CN116908148A - 一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法，包括控制电源、激光光源、光谱仪和可运动的载物机构，控制电源用于给激光光源供电并控制激光光源的输出，激光光源用于向载物机构上样品池发射光源，光谱仪用于接收样品的发射光谱信号，并将采集到的光谱数据上传到上位机；上位机对获取到的光谱数据进行处理：将光谱数据初始化后进行级粗粒化，计算得到在级和级粗粒度模式下光谱数据的重叠度；基于重叠度计算级粗粒度模式下的复杂度，并基于复杂度计算复杂度因子C；基于复杂度因子C得到样品池中样品的相变以及材料分布；该检测控制系统及方法所得到的复杂度因子C能够准确地检测物质的相变以及材料分布不均匀性判别。
Description
技术领域
本发明涉及光谱采集检测技术领域，尤其涉及一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法。
背景技术
随着自动化的发展，光机电一体化技术成为工业、科研设备领域的关键技术之一。光机电一体化技术是光学技术、机械技术和电控信号技术配合工作实现设定目标的核心关键。光机电一体化技术可以实现多个不同类型的设备进行一体化工作。其中激光发射光谱检测领域，便涉及到了光信号、机械运动和电控采集等方面的应用需求。激光发射光谱检测是一种利用光致发光原理对样品进行无损检测的方法。该检测技术被广泛应用于医药研发、水质检测、材料表征等领域。
目前现有的激光发射光谱设备一般只存在一个样品池且位置固定，由于激光发射光谱检测技术应用范围广，检测实验样品的数量较多，会导致科研测试人员的工作量大，更换样品频繁，检测总用时长等问题，且由于位置固定无法检测单个样品局部区域信号，因此无法反映材料的不均匀性特征，也无法分析材料动力学变化等。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法，复杂度因子C能够准确地检测物质的相变以及材料分布不均匀性判别。
本发明提出的一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统，包括控制电源、激光光源、光谱仪和可运动的载物机构，控制电源用于给激光光源供电并控制激光光源的输出，激光光源用于向载物机构上样品池发射光源，光谱仪用于接收样品池样品发射光信号，并将采集到的光谱数据上传到上位机；
上位机对获取到的光谱数据进行处理，处理过程如下：
将光谱数据初始化后进行级和/>级粗粒化，并计算/>级粗粒度模式下的新光谱数据，得到在/>级/>级粗粒度模式下光谱数据的自身重叠度以及在/>级级粗粒度模式下光谱数据之间的差异重叠度；
基于重叠度计算级粗粒度模式下的复杂度/>，并基于复杂度/>计算复杂度因子C；
基于复杂度因子C得到样品池中样品的相变以及材料分布。
进一步地，光谱数据初始化公式如下：
初始化光谱数据进行级/>级粗粒化的公式如下：
复杂度的计算公式如下：
复杂度因子C的计算公式如下：
其中，表示原始光谱数据，/>表示初始化后的光谱数据，/>表示离散数据，L表示光谱数据数组长度，/>表示最高级粗粒度，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示光谱数据被粗粒化后分成的组数，/>表示1，2，3···/>…组内的最大个数，表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示数据数组矩阵的Hadamard积，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示表示/>级粗粒化和/>级粗粒化之间的差异重叠度，/>为/>级粗粒度模式下的复杂度。
进一步地，控制系统还包括光纤和用于对样品池发射光谱信号进行聚焦收集的聚焦镜，聚焦镜通过光纤与光谱仪连接。
进一步地，所述载物机构包括X轴运动平台、Z轴运动平台和载物台，X轴运动平台固定于Z轴运动平台的伸缩端，载物台滑动设置于X轴运动平台上，一至多个样品池设置于载物台上。
进一步地，当载物台上设置多个样品池时，多个样品池在X轴运动平台的运动方向上依次设置，并距离X轴运动平台同侧边沿的垂直距离相同。
进一步地，控制系统还包括给实验提供稳定黑暗环境的保护仓，控制电源、激光光源、光谱仪和、载物机构均设置于保护仓中。
一种基于复杂度分析的光谱检测控制方法，包括如下步骤：
步骤一、基于控制电源对激光光源的输出参数进行配置，并确定载物机构的X轴和Z轴坐标，以将样品池运动到采集区域，样品池设置于载物机构上；
步骤二、激光光源发出的光源通过样品池激发样品产生发射光，然后被光谱仪采集，得到光谱数据，光谱仪基于光谱数据计算复杂度和复杂度因子C，并将光谱数据、复杂度/>和复杂度因子C保存；
步骤三、若对样品池的采集未结束，则通过载物机构运动将下一个样品池或者同一个样品池的不同位置移动到采集位置；
步骤四、基于步骤二得到下一个采样位置的光谱数据、复杂度和复杂度因子C，直至所有待采样位置采样完毕。
进一步地，在步骤三中，载物机构的运动通过上位机发送X轴运动距离ΔX和Z轴运动距离ΔZ进行运动。
本发明提供的一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法的优点在于：本发明结构中提供的一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统及方法，将光学、机械和电子结合，将激光光源、运动的载物机构、光谱仪实现了联合的控制，实现对样品采集以及单样品不同位置采集，简化了测量过程，无需单独操作各部分设备，节省了测量时间成本；通过多步重整方法计算得到复杂度因子C，复杂度因子C能够准确地检测物质的相变（该临界行为在物理学中的定义为光谱的复杂度的极大和极小值）以及材料分布不均匀性判别（克服传统不均匀性测量的局限，最大化反映样品材料本身的化学不均匀性）等应用中。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为基于复杂度分析的光谱检测控制方法的流程图；
图3为上位机对获取到的光谱数据进行处理的流程图；
图4为上位机的前面板示意图；
图5（a）表示三种样品的光谱数据曲线图，图5（b）表示三种样品的粗粒度-数据的曲线图，图5（c）表示三种样品的复杂度因子C数据直方图；
图6（a）表示单个样品在不同局部区域下的光谱数据曲线图，图6（b）表示单个样品不同局部区域下的粗粒度-数据的曲线图，图6（c）表示单个样品在不同局部区域的复杂度因子C数据直方图；
其中，1-控制电源，2-激光光源，3-光谱仪，4-载物机构，5-样品池，6-保护仓，7-聚焦镜，8-光纤，41-X轴运动平台，42-Z轴运动平台。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
如图1至6（c）所示，本发明提出的一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统，包括控制电源1、激光光源2、光谱仪3和可运动的载物机构4，控制电源1用于给激光光源2供电并控制激光光源2的输出，激光光源2用于向载物机构4上样品池5发射光源，光谱仪3用于接收样品池5的发射光信号，并将采集到的光谱数据上传到上位机。
控制电源1可以适配多种不同型号、不同波长、不同功率的激光光源2，同时可以控制激光光源2的电流电压调控，便于通过调整激光光源2的输出从而调整光谱仪3收集的光谱数据，以得到较为准确的光谱数据。
激光光源2可以采用低功率光源，防止功率过高对样品产生损伤。样品池5上设置有用于夹持样品的夹持机构，多个样品池5可以夹持不同种的样品，通过载物机构4的运动实现不同样品池5在检测区域的切换，以进行多样品检测；因而本实施例将光学、机械和电子结合，将激光光源2、运动的载物机构4、光谱仪3实现了联合的控制，简化了测量过程，无需单独操作各部分设备，节省了测量时间成本。
本实施例由上位机保存光谱数据以及由光谱数据计算得到的其他数据，实现了测试分析一体化，能根据光谱数据直接获得复杂度和复杂度因子C，无需在测试后额外进行数据处理分析，能获取直观的复杂度特征。
具体地，控制系统还包括光纤8和用于对样品池5发射光信号进行聚焦收集的聚焦镜7，聚焦镜7通过光纤8与光谱仪3连接。聚焦镜7可以对样品的发射光区域进行聚焦采集，通过光纤8无损输送到光谱仪3中，激光照射在样品局部区域，聚焦镜7收光部分采用背摄氏收光，这种方式采集光谱信号的信噪比更高。
另外，控制系统还包括给实验提供稳定黑暗环境的保护仓6，控制电源1、激光光源2、光谱仪3、载物机构4、聚焦镜7和光纤8均设置于保护仓6中，保护仓6可以给实验提供稳定的黑暗环境，排除其他信号的干扰。
另外，载物机构4包括X轴运动平台41、Z轴运动平台42和载物台，X轴运动平台41固定于Z轴运动平台42的伸缩端，载物台滑动设置于X轴运动平台41上，一至多个样品池5设置于载物台上。当载物台上设置多个样品池5时，多个样品池5在X轴运动平台41的运动方向上依次设置，并距离X轴运动平台41同侧边沿的垂直距离相同，该侧边对应为X轴运动平台41运动方向的两侧边。
X轴运动平台41的运动方向与激光光源2输出的激光方向垂直，用于逐个切换不同位置的样品池5，实现多样品采集，Z轴运动平台42与X轴运动平台41的运动方向垂直，用于升降样品池5，可以实现单个样品的局部区域采集。
通过设置X轴运动平台41和Z轴运动平台42，实现了多样品采集以及单样品的不同局部区域采集。多样品采集可以直接节省人力测试资源，简化测量过程，只需一次性放入多个样品即可开展一系列的样品数据测量和数据保存，测试工程师无需单独操作各部分设备，也无需每次测试完毕后更换样品；单样品不同局部区域采集，可以获得对应各个区域的发射光谱以及复杂度因子，可以用来判断样品不均匀性。
上位机对获取到的光谱数据进行处理，处理过程如下：
（A1）将光谱数据初始化后进行级和/>级粗粒化，并计算/>级和/>级粗粒度模式下的新光谱数据，得到在/>级和/>级粗粒度模式下光谱数据的重叠度。
上位机首先获取光谱仪3上传的光谱数据，并对光谱数据通过如下公式进行最小值归一化的初始化操作：
其中，表示原始光谱数据，/>表示初始化后的光谱数据，/>表示离散数据。
然后按照以下公式对数据进行k级粗粒化：
其中，表示在k级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示光谱数据数组在k级粗粒化后的新光谱数组，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示光谱数据被粗粒化后分成的组数，当进行/>级粗粒化时，将/>级粗粒化中的/>替换成/>即可，即然后按照以下公式对数据进行/>级粗粒化：
按照上述和/>公式计算/>级和/>级粗粒度模式下的新光谱数据，以得到在/>级和/>级粗粒度模式下各组光谱数据的自身重叠度/>和差异重叠度/>：
其中，表示光谱数据数组长度，/>表示最高级粗粒度，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示光谱数据被粗粒化后分成的组数，/>表示1，2，3，4···/>···组内的最大个数，/>表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，每块内数据重整，表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示数组矩阵的Hadamard积，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示表示/>级粗粒化和/>级粗粒化之间的差异重叠度。
（A2）基于重叠度计算级粗粒度模式下的复杂度/>，并基于复杂度/>计算复杂度因子C。
复杂度是/>级粗粒度模式下的复杂度，表示各个层级复杂度对特征的贡献，通过如下公式计算：
判断是否等于预先设定的最高级粗粒度/>，若是满足则基于/>至/>之间的计算复杂度因子C，若是不满足则继续计算下一级/>的复杂度/>，直至达到最高级粗粒度/>，通过如下公式计算复杂度因子C：
可以理解的是，为0时表示原始模式未经过粗粒化。
（A3）基于复杂度因子C得到样品池5中样品的相变以及材料分布。
上位机将光谱数据、复杂度、复杂度因子C保存，复杂度因子C能够准确地检测物质的相变（该临界行为在物理学中的定义为光谱的复杂度的极大和极小值）以及材料分布不均匀性判别（克服传统不均匀性测量的局限，最大化反映样品材料本身的化学不均匀性）等应用中。
特别说明的是，基于本实施例中的光谱检测控制系统，通过移动X轴运动平台41可以实现对多个样品池5中样品的自动采集和分析，得到多个样品的光谱信号、复杂度C和，也可以通过Z轴运动平台42驱动载物台的上下运动，以实现对单个样品的不同局部位置进行光谱信号的采集和分析，得到同个样品不同位置的光谱信号、复杂度C和/>。因而上位机通过对光谱数据的多步重整化计算方式，可以在用于光谱分析中来准确地检测物质的相变、非平衡系统的动力学变化以及材料分布不均匀性判别等应用中。
作为一实施例：
如图2所示，将样品分别放入载物台上的样品池5中，首先给光谱检测控制系统供电，完成装置自检后，配置可编程电源串口，对其进行串口通讯，由于本发明的装置是近距离通讯，因此采用串口通讯方式，无需奇偶校验，波特率为9600。输入激光光源2的电压和电流，针对不同的激光光源2，可以输入合适的电压、电流值。将样品放入样品池内后，写入初始样品的X坐标和Z坐标，给X轴运动平台41、Z轴运动平台42发送运动指令。
X轴运动平台41、Z轴运动平台42运动到位后，提示是否进行多样品采集。若是，则输入采集时长，将采集时长通过串口通讯传输设置给光谱仪3，判断X轴运动平台41、Z轴运动平台42是否运动到位，运动到位后，上位机给控制电源1发送指令，开启激光光源2，上位机给光谱仪3发送开启光谱信号采集指令，光谱采集完毕后，上位机收取光谱仪3反馈指令，然后上位机给光谱仪3发送关闭光谱信号采集指令，上位机将光谱仪3采集得到的光谱信号，通过多步重整化的计算方法，进行复杂度分析，分析获得复杂度曲线，并获得复杂度因子C，将获得的光谱数据、复杂度/>、复杂度因子C保存到本地，判断是否所有样品采集完毕，若完毕则结束，若未完毕，则给X轴运动平台41、Z轴运动平台42发送ΔX、ΔZ运动指令，将下一个样品池移动到激光光源22所发射的激光光斑区域，并进行同样的样品采集分析，直至所有样品采集完成。
若不进行多样品采集，则直接输入采集时长，开光，光谱仪3启动采集，光谱仪3采集完毕后，关闭激光光源2，上位机将获得的光谱仪3的光谱数据进行复杂度分析，分析获得复杂度曲线，并获得复杂度因子C，将所有数据保存在本地后结束。若需要对单一样品的不同局部区域采集，只需要在多样品采集模式中，将给X轴运动平台41、Z轴运动平台42发送的运动指令ΔX、ΔZ设为局部区域的相对位置值即可。该模式可实现对样品不均匀性的发射光谱信号分析。
在计算复杂度因子C中，具体如图3所示，首先上位机获取得到光谱数据，将原始数据进行最小值归一化处理，然后进行，/>级粗粒化处理，得到/>，/>级粗粒化处理的新光谱数据，分别计算/>，根据公式计算/>，判断是否/>等于/>，若不是则令/>，进行下一级的粗粒化处理，计算复杂度/>，若是则结束多步重整化计算，计算复杂度因子C。最后保存所有的/>和C。
如图4所示上位机的前面板，上位机采用软件Labview进行开发，该程序人机界面简洁清晰，使用方便。光源控制部分，包括配置串口端口号、电压、电流，这种方式只需更改电压电流参数，就能适配各种不同功率、波长、型号的激光光源。样品初始位置，可以通过输入样品位置X，样品位置Z，点击go，将初始样品运动到采集区域。采集时长设置，是针对光谱仪3的信号采集设定的，采集时长越长，信噪比越高，数据质量越好，但测试时间越久，因此采集时长需要选择合适的大小。复杂度C用于显示复杂度因子C的数值，将光谱数据、和C均保存至文件路径的文件中。下方两个曲线图，分别用于显示测试采集的光谱数据和分析获得粗粒度-/>数据。
如图5（a）至图5（c）为多样品采集时，不同样品（0.2mg/ml聚三己基噻吩-苯甲醚（P3HT/Anisole）,0.2 mg/ml聚三己基噻吩-四氢呋喃（P3HT/THF），0.2 mg/ml聚三己基噻吩-氯苯（P3HT/CB））的光谱数据和分析获得粗粒度-C k数据和复杂度因子C，其中每个样品放置在一个样品池5中，即，三个不同样品放置在三个样品池5中。三种样品X,Z坐标分别为（0，15），（42，15），（84，15），单位为mm，已知，三种溶剂对P3HT的溶解度排序为：CB>THF>Anisole。
从图5（a）至图5（c）可以看到溶解度的逐渐降低会诱导溶液中分子聚集，导致发光光谱的有序性逐渐增强，复杂度随之降低。在粗粒度k=7时，C k取最大值，此时对应的特征空间尺度约为50 nm，反映在光谱空间的特征峰宽约为50 nm，对复杂度贡献最大。由以上分析可知，同种浓度下，溶解度越低的样品越容易诱导分子聚集形成聚集体，复杂度C k与材料聚集体浓度呈现负相关关系，即聚集体越多复杂度越低；聚集体浓度越高，材料结构越有序，光谱采集区域越一致，复杂度越低。
如图6（a）至图6（c）所示为单个样品（10mg/ml聚三己基噻吩-苯甲醚（P3HT/Anisole）溶液滴在载玻片上形成薄膜）在不同位置采集的光谱数据和分析获得粗粒度-C k曲线数据，从而计算得到复杂度因子C数值，不同位置X,Z坐标分别为（0，13），（0，18），（0，23），单位为mm，分别对应测试样品的局部区域为从液滴中心到液滴边缘。
如图6（a）至图6（c），在激光的作用下，采集不同局部区域的发光光谱，发现发光范围均在600 nm-800 nm波段，说明不同区域的高分子化学性质相同。但从图6（c）中发现，复杂度因子C具有空间分布特性，从中心到边缘处呈现明显升高趋势，这说明由样品中心到边缘聚集体分布浓度明显下降，也就是说，复杂度升高的原因是样品的聚集体浓度（即有序结构浓度）降低，这与实验特征相验证，即液滴中间聚集体分布多，周围浓度降低。图6（c）绘制了复杂度因子C的空间分布特点，提供了样品排列复杂程度不均匀的实验证据。且根据图6（b）可知在粗粒度=2时，/>最大，说明此样品在此特征空间中复杂度贡献最多。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，包括控制电源（1）、激光光源（2）、光谱仪（3）和可运动的载物机构（4），控制电源（1）用于给激光光源（2）供电并控制激光光源（2）的输出，激光光源（2）用于向载物机构（4）上样品池（5）发射光源，光谱仪（3）用于接收样品池（5）样品发射光信号，并将采集到的光谱数据上传到上位机；
上位机对获取到的光谱数据进行处理，处理过程如下：
将光谱数据初始化后进行级和/>级粗粒化，并计算/>级/>级粗粒度模式下的新光谱数据，得到在/>级/>级粗粒度模式下光谱数据的重叠度；
基于重叠度计算级粗粒度模式下的复杂度/>，并基于复杂度/>计算复杂度因子C；
基于复杂度因子C得到样品池（5）中样品的相变以及材料分布。
2.根据权利要求1所述的基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，光谱数据初始化公式如下：
初始化光谱数据进行级/>级粗粒化的公式如下：
复杂度的计算公式如下：
复杂度因子C的计算公式如下：
其中，表示原始光谱数据，/>表示初始化后的光谱数据，/>表示离散数据，/>表示光谱数据数组长度，/>表示最高级粗粒度，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示在第/>到第/>范围内的光谱数据进行局部均值化处理，/>表示光谱数据被粗粒化后分成的组数，/>表示1，2，3，···/>···组内的最大个数，表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示在/>级粗粒化程序的迭代中光谱数据分成的块数，/>表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示光谱数据数组在/>级粗粒化后的新光谱数组，/>表示数组矩阵的Hadamard积，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示/>级粗粒化自身的重叠度，/>表示表示/>级粗粒化和/>级粗粒化之间的差异重叠度，/>为/>级粗粒度模式下的复杂度。
3.根据权利要求1所述的基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括光纤（8）和用于对样品池（5）样品发射光信号进行聚焦收集的聚焦镜（7），聚焦镜（7）通过光纤（8）与光谱仪（3）连接。
4.根据权利要求1所述的基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，所述载物机构（4）包括X轴运动平台（41）、Z轴运动平台（42）和载物台，X轴运动平台（41）固定于Z轴运动平台（42）的伸缩端，载物台滑动设置于X轴运动平台（41）上，一至多个样品池（5）设置于载物台上。
5.根据权利要求4所述的基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，当载物台上设置多个样品池（5）时，多个样品池（5）在X轴运动平台（41）的运动方向上依次设置，并距离X轴运动平台（41）同侧边沿的垂直距离相同。
6.根据权利要求3所述的基于复杂度分析的光谱检测控制系统，其特征在于，控制系统还包括给实验提供稳定黑暗环境的保护仓（6），控制电源（1）、激光光源（2）、光谱仪（3）、载物机构（4）、聚焦镜（7）和光纤（8）均设置于保护仓（6）中。
7.一种基于复杂度分析的光谱检测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、基于控制电源（1）对激光光源（2）的输出参数进行配置，并确定载物机构（4）的X轴和Z轴坐标，以将样品池（5）运动到采集区域，样品池（5）设置于载物机构（4）上；
步骤二、激光光源（2）发出的光源通过样品池（5）激发样品产生发射光，然后被光谱仪（3）采集，得到光谱数据，光谱仪（3）基于光谱数据计算复杂度和复杂度因子C，并将光谱数据、复杂度/>和复杂度因子C保存；
步骤三、若对样品池（5）的采集未结束，则通过载物机构（4）运动将下一个样品池（5）或者同一个样品池（5）的不同位置移动到采集位置；
步骤四、基于步骤二得到下一个采样位置的光谱数据、复杂度和复杂度因子C，直至所有待采样位置采样完毕。
8.根据权利要求7所述的基于复杂度分析的光谱检测控制方法，其特征在于，在步骤三中，载物机构（4）的运动通过上位机发送X轴运动距离ΔX和Z轴运动距离ΔZ进行运动。
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