本發明屬于稀土光譜元素分析識別，尤其涉及一種面向深海稀土元素libs定量探測的光譜篩選方法、設備及存儲介質。

背景技術：

1、稀土元素(rare?earth?elements，rees)是15種鑭系元素和2種過渡金屬(鈧、釔)的總稱，已被廣泛用于先進技術與制造業。其中，深海稀土資源潛力巨大，“深海富稀土沉積”產于深海盆地中，其稀土總量一般大于700μg/g，目前已知最高可達8000μ?g/g，是陸地稀土儲量的2000多倍，近年來已成為各國的重點關注對象，預計到2035年稀土資源需求量將增加至70900噸。我國作為國際上第二個開展深海稀土調查研究的國家，亟需研發深海稀土資源探測檢測新技術、新方法，為未來資源開采提供更多的便利和保證。

2、激光誘導擊穿光譜(libs：laser-induced?breakdown?spectroscopy)作為近年來新興的一種基于等離子體輻射的元素分析技術，其利用高能激光經透鏡會聚后作用于樣品，將樣品表面燒蝕形成等離子體，得到等離子體的光譜數據，進而實現對樣品中元素進行定性和定量分析。libs具有無需樣品預處理、現場實時、無污染等優點，已廣泛應用于核聚變、文物考古、環境監測、冶金等領域。因此，libs技術完全具備開展深海稀土探測的能力。

3、libs定量分析是一種通過檢測目標元素特征譜線的光譜強度，來推斷樣品中該元素濃度的方法。其核心原理是，目標元素特征譜線強度與元素濃度成正比。在該方法中，首先需通過測量一系列已知濃度的標準樣品的特征光譜強度，繪制出光譜強度與濃度的關系曲線，即定標曲線，并進行線性擬合，從而得到光譜強度與元素濃度的數學模型。隨后，對于未知樣品，可以通過測量其光譜強度并代入定標曲線來推算出元素的濃度。然而，libs定量分析對定標曲線的精確性要求較高，而這一過程可能受到多個因素的影響，例如基體效應(樣品成分及其物理狀態對測量的干擾)、等離子體溫度和電子密度的波動等。這些因素可能導致測量誤差，從而影響定量結果的準確性。因此，libs定量分析常需結合信號優化、數據篩選等方法，以盡量降低誤差、提升分析的可靠性和準確性。

4、針對等離子體狀態波動導致定量分析準確下降的問題，現有方法是采用機器學習或深度學習技術，通過復雜算法來優化定標曲線的擬合度，使光譜強度與元素濃度的關系模型更加準確。然而，該方法需要龐大的光譜數據集和較長的運行時間，計算資源消耗較大，且訓練過程復雜，對設備性能和數據處理能力要求較高。此外，這些算法未能從本質出發，充分反映libs光譜的物理特性，如等離子體的顏色等，并不具有普適性和可解釋性。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發明公開了一種面向深海稀土元素libs定量的cie?l*a*b*數據篩選方法。根據公式計算等離子體發射光譜，也就是libs光譜所對應于cie?l*a*b*顏色空間的坐標點，實現對等離子體顏色特性的表征。由于探測條件對定量分析影響顯著，因此選擇定量最優的條件下的libs光譜，劃定其在顏色空間的區域為標準區域，對不同條件的光譜進行篩選，以提高條件波動后稀土元素定標曲線的擬合度。

2、本發明第一方面提供了一種面向深海稀土元素libs定量探測的光譜篩選方法，包括以下過程：

3、步驟1，基于搭建的libs探測系統，獲取光譜儀不同探測延時下的具有目標元素濃度梯度的多組稀土樣品的libs光譜數據，每個延時條件下包括多組稀土樣品的共k條libs光譜數據；

4、步驟2，針對獲取的libs光譜數據，建立元素定標曲線，找到定量效果最優的探測延時條件下的多組稀土樣品的共k條libs光譜數據；

5、步驟3，基于定量效果最優的探測延時條件下的k條libs光譜數據，計算每條光譜數據對應的cie?l*a*b*值，從而得到光譜映射點的坐標集；

6、步驟4，根據步驟3得到的光譜映射點坐標集，按照點集中心劃定標準區域；

7、步驟5，按照標準區域，將其他延時條件下的libs光譜數據根據步驟3轉換到ciel*a*b*顏色空間，得到其他延時條件下光譜數據映射點的坐標，落在標準區域之外的光譜數據被篩選剔除。

8、優選的，所述搭建的libs探測系統包括脈沖激光器、樣品平臺、光譜信號接收系統、光譜探測系統、時序控制系統和計算機控制系統；

9、所述脈沖激光器出光口安裝反射鏡，將脈沖激光引入后續光路中；

10、所述樣品平臺為三維移動平臺，上面放置壓制成片的樣品，激光透過二向色鏡后，經顯微物鏡聚焦于樣品表面；

11、所述光譜信號接收系統包括透鏡和光纖探頭，光譜信號接收系統采用后向收集，等離子體發出的光被二向色鏡反射，透鏡將libs光譜信號會聚到光纖探頭中，通過一根光纖連接光譜探測系統，光譜探測系統受控于時序控制系統和計算機控制系統；

12、所述光譜探測系統通過光譜儀實現；

13、所述時序控制系統通過pin管實現；一小部分激光透過反射鏡到達pin管，pin管響應后觸發光譜儀進行采集；

14、所述計算機控制系統連接光譜探測系統，用于設置光譜儀參數，并顯示所采集樣品的libs光譜。

15、優選的，所述獲取光譜儀不同探測延時下的多組稀土樣品的libs光譜數據，是在不同光譜儀探測延時下，對每組樣品每一點位連續采集p次激光脈沖的libs光譜，共采集m個點位，合計每組樣品獲得多條libs光譜，實現不同延時下樣品libs光譜的獲取。

16、優選的，所述步驟2中的定標曲線為采用一系列標準樣品建立特征譜線強度和元素含量的回歸曲線，首先根據所獲取的光譜數據，選擇稀土元素的特征譜線，以元素含量為橫坐標，不同含量下元素特征譜線強度為縱坐標，進行線性擬合，建立每個探測延時下多組樣品的共k條libs光譜數據的定標曲線并計算決定系數r2值，其值最大為1，最小為0，值越接近于1，說明模型越好，選取最接近于1的探測延時條件下的k條libs光譜數據。

17、優選的，所述步驟3的具體過程為：

18、將光譜數據轉化到cie?l*a*b*顏色空間，計算公式如下：

19、

20、式中，x、y、z為cie1931標準色度系統的三刺激值，xn、yn、zn為cie標準照明體照射在完全漫反射體上，然后反射到觀察者眼中的三刺激值，i(λ)為光源輻射的相對光譜功率分布，k為歸化系數，為cie1931標準色度觀察者光譜三刺激值，δλ為波長間隔；“l*”表示明度，表示顏色從黑到白；“a*”表示綠-紅顏色飽和度，“+a*”表示紅色，“-a*”表示綠色；“b*”表示藍-黃顏色飽和度，“+b*”表示黃色，“-b*”表示藍色；

21、根據計算公式，選取libs光譜的380-780nm可見光波段，并利用matlab進行插值，得到一定波長間隔的譜線強度值，結合光譜三刺激值，求解xyz三刺激值，得到cie?l*a*b*顏色空間中l*a*b*值，實現libs光譜數據到cie?l*a*b*顏色空間的映射，使高維光譜數據轉換為三維顏色特征，得到光譜數據映射點的坐標集。

22、優選的，所述步驟4的具體過程為：

23、計算不同元素濃度樣品光譜映射點的中心點位置，即對坐標點按照三個維度分別求解平均值，計算每個點與中心點之間的歐氏距離；將距離從小到大排序，保留前1/e個距離所對應的光譜映射點，該部分點集所涵蓋的區域即為標準區域。

24、本發明第二方面提供了一種面向深海稀土元素libs定量探測的光譜篩選設備，所述設備包括至少一個處理器和至少一個存儲器，所述處理器和存儲器相耦合；所述存儲器中存儲有計算機執行程序；所述處理器執行存儲器中存儲的計算機執行程序時，使處理器執行如第一方面所述的面向深海稀土元素libs定量探測的光譜篩選方法。

25、本發明第三方面提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質中存儲有計算機程序或指令，所述程序或指令被處理器執行時使處理器執行如第一方面所述的面向深海稀土元素libs定量探測的光譜篩選方法。

26、與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

27、本發明提出了一種可以提高深海稀土元素libs定量分析準確性的方法，通過引入cie?l*a*b*顏色空間實現對等離子體顏色的表征，利用標準區域進行篩選可以實現定標曲線線性擬合度的提升。該方法無需復雜運算，所需數據量少，能夠從等離子體發光的物理特性角度對光譜進行篩選，進而提高libs的定量分析能力。

28、本發明采集不同條件下的稀土樣品libs光譜，結合光譜強度與cie標準色度觀察者光譜三刺激值函數，將光譜映射到cie?l*a*b*顏色空間，實現對等離子體顏色的表征。對不同條件下的libs光譜進行定量分析，以定量效果最優的條件下所獲取的libs光譜為標準，劃定此時光譜映射點的中心區域，利用該標準區域約束其他光譜映射點，實現基于等離子體發光特性的光譜篩選，提升其他條件下光譜定標曲線的線性擬合度。

29、本發明方法無需復雜的數據處理手段，只需要結合數學公式進行運算就可以實現光譜向顏色空間的映射，運行時間短，所需的數據量少，適用性強，且結果有實際物理含義，具備解釋性。