[發明專利]一種基于S變換的激光誘導擊穿光譜特征非線性處理方法

有效

• 申請號: 202110472572.X
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113295674B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 孫蘭香;于海斌;陳彤;齊立峰;尚棟;謝遠明
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01N21/71
• 分類號: G01N21/71
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周宇

本發明涉及一種基于S變換的激光誘導擊穿光譜特征非線性處理方法。具體步驟為：(1)對每張原始光譜經過特征提取后的新特征進行S變換，為數據分析模型引入非線性；(2)將S變換后新特征輸入多元線性回歸模型，以交叉驗證的均方根誤差尋找最優S變換展開頻率數；(3)利用確定的最優變量建立回歸模型。本發明通過使用S變換將光譜強度信號在不同頻率處進行展開，依據S變換的原理，低頻處波段窗口大，光譜強度分量對基體效應導致的譜線漂移敏感性降低，高頻處波段窗口小，因此保留了樣本中主要元素特征譜線的強度信息，提高礦漿品位分析精度，可實際應用于選礦廠現場監控礦漿品位。

技術領域

本發明屬于光譜分析領域，具體是一種基于S變換的激光誘導擊穿光譜特征非線性處理方法。

背景技術

在鐵礦廠的選礦流程中，礦漿品位是需要實時把握的動態生產指標，礦漿品位由礦石碎屑中指定礦物成分的含量確定，實際應用中大多數的分析手段直接監測礦漿的元素組成，礦物含量通常由礦漿中相應元素含量間接獲得。LIBS技術的原理是通過激光與物質相互作用產生等離子體，收集等離子體的發射光譜，在化學計量學燒蝕、等離子體處于局部熱力學平衡和光學薄條件下，特定波長位置處的譜線強度只與鐵元素在礦漿中的濃度成正比，通過鐵元素含量間接確定赤鐵礦等礦物含量，進而確定礦漿品位。

LIBS技術具有無需樣品預處理、分析時間短、全元素同時分析、可在線原位檢測的優點。然而將其應用鐵礦選礦流程直接采集礦漿的等離子體發射光譜時，由于礦漿是水和礦石碎屑的混合物，且礦石具有復雜的基體組成，基體效應將使得原子發射光譜的譜線發生復雜且難以評估的變化，導致光譜中與鐵元素濃度相關性最高的大量鐵原子線和離子線不再滿足與鐵濃度間的一元線性假設。

使用多變量線性回歸模型結合光譜特征提取方法可以提高鐵元素標定及預測的準確性，但是由于鐵礦漿的基體復雜性，基體效應的存在導致了鐵元素濃度不同的礦漿樣本發生了特征譜線強度的不一致且難以評估的漂移，也就是說提取出的譜線特征對基體效應敏感，進而導致模型對于基體效應問題具有低魯棒性。最終使得礦漿指定元素濃度品位分析不準確，這是實際生產過程遇到的難題。

因此，非線性模型如SVR、神經網絡被用于建立光譜強度-鐵元素濃度的定量回歸，然而，確定的非線性形式如SVR可能與實際的光譜強度-鐵元素濃度間的非線性關系不一致，導致訓練出的模型產生比線性回歸模型更差的結果；另一方面，深度神經網絡的訓練需要大量的帶標簽數據，而LIBS數據建模屬于小樣本問題，實際可以獲得的帶標簽樣本量遠小于光譜特征維度。上述現有技術手段的弊端或局限性無法解決實際生產過程中礦漿指定元素濃度品位分析的準確性。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是解決實際生產過程中礦漿指定元素激光誘導擊穿光譜在進行成分分析時受自吸收和基體效應影響造成的非線性導致濃度品位分析不準確的問題，提供一種基于S變換的激光誘導擊穿光譜特征非線性處理方法以提高實際生產過程中的礦漿品位分析精度。

本發明為實現上述目的提出了如下技術方案：

一種基于S變換的激光誘導擊穿光譜特征非線性處理方法，包括以下步驟：

離線建模的步驟：采集礦漿樣本的激光誘導原始光譜數據；對每張原始光譜特征進行S變換，為數據分析模型引入非線性；將S變換后新特征輸入光譜強度-濃度的多元線性回歸模型，以交叉驗證的均方根誤差尋找最優S變換展開頻率數；利用確定的最優變量對應的光譜特征優化該回歸模型；

實時檢測的步驟：利用現場設備采集現場礦漿樣本的實時光譜數據，輸入優化的光譜強度-濃度的多元非線性回歸模型，獲取礦漿中指定元素的濃度含量。

所述采集礦漿樣本的激光誘導原始光譜數據是采用激光誘導擊穿光譜儀采集的。

所述離線建模包括以下步驟：

S1、數據預處理及特征提取：對獲得的待測物質的激光誘導擊穿光譜原始數據，進行光譜歸一化和特征提取處理；