一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法、系统及设备技术方案

本申请提供一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法、系统及设备，所述方法包括：激发激光以最大能量值发射，按第一衰减度衰减后射至待测样品表面，获得原始光谱；计算原始光谱最大强度值并与光谱仪测量范围标准值进行比较，调整第一衰减度；获得针对待测样品的标准光谱；获取激光分光值，计算激光能量测量值；获取待测样品火花图像，确定火花图像的边界，计算火花面积及火花强度；将所述火花面积与火花强度作为运算参数，与标准光谱和激光能量测量值组成序列，进入神经网络算法，获取最终光谱。利用上述方法，通过火花面积、火花强度、标准光谱和激光能量测量值参数进行光谱修正，获取的最终光谱谱线均衡，可靠性强，提高了光谱分析的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法、系统及设备
本公开一般涉及LIBS检测
，具体一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法、系统及设备。
技术介绍
LIBS(LaserInducedBreakdownSpectroscopy)激光诱导击穿光谱仪是使用高峰值功率的脉冲激光照射样品，光束聚焦到一个很小的分析点。在激光照射的光斑区域，样品中的材料被烧蚀剥离，并在样品上方形成纳米粒子云团。由于激光光束的峰值能量是相当高的，其吸收及多光子电离效应增加了样品上方生成的气体和气溶胶云团的不透明性，即便只是很短暂的激光脉冲激发。由于激光的能量显著地被该云团吸收，等离子体逐渐形成。高能量的等离子体使纳米粒子熔化，将其中的原子激发并且发出光。原子发出的光可以被检测器捕获并记录为光谱，通过对光谱进行分析，即可获得样品中存在何种元素的信息，通过软件算法可以对光谱进行进一步的定性分析和定量分析。因此获取光谱的可靠性直接影响了元素的定性及定量分析，在现有技术中，通常是通过激光发出激光经过整形聚焦照射样品材料表面，通过光谱仪记录光谱。这就易造成以下几个问题：1、对应于不同的样品材料，受激光激发而发出的光子能量也存在不同，因此当通过设定值激发样品表面时，光谱仪绘制的光谱容易产生光谱强度超量程或光谱强度的最大值较低，影响测试结果。2、在绘制光谱时，样品表面的激发能量作为一项重要参数，而对于激光装置，由于经过反射镜反射或光路衰减，其激光器的设定值大于射入样品表面的激发能量值，这就导致最终绘制光谱数据的不准确。3、由于测试环境或设备的影响，绘制的光谱图像易产生谱线不均衡，导致测量结果不准确。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供可获得谱线均衡，高可靠性光谱的一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法、系统及设备。本申请第一方面提供一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法，包括以下步骤：预激发：获取激光以最大能量值Emax发射，并按照第一衰减度Ai(i＝1…N)衰减后射至待测样品表面，获得原始光谱；计算原始光谱的最大强度值Qi(i＝1…N)，并与最大标准强度值QBmax和/或最小标准强度值QBmin进行比较；判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)大于最大标准强度值QBmax时，将第一衰减度Ai(i＝1…N)按照第一预设比例提高；并继续以调节后的第一衰减度Ai+1(i＝1…N)执行预激发步骤；判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)小于最小标准强度值QBmin时，将第一衰减度Ai(i＝1…N)按照第二预设比例降低；并继续以调节后的第一衰减度Ai+1(i＝1…N)执行预激发步骤；获取标准光谱：判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)小于等于所述最大标准强度值QBmax且大于等于所述最小标准强度值QBmin时，设定与之对应的第一衰减度Ai(i＝1…N)为标准衰减度AB，并以标准衰减度AB继续执行预激发步骤，获得标准光谱。获取激光能量测量值Q：获取激光分光值Em，计算激光到达待测样品表面的激光能量测量值Q；获取火花面积及火花强度：获取待测样品火花图像；确定火花图像的边界；将火花边界内的像素点进行面积积分，计算火花面积；将火花边界内的像素点进行强度积分，计算火花强度；获取最终光谱：将所述火花面积与火花强度作为两个运算参数，与标准光谱和激光能量测量值Q组成序列，进入神经网络算法，获取最终光谱。根据本申请实施例提供的技术方案，在进行所述预激发前，还包括以下步骤：获取激光发射至待测样品表面，并获取红光以倾斜角度贯穿对焦平面的中心位置；调节待测样品的高度，随之获得待测样品实时的红光图像；判断所述红光图像上红光光斑进入镜像视野，等待所述红光图像上红光光斑移动至所述红光图像中心位置，判断所述红光图像上红光光斑处于所述红光图像中心位置时，停止调节待测样品高度并进入预激发步骤；判断所述红光图像上红光光斑未进入镜像视野，则调节待测样品高度，随之获得待测样品实时的清晰度图像；获得清晰度图像的清晰度参数并计算得到清晰度参数的最大值，调节待测样品处于该清晰度参数的最大值所对应的样品高度，进入预激发步骤。本申请第二方面提供一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测系统，包括激光发射装置，预激发装置，控制模块，处理模块；所述预激发装置包括：可调节衰减器、光谱仪；所述激光发射装置包括：激光器；所述光谱仪具有用于拍摄光谱的收集镜，所述激光器用于发射激光至待测样品表面；所述可调节衰减器用于调节所述激光器的激光强度；所述光谱仪与所述处理模块输入端连接，所述处理模块配置用于接收所述光谱的最大强度值；所述控制模块的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述控制模块的输出端与所述可调节衰减器连接；所述控制模块配置用于接收所述最大强度值并与内置于所述控制模块的最大标准强度值QBmax和/或最小标准强度值QBmin进行比较：若所述最大强度值大于所述最大标准强度值QBmax，则控制所述可调节衰减器衰减度以第一预设比例提高；若所述最大强度值小于所述最小标准强度值QBmin，则控制所述可调节衰减器衰减度以第二预设比例降低；若所述最大强度值大于等于所述最小标准强度值QBmin且小于等于所述最大标准强度值QBmax，则控制所述可调节衰减器以当前衰减度值进行衰减，控制所述光谱仪拍摄光谱并作为标准光谱。根据本申请实施例提供的技术方案，所述激光发射装置还包括：第一反射镜、第二反射镜、能量计、光束整形器、聚焦镜，激光偏转镜；使得所述激光器发射出的激光依次经过第一反射镜反射至所述可调节衰减器中，经过所述可调节衰减器进入至第二反射镜中，经过所述光束整形器整形进入聚焦镜中，经过所述聚焦镜聚焦射入所述激光偏转镜，进而经过所述激光偏转镜偏转射入至所述待测样品表面。根据本申请实施例提供的技术方案，所述所述土壤检测系统还包括分光装置，所述分光装置包括对应于所述第二反射镜设置的能量计，所述能量计与所述处理模块连接，用于实时检测所述激光经过所述第二反射镜的分光值Em；所述处理模块还配置用于：接收所述分光值Em，通过下述公式计算出激光射入待测样品表面的激光能量测量值Q；β为第二反光镜的反射率，γ为光路衰减度，所述β与所述γ均为设定值。根据本申请实施例提供的技术方案，所述所述土壤检测系统还包括火花检测装置，所述火花检测装置包括：CCD相机，所述CCD相机用于拍摄所述待测样品表面的火花图像，所述CCD相机的输出端与所述处理模块的输入端连接。所述处理模块还配置用于：接收所述火花图像；获取所述火花图像上的所有像素点；确定火花图像的边界；将火花边界内的像素点进行面积积分，计算火花面积；将火花边界内的像素点进行强度积分，计算火花强度；所述处理模块还配置用于：将所述火花面积、火花强度、标准光谱以及激光能量测量值Q组成序列，并输入至神经网络算法，输出最终光谱。根据本申请实施例提供的技术方案，所述土本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法，其特征在于：包括以下步骤：/n预激发：获取激光以最大能量值E

【技术特征摘要】
1.一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
预激发：获取激光以最大能量值Emax发射，并按照第一衰减度Ai(i＝1…N)衰减后射至待测样品表面，获得原始光谱；计算原始光谱的最大强度值Qi(i＝1…N)，并与最大标准强度值QBmax和/或最小标准强度值QBmin进行比较；
判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)大于最大标准强度值QBmax时，将第一衰减度Ai(i＝1…N)按照第一预设比例提高；并继续以调节后的第一衰减度Ai+1(i＝1…N)执行预激发步骤；
判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)小于最小标准强度值QBmin时，将第一衰减度Ai(i＝1…N)按照第二预设比例降低；并继续以调节后的第一衰减度Ai+1(i＝1…N)执行预激发步骤；
获取标准光谱：判断所述最大强度值Qi(i＝1…N)小于等于所述最大标准强度值QBmax且大于等于所述最小标准强度值QBmin时，设定与之对应的第一衰减度Ai(i＝1…N)为标准衰减度AB，并以标准衰减度AB继续执行预激发步骤，获得标准光谱。
获取激光能量测量值Q：获取激光分光值Em，计算激光到达待测样品表面的激光能量测量值Q；
获取火花面积及火花强度：获取待测样品火花图像；确定火花图像的边界；将火花边界内的像素点进行面积积分，计算火花面积；将火花边界内的像素点进行强度积分，计算火花强度；
获取最终光谱：将所述火花面积与火花强度作为两个运算参数，与标准光谱和激光能量测量值Q组成序列，进入神经网络算法，获取最终光谱。


2.根据权利要求1所述的土壤检测方法，其特征在于：在进行所述预激发前，还包括以下步骤：
获取激光发射至待测样品表面，并获取红光以倾斜角度贯穿对焦平面的中心位置；调节待测样品的高度，随之获得待测样品实时的红光图像；
判断所述红光图像上红光光斑进入镜像视野，等待所述红光图像上红光光斑移动至所述红光图像中心位置，判断所述红光图像上红光光斑处于所述红光图像中心位置时，停止调节待测样品高度并进入预激发步骤；
判断所述红光图像上红光光斑未进入镜像视野，则调节待测样品高度，随之获得待测样品实时的清晰度图像；获得清晰度图像的清晰度参数并计算得到清晰度参数的最大值，调节待测样品处于该清晰度参数的最大值所对应的样品高度，进入预激发步骤。


3.一种实现自适应谱线均衡的LIBS土壤检测系统，其特征在于：包括激光发射装置，预激发装置，控制模块，处理模块；所述预激发装置包括：可调节衰减器(3)、光谱仪(9)；所述激光发射装置包括：激光器(1)；
所述光谱仪(9)具有用于拍摄光谱的收集镜(8)，所述激光器(1)用于发射激光至待测样品(15)表面；所述可调节衰减器(3)用于调节所述激光器(1)的激光强度；
所述光谱仪(9)与所述处理模块输入端连接，所述处理模块配置用于接收所述光谱的最大强度值；
所述控制模块的输入端与所述处理模块的输出端连接，所述控制模块的输出端与所述可调节衰减器(3)连接；所述控制模块配置用于接收所述最大强度值并与内置于所述控制模块的最大标准强度值QBmax或最小标准强度值QBmin进行比较：
若所述最大强度值大于所述最大标准强度值QBmax，则控制所述可调节衰减器(3)衰减度以第一预设比例提高；
若所述最大强度值小于所述最小标准强度值QBmin，则控制所述可调节衰减器(3)衰减度以第二预设比例降低；
若所述最大强度值大于等于所述最小标准强度值QBmin且小于等于所述最大标准强度值QBmax，则控制所述可调节衰减器(3)以当前衰减度值进行衰减，并控制所述光谱仪(9)拍摄光谱并作为标准光谱。


4.根据权利要求3所述的土壤检测系统，其特征在于：所述激光发射装置还包括：第一反射镜(2)、第二反射镜(4)、光束整形器(5)、聚焦镜(6)，激光偏转镜(7)；使得所述激光器(1)发射出的激光依次经过第一反射镜(2)反射至所述可调节衰减器(3)中，经过所述可调节衰减器(3)进入至第二反射镜(4)中，经过所述光束整形器(5)整形进入聚焦镜(6)中，经过所述聚焦镜(6)聚焦射入所述激光偏转镜(7)，进而经过所述激光偏转镜(7)偏转射入至所述待测样品(15)表面。


5.根据权利要求4所述的土壤检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锐，马晓红，贺新，范东宇，
申请(专利权)人：华谱智能科技天津有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12