一種用于x射線熒光光譜本底扣除的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種X射線熒光光譜本底扣除方法，屬于光譜處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 能量色散X射線熒光（EDXRF)光譜儀從20世紀70年代初跨入分析儀器行業(yè)以 來，就以其分析速度快、準確度高、對試樣無污染等優(yōu)點，在鋼鐵冶金、石油化工、地質(zhì)礦產(chǎn)、 文物鑒定、生物醫(yī)學等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的作用。特別是歐盟RoHS指令的執(zhí)行，使其得 到了更廣泛的應用。
[0003] 能量色散X射線熒光光譜分析技術(shù)利用激發(fā)源產(chǎn)生X射線，照射到樣品上，激發(fā)出 樣品中所含元素的特征X射線，探測器接受特征X射線并將其轉(zhuǎn)化成電信號，之后由濾波放 大電路處理并進行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在存儲器中，存儲器地址與AD轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值相對 應，之后將存儲器中數(shù)值傳送到上位機顯示光譜。通過對光譜特征峰定位，可以得出樣品中 所含元素的種類，通過對特征峰面積的計算，與標樣校正后即可得到樣品中所含元素的含 量。
[0004] 但是在光譜產(chǎn)生的過程中存在很多干擾，除了高頻噪聲外，還有低頻本底。本底的 產(chǎn)生原因是多方面的，并且與儀器的配置有密切的關(guān)系。主要來源包括：（1)宇宙射線；（2) 環(huán)境中的輻射；（3)探測器及放大濾波電路等電子元器件產(chǎn)生的堆積；(4)樣品的輻射（對 于放射性樣品來說）；（5)樣品、分光晶體及X射線光路中其他元件造成的二次輻射；(6)X 射線管的原級X射線。前兩種本底來源不可避免，其對本底的貢獻約為2c 〇unts/S ;對于探 測器及放大器造成的本底，由于它們的能量較小，可以通過一定的設(shè)施濾除一部分。樣品之 間間隔的空氣會散射X射線管中的連續(xù)譜、目標靶的特征X射線和其他射線，另外空氣中氬 氣的特征X射線也會對本底構(gòu)成一定影響。樣品對原級X射線的散射及樣品發(fā)射出的射線 會造成部分甚至完全與特征X射線的光譜相重疊。晶狀樣品可能會將原級光譜中的特定的 波長成分造成衍射。準直器也會散射、衍射并反射通過準直器的X射線，并且其自身的特征 X射線也會被激發(fā)。這六條來源中，最后一條原級X射線中的連續(xù)譜是構(gòu)成本底的主要成 分。
[0005] 精確扣除本底能夠提高特征X射線熒光光譜凈峰面積計算的準確性，本底扣除是 XRF分析中關(guān)鍵的一步。為了扣除本底，除了在物理條件，即在產(chǎn)生熒光光譜的過程中盡量 減少干擾外，軟件算法也發(fā)揮著重要的作用。目前，用于本底扣除的方法有很多，top-hat濾 波器，函數(shù)擬合法，剝峰法，仿真本底物理模型，傅立葉變換，和小波變換等。top-hat濾波器 法是將原始光譜與top-hat濾波器相卷積，本底可以得到有效抑制，但是也會導致特征峰 產(chǎn)生嚴重的畸變。函數(shù)擬合法是結(jié)合一些分析函數(shù)，利用線性或非線性最小二乘法對光譜 進行擬合，可以同時估計本底和特征峰，常用來對本底進行擬合的函數(shù)有線性多項式、指數(shù) 多項式和軔致輻射本底等，其中軔致輻射本底是對指數(shù)多項式的一種擴展。還有一種特殊 的多項式擬合法，即正交多項式擬合法，正交意味著各個多項式之間無關(guān)，并且在計算完畢 后如果再添加一個新的多項式進行擬合，則前面各項系數(shù)仍能保持不變。函數(shù)擬合法的問 題是使用不同的模型往往具有不同的本底扣除效果，很難找到一個最優(yōu)的方法。削峰法的 思想是通過比較某通道計數(shù)和其周圍通道計數(shù)值，削去變換比較快的部分，這種方法的主 要缺點是多次迭代后，重疊峰會變成一個比較平滑的突起，很難去除。
[0006] 可見這些方法均存在其局限性。常規(guī)本底扣除方法一般依賴于本底和特征峰分布 在不同的頻率段，即本底一般分布在低頻信號段，而特征峰等有效信息則分布在較高頻率 段?？蓪嶋H上特征峰也往往會呈現(xiàn)出低頻特性。兩者的頻段常常有部分重合甚至完全覆蓋。 直接從頻域入手，選擇一個界限將兩者分開的話，常常使得計算出的本底過大或過小，從而 進一步引起特征X射線熒光光譜凈峰面積的誤差。
[0007] 為了克服以上問題，研宄者將小波分析用來進行光譜本底扣除。近年來小波分析 作為一種時頻局部化工具在信號處理、通信和光譜分析等很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。將小 波分析應用于光譜分析領(lǐng)域，可以充分發(fā)揮其多分辨率分析特性，在高頻時時間分辨率高， 低頻時頻率分辨率高，可以對光譜進行更細致的解析。
[0008] 大部分應用小波分析進行光譜本底扣除的算法都是利用其低頻逼近來直接擬合 本底，在一定程度上提高了本底擬合的準確性?？蓪嶋H上利用小波變換扣除本底仍在一定 程度上受到特征峰與本底頻率段重合的限制，當二者重合時，很難找到一個合適的分解尺 度進行分解。另外，直接用逼近來擬合本底時，常使扣除本底后的譜發(fā)生畸變，出現(xiàn)一些計 數(shù)值小于零的無實際意義的點，尤其是在純本底區(qū)域。
[0009] 利用小波變換對信號進行分析時首先要選取一個合適的小波函數(shù)，合適的小波函 數(shù)對光譜解析后具有稀疏性，即只有很少的一些系數(shù)非零，如此處理信號時極為方便。當前 選擇小波函數(shù)的方法往往是利用各種小波函數(shù)對光譜進行分析，之后選取分析效果好的一 種小波。這種方法計算量大，效率低下。
[0010] 因此，十分有必要對當前利用小波變換扣除光譜本底的算法進行改進，以更自動 更準確的扣除光譜本底。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對小波變換進行光譜本底扣除時難以選擇最優(yōu)小波函數(shù)和小波逼近擬 合本底時容易引起光譜畸變等不足，提出了一種迭代地進行小波變換扣除X射線熒光光譜 本底的方法，利用小波熵進行最優(yōu)小波函數(shù)的選取，并利用小波能量作為判斷標準以適時 的停止迭代，減少不必要的計算。這種方法能夠有效去除光譜本底的影響，進而提高特征峰 面積計算的準確性。
[0012] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案具體步驟如下：
[0013] 一種用于X射線熒光光譜本底扣除的方法，其特征在于包括如下步驟：
[0014] (1)獲取X射線熒光原始光譜，記為fi[i]，其中i表征通道值，在譜圖上表現(xiàn)為光 譜橫坐標；
[0015] (2)利用待選的若干小波函數(shù)分別對原始光譜fi[i]進行離散小波變換，繪制 f"[i]和各分解層小波逼近系數(shù)的波形，當繪制的波形圖中出現(xiàn)某一分解層小波逼近系數(shù) 曲線在所有通道上均大于含本底的光譜基線時，停止分解，該層數(shù)為最終分解層數(shù)J，分解 到J層得到小波逼近系數(shù)<[/_]和小波細節(jié)系數(shù)，j = 1，2,…，J ;
[0016] 在離散小波變換中，總存在一些小波分解層數(shù)，使得分解后所有的本底成分都包 含在小波逼近系數(shù)中，圖形上表現(xiàn)為逼近系數(shù)曲線在所有通道上均大于含本底的光譜基 線。從這些滿足條件的分解層數(shù)中選擇較小的分解層數(shù)J，即圖形上第一次出現(xiàn)上述現(xiàn)象時 對應的分解層數(shù)，在之后的迭代進行的小波變換時也都在該尺度下分解。
[0017] (3)計算不同小波函數(shù)在分解層數(shù)J下的小波熵，取具有最小熵值的小波函數(shù)為 最優(yōu)小波函數(shù)。后面將利用最優(yōu)小波函數(shù)進行迭代小波變換。
[0018] 信號在第j層的能量Ej由小波分解細節(jié)系數(shù)q[/j的平方和表示；
[0020] 總的小波能量定義為
每層的能量分布是該層頻率段所含
有的能量與總能量之比， 基于小波能量的小波熵為 〇
[0021] (4)利用最優(yōu)小波函數(shù)對當前光譜進行迭代離散小波變換，分解層數(shù)為J，假定 當前光譜為f m[i]，第m次小波變換后得到小波逼近系數(shù)和小波細節(jié)系數(shù) 定義第m次迭代小波逼近能量：
。經(jīng)第一次小波分解后得到的小波逼 近系數(shù)計算出來的小波逼近能量就是。將本次迭代所得小波逼近能量與上 一次迭代所得小波逼近能量:^五廠1進行比較（m= 1時表示第一次迭代，沒有見4/^T1, 不進行比較），判斷兩次的小波逼近能量是否足夠接近，即是否滿足相似度容許條件
?其中e為評判標準，可以由研宄者指定。如果相似度容許條件 不能滿足或本次迭代是第一次迭代，則跳至步驟（5);如果能夠滿足相似度容許條件，則進 一步判斷是否連續(xù)三次迭代相鄰迭代的小波逼近能量均滿足相似度容許條件，若是，則認 為迭代過程近似收斂，結(jié)束迭代，跳至步驟（7);若不是，則認為迭代過程仍未收斂，跳至步 驟（5);
[0022] (5)通過比較當前光譜fm[i]和分解得到的小波逼近系數(shù) <'『