一种用于LIBS数据的自适应光谱漂移修正方法

一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法
技术领域
1.本发明涉及光谱漂移修正技术领域，尤其是涉及一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法。


背景技术：

2.随着激光诱导击穿光谱libs在行星矿物成分分析领域不断发挥出重要的作用，高精度的数据预处理也成为了libs的研究热点之一。而由于行星复杂环境的影响，不同载荷或同一载荷在不同探测环境下对同一目标获取libs光谱时，光谱仪内部的应力会发生变化，导致光栅衍射的光在ccd表面的分布会发生漂移。这种漂移会导致不同libs数据的同一特征峰位置存在差异，进而导致后续物质成分分析时，同一目标的多条libs光谱分析结果不一致，影响行星表面物质成分分析的准确性。
3.现有的光谱漂移修正方法存在两个方面的缺陷：
4.1)修正目的：现有的方法主要是为了获得像素和波长之间的关系，而不是纠正光谱漂移。尽管重新校准的结果在一定程度上有助于纠正个别像素位置上存在的漂移，但漂移仍然存在。这是由于仪器的分辨率有限，两个像素之间仍然存在较大的波长间隔。这使得元素特征峰的位置通常分布在两个像素之间。现有的校准方法只是使(charge-coupled device)ccd中各个像素所对应的波长更加精确，但并没有对位于像素之间的位置进行校正。
5.2)标准峰位选择方式：现有的校正方法在选择标准特征峰的方式上具有很强的主观性，不具有一般的指导性。同时，它们没有考虑到libs数据的每个通道内特征峰的不均匀分布。如在特征峰分布程度不同的通道内进行平均分段方法的适用性会降低校正的效果和精度。
6.因此，亟需设计一种考虑特征峰峰位分布以及自适应选择标准峰位的光谱漂移修正方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.根据本发明的第一方面，提供了一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，该方法包括以下步骤：
10.步骤s1、对参考光谱进行自适应分段，将光谱中显著特征峰分离至不同分段，获取参考光谱的分段结果；
11.步骤s2、将步骤s1中参考光谱分段结果应用于待校正激光诱导击穿光谱libs，获取待校正激光诱导击穿光谱libs的分段结果；
12.步骤s3、自动化对比参考光谱与待校正光谱各分段内强度最大的特征峰间距，对
满足距离约束的分段进行自适应修正，完成待校正激光诱导击穿光谱libs数据的谱线漂移修正。
13.优选地，所述步骤s1中的自适应分段包括元素寻峰和峰位合并。
14.优选地，所述元素寻峰具体为：
15.输入参考光谱s与寻峰数量n；
16.通过二阶差分寻找极大值的方法，输出参考光谱s中强度前n的特征峰cp。
17.优选地，所述峰位合并包括：1)获取合并区间；2)峰位合并。
18.优选地，所述获取合并区间，具体为：寻找特征峰cpi左右强度首次小于设定强度阈值t的像素位置pir，pil，获取特征峰cpi的合并区间ui。
19.优选地，所述峰位合并为一循环遍历过程，按强度大小，找出当前未被合并的强度最大的特征峰cpi后，依次判断其余未被合并的特征峰cpj是否落入合并区间ui中；若落入，则将cpj合并入特征峰cpi的分段中，反之，则不进行合并；在遍历合并完所有特征峰后，获得最终分段数量与各分段范围。
20.优选地，所述步骤s3中满足距离约束的分段，其校正判断具体为：寻找参考光谱s在第i个分段中的强度最大的特征峰位pstr后，生成待校正数据中对应特征峰的可能存在区间ppos＝[pstr-m,pstr+m]；其中，m为距离阈值；
[0021]
若待校正数据第i个分段中强度最大的特征峰位sstr落入可能存在区间ppos中，该段则需要进行校正；反之，则不能进行校正。
[0022]
优选地，所述步骤s3中的自适应修正具体为：
[0023]
1)计算满足分段内pstr与sstr的距离d与像素位置距离d；
[0024]
2)通过判断d与0的大小，判定sstr的平移修正方向，如果d小于0，将待校正数据第i个分段整体向左平移d个像素；如果d大于0，则将待校正数据第i个分段整体向右平移d个像素：
[0025]
d＝pstr
–
sstr
[0026]
d＝|d|。
[0027][0028]
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
[0029]
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031]
1)本发明采用自适应分段的方式，减少了不同分段内各个特征峰校正结果之间的高相关性，并通过局部自适应修正特征峰峰位漂移的方式，提高了谱线漂移修正的精度，具有适用数据类型广、分类精度高、结果鲁棒性好等优点；
[0032]
2)本发明可以根据libs数据中特征峰的位置分布，实现不同分辨率通道下的光谱漂移自适应校正；
[0033]
3)本发明的方法不仅可以修正同一仪器的不同时刻libs数据之间的差异，还可以消除不同仪器之间libs数据的不一致性，应用广泛。
附图说明
[0034]
图1为本发明的流程示意图；
[0035]
图2为本发明实施例中所运用的参考光谱与用以校正的光谱；
[0036]
图3为本发明实施例中参考光谱在仪器第一通道(240-340nm)范围内的自适应分段结果；
[0037]
图4为本发明实施例中参考光谱在仪器第二通道(340-540nm)范围内的自适应分段结果；
[0038]
图5为本发明实施例中参考光谱在仪器第三通道(540-850nm)范围内的自适应分段结果；
[0039]
图6为本发明实施例中待校正光谱校正前后与参考光谱在第一通道内强度最大特征峰处峰位对比情况示意图；
[0040]
图7为本发明实施例中待校正光谱校正前后与参考光谱在第二通道内强度最大特征峰处峰位对比情况示意图；
[0041]
图8为本发明实施例中待校正光谱校正前后与参考光谱在第三通道内强度最大特征峰处峰位对比情况示意图。
具体实施方式
[0042]
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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例
[0044]
如图1所示，本实施例给出了一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，具体包括以下步骤：
[0045]
步骤s1、对参考光谱进行自适应分段，将光谱中显著特征峰分离至不同分段，获取参考光谱的分段结果；
[0046]
自适应分段包括元素寻峰和峰位合并。
[0047]
元素寻峰具体为：输入参考光谱s与寻峰数量n；通过二阶差分寻找极大值的方法，输出参考光谱s中强度前n的特征峰cp。
[0048]
峰位合并包括：
[0049]
1)获取合并区间；
[0050]
寻找特征峰cpi左右强度首次小于设定强度阈值t的像素位置pir，pil，获取特征峰cpi的合并区间ui。
[0051]
2)峰位合并：
[0052]
峰位合并为一循环遍历过程，按强度大小，找出当前未被合并的强度最大的特征峰cpi后，依次判断其余未被合并的特征峰cpj是否落入合并区间ui中；若落入，则将cpj合并入特征峰cpi的分段中，反之，则不进行合并；在遍历合并完所有特征峰后，获得最终分段数量与各分段范围。
[0053]
其中参考光谱与待校正光谱的波长范围一致。自适应分段时，寻峰数量n＝20，强
度阈值t＝0.001。图3-5为参考光谱的分段结果。
[0054]
步骤s2、将s1中参考光谱分段结果应用于待校正光谱，获得待校正光谱分段结果。
[0055]
步骤s3、自动化对比参考光谱与待校正光谱各分段内强度最大的特征峰间距，对满足距离约束的分段进行自适应修正，完成待校正libs数据的谱线漂移修正，具体为：
[0056]
校正判断，具体为：通过寻找参考光谱s在第i个分段中的强度最大的特征峰位pstr后，生成待校正数据中对应特征峰的可能存在区间ppos＝[pstr-m,pstr+m]；其中，m为距离阈值；
[0057]
若待校正数据第i个分段中强度最大的特征峰位sstr落入可能存在区间ppos中，该段则需要进行校正；反之，则不能进行校正。
[0058]
自适应修正，具体为：
[0059]
1)计算满足分段内pstr与sstr的距离d与像素位置距离d；
[0060]
2)通过判断d与0的大小，判定sstr的平移修正方向，如果d小于0，将待校正数据第i个分段整体向左平移d个像素；如果d大于0，则将待校正数据第i个分段整体向右平移d个像素：
[0061]
d＝pstr
–
sstr
[0062]
d＝|d|。
[0063][0064]
其中，判断是否能够校正时的阈值m设置为5，校正前后的局部光谱结果如图6-8所示。图2展示了校正前两条libs数据。
[0065]
为了对比校正后结果的有效性，选取几个明显的元素特征峰校正前后的平均漂移量作为评价指标。其中，所选取的元素峰及其在参考光谱中的峰位如表1所示，校正前后的统计结果如表2所示。
[0066]
表1.各通道强度前6特征峰(单位:纳米)
[0067][0068][0069]
表2.特征峰校正前后的漂移量统计结果(单位:纳米)
[0070][0071]
如图5～图8所示，校正后的数据在各个峰位上相较于校正前更加贴合参考数据中各个峰位的位置。表2中各通道特征峰位的平均漂移量也由0.1064nm、0.1350nm和0.4177nm分别降低至0.0074nm、0.0051nm和0.0122nm，相较于校正之前，各通道的平均漂移量降低了两个数量级，尤其在光谱分辨率较低的第三通道内，校正后的平均漂移量约为校正前平均漂移量的3％。上述结果不仅证明了本发明所提出方法能够有效地修正光谱之间的漂移现象，还说明了该方法在较低分辨率的光谱数据上也具有显著的漂移修正作用。
[0072]
综上，经过一系列定性和定量的实验分析的结果表明，本发明所提出的基于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，在准确去除数据间差异、实现高精度的谱线漂移修正应用上具有明显的优势。
[0073]
本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
[0074]
设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0075]
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s3。例如，在一些实施例中，方法s1～s3可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s3的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s3。
[0076]
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
[0077]
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来
编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0078]
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0079]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s1、对参考光谱进行自适应分段，将光谱中显著特征峰分离至不同分段，获取参考光谱的分段结果；步骤s2、将步骤s1中参考光谱分段结果应用于待校正激光诱导击穿光谱libs，获取待校正激光诱导击穿光谱libs的分段结果；步骤s3、自动化对比参考光谱与待校正光谱各分段内强度最大的特征峰间距，对满足距离约束的分段进行自适应修正，完成待校正激光诱导击穿光谱libs数据的谱线漂移修正。2.根据权利要求1所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述步骤s1中的自适应分段包括元素寻峰和峰位合并。3.根据权利要求2所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述元素寻峰具体为：输入参考光谱s与寻峰数量n；通过二阶差分寻找极大值的方法，输出参考光谱s中强度前n的特征峰cp。4.根据权利要求2所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述峰位合并包括：1)获取合并区间；2)峰位合并。5.根据权利要求4所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述获取合并区间，具体为：寻找特征峰cp
i
左右强度首次小于设定强度阈值t的像素位置p
i
r，p
i
l，获取特征峰cp
i
的合并区间u
i
。6.根据权利要求4所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述峰位合并为一循环遍历过程，按强度大小，找出当前未被合并的强度最大的特征峰cp
i
后，依次判断其余未被合并的特征峰cp
j
是否落入合并区间u
i
中；若落入，则将cp
j
合并入特征峰cp
i
的分段中，反之，则不进行合并；在遍历合并完所有特征峰后，获得最终分段数量与各分段范围。7.根据权利要求1所述的一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述步骤s3中满足距离约束的分段，其校正判断具体为：寻找参考光谱s在第i个分段中的强度最大的特征峰位pstr后，生成待校正数据中对应特征峰的可能存在区间ppos＝[pstr-m,pstr+m]；其中，m为距离阈值；若待校正数据第i个分段中强度最大的特征峰位sstr落入可能存在区间ppos中，该段则需要进行校正；反之，则不能进行校正。8.根据权利要求7所述一种用于libs数据的自适应光谱漂移修正方法，其特征在于，所述步骤s3中的自适应修正具体为：1)计算满足分段内pstr与sstr的距离d与像素位置距离d；2)通过判断d与0的大小，判定sstr的平移修正方向，如果d小于0，将待校正数据第i个分段整体向左平移d个像素；如果d大于0，则将待校正数据第i个分段整体向右平移d个像素：d＝pstr
–
sstrd＝|d|。9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在
于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～8任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～8中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种用于LIBS数据的自适应光谱漂移修正方法，该方法包括以下步骤：步骤S1、对参考光谱进行自适应分段，将光谱中显著特征峰分离至不同分段，获取参考光谱的分段结果；步骤S2、将步骤S1中参考光谱分段结果应用于待校正光谱，获取待校正光谱分段结果；步骤S3、自动化对比参考光谱与待校正光谱各分段内强度最大的特征峰间距，对满足距离约束的分段进行自适应修正，完成待校正LIBS数据的谱线漂移修正。与现有技术相比，本发明采用自适应分段的方式，减少了不同分段内各个特征峰校正结果之间的高相关性，并通过局部自适应修正特征峰峰位漂移的方式，提高了谱线漂移修正的精度，具有适用数据类型广、分类精度高、结果鲁棒性好等优点。等优点。等优点。


技术研发人员：柳思聪 曾浩峰 童小华 王泓鹏 谢欢 冯永玖 金雁敏 王超 许雄 叶真 刘世杰 陈鹏
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/20