一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法

摘要

本发明涉及一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法，用于单基体材料的分析，包括：光谱仪标定操作，设定各个探测器监控像素，各个监控像素的光强值组成监控光强，设定位置校正参考光谱，异常光谱剔除操作。本发明的方法能够剔除异常光谱对应的数据，提高分析数据的重复性和准确性。

权利要求

1.一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法，其特征在于，所述方法用于单基体材料的分析，包括以下步骤：光谱仪标定操作：在光谱仪标定过程中，激发样品后，多次采集光谱，平均后作为当次分析的光谱，用于标定；

光谱仪的各个探测器设定3-5个像素位置，作为监控像素；

将监控像素的光强值记录下来，组成一组向量，作为剔除异常光谱的监控光强向量；

设定位置校正参考光谱；

（5）根据计算机传输的激发参数和监控像素与光强，开始放电激发样品并采集光谱，计算受控光强与监控光强相关系数并与阈值比较，进行异常光谱剔除，具体操作如下：一、仪器根据激发参数激发样品，分组火花个数为L，则每放电L次，采集一次数据，FPGA控制电路，将探测器接受的光电信号经由A/D转换后成为数字信号，并读入FPGA的内存中，得到一条光谱数据；

二、根据计算机传输的监控像素，获取当前受控光强，计算监控光强和受控光强之间的相关系数，如果相关系数低于设定的阈值，则判断该次采集的光谱异常，则该光谱数据直接抛弃，不计入有效光谱，同时异常光谱计数加1，否则该次光谱将与之前采集到的正常光谱值进行累加，同时正常光谱计数加1；

三、当分析阶段完成时，正常光谱累加值除以正常光谱数，作为该次分析阶段的光谱数据，传输到计算机，参与后续计算。

2.根据权利要求1所述的全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法，其特征在于，所述步骤（2）中取基体元素谱线对应的像素位置，组成一组向量，作为监控像素向量。

说明书

一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法

技术领域

[0001] 本发明涉及全谱式直读光谱仪的数据采集技术领域，尤其是一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法。

背景技术

[0002] 直读光谱仪是一种精密的光学仪器，其光学结构置于密封的光室内部，在仪器的使用过程中激发样品产生的光信号进入光室，通过光学结构投射到线阵传感器上转换为电信号，然后通过电子模块转换为数字信号存储在单片机中，运行在电脑上的分析软件从单片机中读取数字信号，进行分析和计算，得到样品中各个化学元素的含量。

[0003] 直读光谱仪依据探测器可以分为通道式和全谱式两种。通道式直读光谱仪采用光电倍增光管(PMT)作为探测器，每个PMT对应于一个通道，测量一个分析元素；全谱式直读光谱仪采用电荷耦合原件(CCD)作为探测器，CCD是一种线阵探测器，每片CCD可以采集一定范围的光谱信号，可以测量多个分析元素。

[0004] 全谱式直读光谱仪的工作过程是：电极与分析样品表面之间产生高压放电，进入光室后经过分光系统产生光谱，落在线阵探测器上，线阵探测器将光信号转换为电信号，再经由A/D器件转换为数字信号，由单片机进行数据采集和预处理，然后通过以太网或者USB等数据传输方式传输给计算机，由计算机在进行后续的计算处理，换算为元素含量并显示在计算机屏幕或者打印成纸质报告。在其工作过程中，电极与分析样品表面之间进行放电产生光谱，则分析样品表面的平整度、洁净度、氩气环境的纯度等因素都会影响每次放电的效果，造成光谱的变化和波动，当分析样品表面存在杂质、气孔、裂纹，或者氩气纯度不均匀等情形时，必然产生异常光谱，如果这些异常光谱对应的数据不能有效剔除，则必然造成最终分析数据的重复性不好，甚至出现异常数据。

[0005] 通道式直读光谱仪剔除异常光谱的过程是：在分析过程中，通常持续N秒，放电频率为M，则总共放电次数为K＝N*M，分组火花个数是L(每L放电，采集一次数据)，则单次分析过程中，每个通道可以采集到P＝K/L个光强值，将这个P个光强值进行排序，两端的小部分数值，判定是异常值，直接剔除后，将中间部分数据取平均，作为该通道当次分析的光强。至于两端要剔除数据的个数，则可以根据实验结果确定。该方法可以有效的提高分析数据的重复性。

[0006] 通道式直读光谱仪剔除异常光谱的方法能够实现是因为数据量较小，简单估算，假设分析3秒，放电频率400Hz，分组火花是5个，则每个通道单次分析的光强值个数是240个，如果分析通道是20个，总共才4800个数据，对于现代的单片机和计算机，毫无难度。但是对于全谱式直读光谱仪，则不适用，全谱式直读光谱仪单次分析的光谱数据，如果每组火花对应的光谱都要保存下来，通常达到几十兆，对于FPGA或者普通单片机而言，存储和预处理都是有一定难度的。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法，能够剔除异常光谱对应的数据，提高分析数据的重复性和准确性。

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

[0009] 1.本发明一种全谱式直读光谱仪的异常光谱剔除方法，用于单基体材料的分析，包括以下步骤：包括以下步骤：

[0010] (1)光谱仪标定操作：在光谱仪标定过程中，激发样品后，多次采集光谱，平均后作为当次分析的光谱，用于标定；

[0011] (2)光谱仪的各个探测器设定3-5个像素位置，作为监控像素；

[0012] (3)将监控像素的光强值记录下来，组成一组向量，作为剔除异常光谱的监控光强向量；

[0013] (4)设定位置校正参考光谱；

[0014] (5)根据计算机传输的激发参数和监控像素与光强，开始放电激发样品采集光谱，计算受控光强与监控光强相关系数与阈值比较，进行异常光谱剔除，具体操作如下：

[0015] 一、仪器根据激发参数激发样品，分组火花个数为L，则每放电L次，采集一次数据，FPGA控制电路，将探测器接受的光电信号经由A/D转换后成为数字信号，并读入FPGA的内存中，得到一条光谱数据；

[0016] 二、根据计算机传输的监控像素，获取当前受控光强，计算监控光强和受控光强之间的相关系数，如果相关系数低于设定的阈值，则判断该次采集的光谱异常，则该光谱数据直接抛弃，不计入有效光谱，同时异常光谱计数加1，否则该次光谱将与之前采集到的正常光谱值进行累加，同时正常光谱计数加1；

[0017] 三、当分析阶段完成时，正常光谱累加值除以正常光谱数，作为该次分析阶段的光谱数据，传输到计算机，参与后续计算。

[0018] 进一步地，步骤(2)中取基体元素谱线对应的像素位置，组成一组向量，作为监控像素向量。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] 1.本发明不需要改变现有的FPGA和单片机架构，能够实现部分异常光谱的剔除。

[0021] 2.本发明的算法相对简单，可以有效的改善全谱式直读光谱仪分析数据的精密度，提升仪器的使用效果。

附图说明

[0022] 图1为采用本发明方法的全谱式直读光谱仪的操作流程图；

[0023] 图2为本发明的异常光谱剔除方法的操作流程图。

具体实施方式

[0024] 本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

[0025] 本发明适用于全谱式直读光谱仪，仅用于单基体材料的分析。

[0026] 操作流程如图1所示，详细步骤如下：

[0027] 步骤1、光谱仪标定操作，在光谱仪标定过程中，激发样品采集光谱时，并不对每组火花采集的光谱进行异常剔除，而是所有光谱全部采集，平均后作为当次分析的光谱，用于标定。该过程关注的焦点在于光谱的形状，光谱峰形的组合是否满足特定的要求，用于确定某个像素对应某个波长的谱线，对于光谱的重现性要求不高。异常光谱总是占比较低，不影响谱线的标定。

[0028] 步骤2、光谱仪的各个探测器设定3-5个像素位置，作为监控像素。通常可以取基体元素谱线对应的像素位置，组成一组向量，作为监控像素向量。

[0029] 步骤3、将各个监控像素的光强值记录下来，组成一组向量，作为剔除异常光谱的监控光强向量。

[0030] 步骤4、设定位置校正参考光谱，因为光谱仪在实际使用过程中，会受到环境因素影响，造成光谱的偏移。在光谱仪的使用过程中，每次执行位置校正时，都需要更新监控像素向量和监控光强向量。

[0031] 步骤5、建立分析曲线，激发成套标准物质(样品)采集光谱，建立光强和元素含量之间的映射关系。

[0032] 步骤6、分析样品，根据得到的光强，基于分析曲线所描述的光强和含量之间的该映射关系，即可计算出元素含量。

[0033] 在分析步骤5和步骤6中，激发样品采集光谱时，就必须执行剔除异常光谱的操作，其操作流程如图2所示，详细过程如下：计算机传输激发参数和监控像素与光强，仪器根据激发参数开始放电激发样品，分组火花个数为L，则每放电L次，采集一次数据，FPGA控制电路，将探测器接受的光电信号经由A/D转换后成为数字信号，并读入FPGA的内存中，得到一条光谱数据；根据计算机传输的监控像素，获取当前受控光强，计算监控光强和受控光强之间的相关系数，与阈值比较，如果相关系数低于设定的阈值，则判断该次采集的光谱异常，则该光谱数据直接抛弃，不计入有效光谱，同时异常光谱计数加1，否则该次光谱将与之前采集到的正常光谱值进行累加，同时正常光谱计数加1，当分析阶段完成时，计算正常平均光谱即正常光谱累加值除以正常光谱数，作为该次分析该阶段的光谱数据，与正常异常光谱计数传输到计算机，参与后续计算显示。