投影到能够稀疏表示的频域空间中。在上述实施例中,如果样品中具有微量元素,激发光源照射在微量元素样品上,激发出非常微弱周期性特征光,在时间域上的强度随时间变化满足规律:I=cos(ω0t)上。
经过里叶变换后,在傅里叶空间中得到频率域:π[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)],周期性特征光的信号集中在频率域的频率±ω0上,频率±ω0处强度明显高于其他频率。
根据本发明的实施例,信号处理模块202对数字信号从时域空间变换至频率域空间,在频率域空间下,对应于时域空间下的频率ω0处,否存在强度明显高于其他频率处强度的信号。当存在强度明显高于其他频率处强度的信号,则该信号即为激发微量元素产生的微弱信号的周期性特征光,从而判断样品组存在微量元素。
本发明采用强度随时间周期性变化的光源做为载波,将待检测微弱信号加载到载波信号上,通过周期性变化的载波信号在其他空间的稀疏性提取微弱信号特征,实现微弱信号的检测,从而对样品中的微量元素检测。
如图2所示本发明微量元素检测方法的流程框图,根据本发明的实施例,采用本申请提供的微量元素检测装置实现微量元素检测。一种微量元素检测方法,包括如下方法步骤:
步骤S101、调制强度随时间变化的激发光源,强度随时间变化的激发光源通过如下方法调制:
将激光器产生的激光分成两束,分别进入长度相同的第一光纤和第二光纤。
对第二光纤的上的光程进行调整后,将第一光纤和第二光纤的两束光合束,合束后两束光的干涉光斑作为所述激发光源。
实施例中,激光器101产生激光进入分束器102,分束102将激光器101发射产生的激光分成第一束光和第二束光。
第一光纤103和第二光纤104,分束器102将激光器101发射产生的激光分成第一束光和第二束光分别进入第一光纤103和第二光纤104,具体地,第一束光进入第一光纤103,第二束光进入第二光纤104。在第二光纤104上安装光程调整装置105,用于对第二光纤104上的第二束光的光程进行调整。根据本发明的优选实施例,光程调整装置105为精确温度控制装置,通过精确温度控制对第二光纤104的上第二束光的光程进行调整。
合束器106,用于将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为激发光源。根据本发明的实施例,第一光纤103上的第一束光直接进入合束器106,第二光纤104上的第二束光经过光程调整后进入合束器106,合束后两束光形成干涉光斑,作为激发光源。
步骤S102、激发光源照射微量元素样品,使用步骤S101产生激发光源照射微量元素样品,激发周期性特征光。产生周期性特征光在时域空间上的强度随时间呈周期分布。
如果样品中存在待检测的微量元素,则激发光源照射微量元素,激发光与微量元素相互作用,激发出周期性特征光。激发出的周期性特征光虽然非常微弱,淹没在系统的噪声中,但是通过强度随时间变化的周期性的激光源照射,将微弱的周期性特征光加载到周期性载波信号上。
在一个优选地实施中,以余弦函数作为载波信号举例来说,激发光调制装置100对光信号处理,产生的激发光源强度随时间变化为:I=cos(ω0t),其中I为光源强度,ω0为在时域空间下的频率,t为时间。
如果样品中具有微量元素,激发光源照射在微量元素样品上,激发光与微量元素相互作用,激发出非常微弱周期性特征光,周期性特征光淹没在噪声信号之中。周期性特征光虽然微弱,但是在时间域上的强度随时间变化满足规律:I=cos(ω0t),从而使微弱周期性特征光加载在载波信号上。
步骤S103,采集光信号,光探测器采集光信号,转换为电信号,并经过模数转换器转换为数字信号,输入与至信号处理模块202。
光探测器400采集激发光源照射在微量元素样品后激发的光信号。如果微量元素样品中存在微量元素,则光探测器采集的光信号中则会存在信号微弱的周期性特征光。运算放大器500,对电信号做放大处理,即光探测器400采集光信号转换为电信号,经运算放大器500对信号放大。
步骤S104、微弱信号提取。
信号处理模块202将数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,若存在,则强度明显高于其他频率处强度的信号,即为微量元素样品激发的周期性特征光信号。
在一个优选的实施例中,采用傅里叶变换对时域空间下的信号投影到能够稀疏表示的频域空间中。在上述实施例中,如果样品中具有微量元素,激发光源照射在微量元素样品上,激发出非常微弱周期性特征光,在时间域上的强度随时间变化满足规律:I=cos(ω0t)上。
经过里叶变换后,在傅里叶空间中得到频率域:π[δ(ω-ω0)+δ(ω+ω0)],周期性特征光的信号集中在频率域的频率±ω0上,频率±ω0处强度明显高于其他频率。
根据本发明的实施例,信号处理模块202对数字信号从时域空间变换至频率域空间,在频率域空间下,对应于时域空间下的频率ω0处,否存在强度明显高于其他频率处强度的信号。当存在强度明显高于其他频率处强度的信号,则该信号即为激发微量元素产生的微弱信号的周期性特征光,从而判断样品组存在微量元素。
在上述实施方式中,信号处理模块202可以是对数字信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列,现场可编程门阵列等。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,采用强度随时间周期性变化的光源对样品进行照明,样品中的待测微量元素受光源激发产生强度随时间周期性变化的特征光谱。对特征光谱的强度进行采集,虽然微量元素的特征光谱强度信号依然淹没在系统噪声中,但是通过对一段时间上探测器收到的强度信息进行傅里叶变换,将时域信号变换为频域频率谱,由于微量元素产生的特征光谱信号呈周期性变化,将在一个或多个特定的频谱上与系统噪声产生显著区分,从而与系统噪声中区分出来。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,将待检测微弱光信号加载在时域周期性载波信号上,通过周期性载波信号在频率域的稀疏性判断微弱信号,有效的解决了光谱法微量元素检测过程中微弱的检测信号完全淹没于背景噪声的问题,避免了微弱信号难以检测造成对微量元素检测的误判。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,采用强度随时间周期性变化的光源做为载波,将待检测微弱信号加载到载波信号上,解决了强度随时间周期性变化的激发光源制备问题。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为激发光源,照射样品,解决了周期性特征光在系统噪声淹没的情况下的加载到载波信号上的问题。
本发明提供的一种元素检测方法以及微量元素检测装置,将信号从时域空间变换至频率域空间,根据对应于时域空间下的频率处是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,将激发微量元素产生的微弱信号与噪声分开,解决了微弱信号提取问题。
结合这里披露的本发明的说明和实践,本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的,本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种微量光谱元素检测方法,其特征在于,所述检测方法包括如下方法步骤:
调制强度随时间变化的激发光源,并使用所述激发光源照射微量元素样品,激发周期性特征光,其中,所述周期性特征光,在时域空间上的强度随时间呈周期分布;
光探测器采集光信号,转换为电信号,并经过模数转换器转换为数字信号,输入与至信号处理模块,
将所述数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号,
若存在,则强度明显高于其他频率处强度的信号,即为微量元素样品激发的周期性特征光信号。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,强度随时间变化的激发光源通过如下方法调制:
将激光器产生的激光分成两束,分别进入长度相同的第一光纤和第二光纤;
对第二光纤的上的光程进行调整后,将第一光纤和第二光纤的两束光合束,合束后两束光的干涉光斑作为所述激发光源。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,通过精确温度控制对所述二光纤的上的光程进行调整。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,光探测器采集光信号转换为电信号,经运算放大器对信号放大后,转换数字信号。
5.一种微量元素检测装置,其特征在于,所述装置包括:
激发光源调制装置,用于调制强度随时间变化的激发光源;
光探测器,用于采集光信号,并将光信号转换为电信号;
信号处理装置,包括数模转换器,用于接收电信号并转换为数字信号,
以及信号处理模块,用于将所述数字信号,从时域空间变换至频率域空间,判断对应于时域空间下的频率处,是否存在强度明显高于其他频率处强度的信号。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述激发光源调制装置包括:
激光器,与激光器通过光纤连接的分束器,
所述分束器将激光器发射产生的激光分成第一束光和第二束光;
第一光纤和第二光纤,第一束光进入第一光纤,第二束光进入第二光纤;
第二光纤上安装光程调整装置,用于对第二光纤的上第二束光的光程进行调整;
合束器,用于将第一光束和第二光束合束,合束后两束光的干涉光斑作为所述激发光源。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,光程调整装置为精确温度控制装置,通过精确温度控制对所述二光纤的上第二束光的光程进行调整。
8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述装置还包括运算放大器,光探测器采集光信号转换为电信号,经运算放大器对信号放大后,转换数字信号。
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