[发明专利]一种智能在线优化的激光诱导击穿光谱系统

说明书

本发明公开了一种智能在线优化的激光诱导击穿光谱系统，包括依次连接的操作参数数据单元、等离子体信号激发单元、光谱信号接收单元、光谱信号质量评估单元以及操作参数调节单元，通过将最大化光谱信号信噪比为目标，利用遗传优化算法与现场可编程逻辑门阵列硬件，实现LIBS激发光路系统与LIBS收集光路系统中延迟时间、积分时间、激光能量等操作参数的实时在线调节，直接将改变操作参数得到的信号进行信噪比质量评估分析，通过优化算法计算最佳操作参数，反馈至硬件进行调节。该方法能够适用于不同待测对象，并迅速找到最优操作参数，具有高准确性，强稳定性，投资成本少等优点。

技术领域

本发明主要涉及激光诱导击穿光谱技术领域，特指一种智能在线优化的激光诱导击穿光谱系统。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术通过利用脉冲激光聚焦到待测样品上，待测样品表面被烧蚀，产生等离子体，等离子体在膨胀、演化到消失过程中自发光，使用光谱仪采集并解析等离子体的光谱信号，从而利用光谱信号特征对样品进行定性与定量分析。LIBS技术具有不受检测对象状态限制、无损快速检测等优势，成为众多领域在线成分检测的新方法。但由于检测过程中信号容易受到多种方面的噪声影响，如因点到点检测过程中样品烧蚀率不同、激光与等离子体之间耦合作用、等离子体演化过程特性的变动等造成的源噪声；光学电子原件预热、激光能量逐渐增加带来的热漂噪声；探测器工作过程中产生暗电流、散射光背景噪声；观测光路中携带能量的粒子数量少到能够引发数据读取中出现可观测到的统计涨落，即散粒噪声。前三种噪声对所有谱线干扰一致，通过内标法、归一化等处理可在一定程度消除。稳定的LIBS光谱信号是高精度检测的基础，但散粒噪声对不同特征谱线造成的干扰不同，导致检测的重复性无法保证，限制了LIBS检测技术在各领域实际应用的发展。因此，为克服散粒噪声对LIBS检测技术造成的瓶颈问题，亟需对激光诱导击穿光谱系统进行优化。

当前，弱化散粒噪声影响主要通过优化延迟时间、积分时间、激光能量等系统操作参数设置，以得到更好的光谱信噪比、更低的检测限，然而，不同样本、不同元素、甚至是相同元素的不同特征谱线，所适应的最优操作参数都不一定是相同的，目前研究人员关于LIBS系统操作参数优化的研究进展仅停留在离线试验法，即针对单一操作参数变量的消融实验得到对应的信号比，再逐个筛选出相应操作参数。这类方法有以下缺点：(1)仅对单一对象甚至是单一特征谱线有效，每更换一次待测对象(不同样品、不同元素或不同特征谱线)都需要重新进行试验；(2)每次建模都需要大量的试验数据，耗时长，工作量大；(3)参数改变步长不精细，无法真正寻到最优结果。本发明主要提出一种软硬结合的激光诱导击穿光谱系统，实现LIBS操作参数的在线智能优化，从而获取高信噪比、强稳定性的激光诱导击穿光谱信号。

专利公开号为CN209027999U的专利公开了一种激光诱导击穿光谱分析装置，包括控制器，且所述控制器与数字延时脉冲发生器、光谱仪连接，所从而实现对激发电路和信号光路同轴、提高光谱收集效率。所述装置主要在硬件层面增加了控制器，控制脉冲发生的延迟时间与光谱仪启动收集的延迟时间，但最佳的延迟时间是一直在变动的，因此装置不具备自更新能力，不能适应不同待测对象。

专利公开号为CN114894776A的发明专利公开了一种正交双脉冲激光诱导击穿光谱系统及信号稳定性增强方法,通过优化第二束激光的聚焦角度和焦平面位置,提高再加热等离子体信号的强度和稳定性,以此获得高信噪比和高稳定性的LIBS信号。所述方法是多加一组脉冲来实现信号稳定性增强的，成本增加是其中缺点之一，原始LIBS系统操作参数的选择尚未解决，又增加了一些不确定性操作参数设计，增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明提供的智能在线优化的激光诱导击穿光谱系统，解决了现有技术无法获取高信噪比和高稳定性的激光诱导击穿光谱信号的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的智能在线优化的激光诱导击穿光谱系统包括：

依次连接的操作参数数据单元、等离子体信号激发单元、光谱信号接收单元、光谱信号质量评估单元以及操作参数调节单元，其中：