多探头远距离激光诱导击穿光谱技术研究与应用

摘要

激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS），具有无需复杂样品处理，可实时原位检测，能够对目标实施远距离检测的优点。但是目前利用LIBS技术进行远距离检测时，存在检测仪器价格昂贵，体积庞大不利于携带，检测灵敏度与准确度普遍较低等诸多问题。基于此，本文提出了一种基于仿生复眼结构的多探头（Multi-collector,MC）远距离LIBS系统，以岩石样品为研究对象，以提高远距离LIBS定性与定量分析的精准度为目标，进行了细致的研究。具体研究内容如下： 首先，提出了基于仿生复眼结构的多探头远距离LIBS系统，并对其特性进行深入研究。与大口径望远镜采集系统相比，当二者有效采集面积相同时，尽管两种系统的检测性能处于同一水平，但多探头采集系统的体积远小于望远镜系统，装置复杂度低，适用性更强，同时多探头检测系统具有更高的定量分析准确度与更高的检测灵敏度。 其次，研究了基于多探头远距离LIBS系统的岩石样品分类方法。分别采用主成分分析（PCA）和线性判别分析(LDA)算法对岩石粉末样品进行了分类。并针对远距离LIBS检测的需求，提出了一种自动谱峰识别的LDA分类算法（ASPI-LDA），将其应用于块状岩石的定性分类研究，分类结果表明，该方法高效实用，定性分类准确。 接着，研究了基于多探头远距离LIBS系统的定量分析方法。实验采用常规定量方法与偏最小二乘回归（PLSR）算法对岩石粉末进行了定量分析，并对其分析能力进行了对比。另外，采用自由定标方法对块状大理石样品中的元素含量进行了估算，计算结果与实际样品中各元素含量基本相符，初步满足了无标准样品远距离定标的需求。 最后，利用Solidworks软件对多探头远距离LIBS系统进行了整机集成设计。 综上所述，本文对基于仿生复眼结构的多探头远距离LIBS技术进行了系统研究，提高了远距离LIBS技术的检测性能，相关成果为远距离LIBS技术的实际应用提供理论和技术支持。

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