能量色散型X射线荧光光谱仪关键技术研究

能量色散x射线荧光光谱分析是一种多元素分析技术,可以对样品中元素的种类和含量进行精确测量。然而能量色散x射线荧光光谱构成复杂、频率成分多、谱峰重叠,而且吸收边的存在使光谱含有很多奇点,所以对能量色散x射线荧光光谱的分析比较困难。因此开展对能量色散X射线荧光光谱的去噪、本底扣除和特征峰解析等的研究具有十分重要的意义。光谱中的噪声不但会导致光谱中出现伪峰,还会导致寻峰程序遗漏弱峰或增大峰面积误差,本文提出了一种基于平稳小波变换的光谱去噪算法。针对大多数阈值估计规则需要估计噪声水平的缺点,本文将交叉验证和平稳小波变换相结合,得到了一种最优阈值,而且最优阈值计算过程无需估计噪声水平。之后利用该最优阈值,根据软阈值函数对平稳小波分解系数进行阈值处理,用阈值处理过的系数进行重构,即可得到去噪后的光谱。光谱经去噪后,信噪比得到有效的改善,均方根误差大幅减小,而且在奇点附近也不会发生Gibbs现象。光谱中的低频本底会影响净峰面积的计算和峰位置的判断,本文提出了一种基于双树复数小波变换的本底扣除算法。本文深入研究了利用滤波器组构造双树复数小波的理论和双树复数小波的性质,该小波近似解析,且具有平移不变性和正交性,非常适合对能量色散X射线荧光光谱进行本底扣除。利用双树复数小波对光谱进行分解,提取大尺度的逼近系数进行重构,即可得到估计的本底,从原始光谱中减去估计的本底,即可实现本底扣除。与其他方法的分析结果相比,双树复数小波在准确扣除本底的同时,不会引入波形畸变。大部分本底扣除方法都依赖于特征峰和本底的频率差异,本文根据削峰法的思想,提出了一种基于迭代小波变换的光谱本底扣除算法。根据光谱本底的分布特点,利用小波熵原理选取了最优小波基。对光谱进行迭代小波分解,逐步减少逼近系数中所含有的特征峰的频率成分,小波逼近能够逐步接近真实本底。此外,本文还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,并以此作判断迭代停止的标准。该方法能够获得准确的本底,不会引入波形畸变,而且对特征峰与本底频带重合的光谱也能够准确估计本底。谱峰重叠给峰数目、峰位和净峰面积的计算带来了极大的困难,本文提出了一种利用小波变换模拟导数进行重叠峰解析的算法。分别利用高斯峰的一阶导数和四阶导数所对应的高斯小波对光谱做连续小波变换,所得小波系数经调整后,可以分别代替光谱的一阶导数和四阶导数进行谱峰解析,用来提取特征峰的拐点宽度、峰数目和峰位。该方法可以通过分解不同的尺度调节解析分辨率,而且具有较强的抗噪性。对仿真光谱和实测光谱的分析表明该方法可以准确提取各特征峰的信息。本文用小波分解系数代替导数进行线性组合生成零面积补偿谱,零面积补偿谱与原始光谱相作用后可使光谱分辨率明显提高并且保持峰面积不变。之后将小波计算导数提取的峰数目、峰位和峰宽等参数作为初始值,以高斯峰作为特征峰模型,利用非线性最小二乘法对重叠峰进行曲线拟合,得到各特征峰净峰面积。本课题设计了一套能量色散X射线荧光光谱分析系统,下位机采用X射线管作激发源,Si-PIN探测器检测特征X射线,并用FPGA设计多道分析器。上位机采用LabWindows/CVI设计了软件系统,实现对下位机的控制和数据处理。最后结合《能量色散X射线荧光光谱仪校准规范》对本系统进行了测试,各项指标均能满足设计要求而且部分指标已超过设计要求。本论文的研究,丰富了能量色散X射线荧光光谱分析的思路,能够解决当前存在的一些关键问题,对于其他领域的谱处理也有一定的借鉴意义。