本文關(guān)鍵詞：能量色散型X射線熒光光譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：能量色散x射線熒光光譜分析是一種多元素分析技術(shù),可以對(duì)樣品中元素的種類和含量進(jìn)行精確測(cè)量。然而能量色散x射線熒光光譜構(gòu)成復(fù)雜、頻率成分多、譜峰重疊,而且吸收邊的存在使光譜含有很多奇點(diǎn),所以對(duì)能量色散x射線熒光光譜的分析比較困難。因此開展對(duì)能量色散X射線熒光光譜的去噪、本底扣除和特征峰解析等的研究具有十分重要的意義。光譜中的噪聲不但會(huì)導(dǎo)致光譜中出現(xiàn)偽峰,還會(huì)導(dǎo)致尋峰程序遺漏弱峰或增大峰面積誤差,本文提出了一種基于平穩(wěn)小波變換的光譜去噪算法。針對(duì)大多數(shù)閾值估計(jì)規(guī)則需要估計(jì)噪聲水平的缺點(diǎn),本文將交叉驗(yàn)證和平穩(wěn)小波變換相結(jié)合,得到了一種最優(yōu)閾值,而且最優(yōu)閾值計(jì)算過程無需估計(jì)噪聲水平。之后利用該最優(yōu)閾值,根據(jù)軟閾值函數(shù)對(duì)平穩(wěn)小波分解系數(shù)進(jìn)行閾值處理,用閾值處理過的系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),即可得到去噪后的光譜。光譜經(jīng)去噪后,信噪比得到有效的改善,均方根誤差大幅減小,而且在奇點(diǎn)附近也不會(huì)發(fā)生Gibbs現(xiàn)象。光譜中的低頻本底會(huì)影響凈峰面積的計(jì)算和峰位置的判斷,本文提出了一種基于雙樹復(fù)數(shù)小波變換的本底扣除算法。本文深入研究了利用濾波器組構(gòu)造雙樹復(fù)數(shù)小波的理論和雙樹復(fù)數(shù)小波的性質(zhì),該小波近似解析,且具有平移不變性和正交性,非常適合對(duì)能量色散X射線熒光光譜進(jìn)行本底扣除。利用雙樹復(fù)數(shù)小波對(duì)光譜進(jìn)行分解,提取大尺度的逼近系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),即可得到估計(jì)的本底,從原始光譜中減去估計(jì)的本底,即可實(shí)現(xiàn)本底扣除。與其他方法的分析結(jié)果相比,雙樹復(fù)數(shù)小波在準(zhǔn)確扣除本底的同時(shí),不會(huì)引入波形畸變。大部分本底扣除方法都依賴于特征峰和本底的頻率差異,本文根據(jù)削峰法的思想,提出了一種基于迭代小波變換的光譜本底扣除算法。根據(jù)光譜本底的分布特點(diǎn),利用小波熵原理選取了最優(yōu)小波基。對(duì)光譜進(jìn)行迭代小波分解,逐步減少逼近系數(shù)中所含有的特征峰的頻率成分,小波逼近能夠逐步接近真實(shí)本底。此外,本文還提出了小波逼近能量的概念,用以衡量本底含有能量的多少,并以此作判斷迭代停止的標(biāo)準(zhǔn)。該方法能夠獲得準(zhǔn)確的本底,不會(huì)引入波形畸變,而且對(duì)特征峰與本底頻帶重合的光譜也能夠準(zhǔn)確估計(jì)本底。譜峰重疊給峰數(shù)目、峰位和凈峰面積的計(jì)算帶來了極大的困難,本文提出了一種利用小波變換模擬導(dǎo)數(shù)進(jìn)行重疊峰解析的算法。分別利用高斯峰的一階導(dǎo)數(shù)和四階導(dǎo)數(shù)所對(duì)應(yīng)的高斯小波對(duì)光譜做連續(xù)小波變換,所得小波系數(shù)經(jīng)調(diào)整后,可以分別代替光譜的一階導(dǎo)數(shù)和四階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行譜峰解析,用來提取特征峰的拐點(diǎn)寬度、峰數(shù)目和峰位。該方法可以通過分解不同的尺度調(diào)節(jié)解析分辨率,而且具有較強(qiáng)的抗噪性。對(duì)仿真光譜和實(shí)測(cè)光譜的分析表明該方法可以準(zhǔn)確提取各特征峰的信息。本文用小波分解系數(shù)代替導(dǎo)數(shù)進(jìn)行線性組合生成零面積補(bǔ)償譜,零面積補(bǔ)償譜與原始光譜相作用后可使光譜分辨率明顯提高并且保持峰面積不變。之后將小波計(jì)算導(dǎo)數(shù)提取的峰數(shù)目、峰位和峰寬等參數(shù)作為初始值,以高斯峰作為特征峰模型,利用非線性最小二乘法對(duì)重疊峰進(jìn)行曲線擬合,得到各特征峰凈峰面積。本課題設(shè)計(jì)了一套能量色散X射線熒光光譜分析系統(tǒng),下位機(jī)采用X射線管作激發(fā)源,Si-PIN探測(cè)器檢測(cè)特征X射線,并用FPGA設(shè)計(jì)多道分析器。上位機(jī)采用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制和數(shù)據(jù)處理。最后結(jié)合《能量色散X射線熒光光譜儀校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求而且部分指標(biāo)已超過設(shè)計(jì)要求。本論文的研究,豐富了能量色散X射線熒光光譜分析的思路,能夠解決當(dāng)前存在的一些關(guān)鍵問題,對(duì)于其他領(lǐng)域的譜處理也有一定的借鑒意義。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH744.15

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本文編號(hào)：1170506