基于等离子体图像的颗粒流激光检测方法、设备及存储介质

1.本发明涉及颗粒流状态物质特性分析方法，具体涉及基于等离子体图像的颗粒流激光检测方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.颗粒流态物质广泛存在于自然界和工业过程中，研究获取颗粒物料特性的便捷高效方法，对工业过程运行优化及效益的提高具有现实意义。
3.传统的颗粒物料特性检测往往需要进行采样、离线制样等过程，存在分析时间长、实时性差等弊端，难以满足工业生产中实时/在线的自动控制要求。激光诱导击穿光谱技术具有远程、实时、快速、多元素同步检测等优势，已被应用于颗粒流状态物料的特性分析测量。颗粒流因粒径与流动的不均匀性，以及设备振动或环境波动等因素，易造成激光-物质相互作用的不稳定，影响激光-物质的耦合效果。需要对不同脉冲激光与颗粒流相互作用所得数据的有效性进行判别和筛选。现有的方法有以下几种：1.根据所得光谱中待测样品主要特征元素的激发谱线强度值或信噪比判别数据有效性；2.光谱特征峰标准偏差法，3.基于特征谱线强度的正态曲线法判别；4.光谱特征峰阶跃度法。这些鉴别方法都是基于所获得的等离子体光谱信息进行激光样品耦合状态分析，易受收光仪器、光路设置、样品特性、环境变化的影响，具有一定局限性。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于等离子体图像的颗粒流激光检测方法、设备及存储介质。
5.本发明利用激光诱导击穿光谱检测系统获得颗粒流光谱数据，同时采用ccd相机直接观察不同激光脉冲与颗粒流的耦合状态，基于相机图像实现无效光谱数据的准确剔除，优化激光诱导击穿光谱技术对固体颗粒流特性的检测性能。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种基于等离子体图像的颗粒流激光检测方法，包括：
8.获得已知特性指标的多个颗粒流样品的有效光谱数据集，构建基于偏最小二乘法的颗粒流特性定标模型；
9.获得待测颗粒样品的有效光谱数据，输入颗粒流特性定标模型，实现待测颗粒样品特性的检测。
10.进一步，所述获得已知特性指标的多个颗粒流样品的有效光谱数据集，构建基于偏最小二乘法的颗粒流特性定标模型，具体为：
11.利用激光诱导击穿光谱检测系统得到已知特性指标的多个颗粒流样品的多个激光诱导等离子体光谱数据，ccd相机采集与光谱数据相对应的激光诱导等离子体图像；
12.获得等离子体图像面积；
13.将多个典型有效激发的光谱所对应的等离子体区域面积的平均值作为起始阈值，
按照一定的递增梯度设置不同面积阈值，对于等离子体图像面积小于面积阈值的对应光谱数据进行删除，获得有效光谱数据；
14.对有效光谱数据采用偏最小二乘法获得最优面积阈值；
15.利用已知特性指标的多个颗粒流样品的有效光谱数据，建立颗粒流特性定标模型。
16.进一步，所述对有效光谱数据采用偏最小二乘法获得最优面积阈值，具体为：
17.将多个典型有效激发的光谱所对应的等离子体区域面积的平均值作为起始阈值，按照一定的递增梯度设置不同的面积阈值，获得不同颗粒样品的有效光谱数据，对多个有效光谱数据采用偏最小二乘十折交叉验证法来检验数据用于建立模型的稳健性。
18.进一步，所述对多个有效光谱数据采用偏最小二乘十折交叉验证法来检验数据用于建立模型的稳健性，具体为：将光谱数据按样品类别按照比例随机分配为训练集与测试集，利用训练集数据进行偏最小二乘法建模，将所建立模型用于测试集定量分析，以多次测试集定量分析准确度平均值作为面积阈值优选的判别标准。
19.进一步，获得等离子体图像面积，具体为：
20.根据等离子体图像的背景和等离子体区域亮度值，确定可判断为等离子体区域的亮度阈值，统计图像中亮度值大于阈值的像素点，获得等离子体面积。
21.进一步，获得待测颗粒样品的有效光谱数据，输入颗粒流特性定标模型，实现待测样品特性的检测，具体为：
22.利用激光诱导击穿光谱检测系统及ccd相机获得待测颗粒样品的等离子体图像，根据最优筛选面积后的有效光谱数据；
23.将有效光谱数据输入建立颗粒流特性定标模型，实现待测样品特性的检测。
24.进一步，亮度阈值在图像背景设定区域范围内的亮度平均值。
25.进一步，每种样品采集600个光谱和等离子体图像数据。
26.一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的颗粒流激发检测方法。
27.一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的颗粒流激发检测方法。
28.本发明的有益效果：
29.本发明通过等离子体图像技术与激光诱导击穿光谱技术的结合，通过ccd相机观测激光-颗粒流耦合效果，基于等离子体图像提高剔除无效光谱的准确度和有效性，本发明的应用提高激光诱导击穿光谱技术应用于颗粒流样品的检测性能。
附图说明
30.图1是本发明的流程示意图；
31.图2是本发明实施例中有效击穿、部分击穿、无效击穿的等离子体图像与光谱对比图。
具体实施方式
32.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不
限于此。
33.实施例1
34.如图1所示，一种基于等离子体图像的颗粒流激光检测方法，包括如下：
35.步骤一 图像筛选法阈值优化及建模定标，具体如下：
36.将已知特性的颗粒样品(以燃煤为实例)置于颗粒流激光诱导击穿光谱检测系统中，通过气路系统使样品以颗粒流状态流动，模拟实际工业生产过程，利用脉冲激光激发颗粒流产生等离子体，通过光谱仪收集等离子体发射光谱，同时采用ccd相机获取各脉冲激光与颗粒流的耦合效果即等离子体图像，每种样品采集600个光谱和图像数据。
37.如图2所示，激光与颗粒流的有效耦合会产生体积较大且较为对称的等离子体，所收集的特征光谱中也能探测到燃煤主要元素的特征谱线，而因颗粒流波动等因素导致激光的部分和无效耦合，这部分有效烧蚀质量较少所产生的等离子体中燃煤主要元素的特征谱线较弱或无法检测到。故选择等离子体图像中等离子体面积作为鉴别光谱有效性的基准。
38.分析等离子体图像中背景与等离子体区域的亮度差异，将图像背景一定区域范围的亮度平均值作为背景的亮度值，经计算后为1500，即认定图像像素亮度值大于此数值时为受激发的等离子体区域，统计图像中像素点个数，进而计算获得等离子体区域面积。
39.具体地，本实施例中的区域范围30
×
30个像素点。
40.将多个典型有效激发的光谱所对应的等离子体区域面积的平均值作为起始阈值，按照一定的递增梯度设置不同的等离子体面积阈值，对等离子体区域面积小于阈值的光谱数据进行剔除，得到有效光谱数据。
41.对有效光谱数据采用偏最小二乘十折交叉验证法来检验该数据用于建立模型的稳健性。
42.进一步为，将光谱数据按样品类别以9:1比例随机分配为训练集与测试集。利用训练集数据进行偏最小二乘法建模。
43.以燃煤典型特征指标为例，采用本方法的具体过程为：
44.以燃煤典型特征指标挥发分含量为验证参考，对光谱进行偏最小二乘法建模，建立特性指标与光谱关系：y＝k0+k1x1″
+k1x2″
+...knxn″
，其中ko,k1,k2,.....kn是偏最小二乘迭代得到的系数。
45.将所建立模型用于测试集样品挥发分含量的定量分析。以上建模与分析过程共进行10次，10次测试集定量分析准确度平均值作为面积阈值优选的判别标准，确定最优面积阈值。当阈值在4000时，交叉验证的相关性系数(r2＝0.940)达到最大值，此时均方根误差(rmse＝1.830)达到最小值，因此最佳筛选阈值为4000。基于此阈值对光谱数据进行筛选，获得有效光谱数据集。
46.在相同的测试条件下，经图像法处理的光谱数据与未经过光谱剔除的原光谱数据中燃煤主要元素特征谱线强度波动(rsd)相比，降幅达到了10％～15％。
47.步骤二 颗粒流特性检测，包括：
48.对待测颗粒煤样进行激光检测与等离子体图像获取，采用最优面积阈值进行光谱筛选，所述最优面积阈值在步骤一中获得，本实施例为4000。
49.以燃煤特性挥发分为例，代入步骤一中所建模型实现该指标的定量分析。
50.表1为图像法与现有标准偏差法和信噪比法对最终定量分析的优化结果对比，以
测试集的相关系数(r2)、均方根误差(rmse)和平均绝对误差(aae)为评价指标，结果显示图像法对煤粉颗挥发分的定量分析优化效果最佳。
51.表1
[0052][0053]
本发明利用了直观表达激光与待测物质相互作用的等离子体图像信息，剔除受颗粒流不稳定波动影响的光谱数据，优化了光谱数据鉴别过程，提高了基于激光诱导击穿光谱技术的固体颗粒流特性分析性能。
[0054]
实施例2
[0055]
一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的颗粒流激发检测方法,具体包括获得已知特性指标的多个颗粒流样品的有效光谱数据集，构建基于偏最小二乘法的颗粒流特性定标模型；
[0056]
获得待测颗粒样品的有效光谱数据，输入颗粒流特性定标模型，实现待测颗粒样品特性的检测。
[0057]
实施例3
[0058]
一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的颗粒流激发检测方法。
[0059]
所述颗粒流激发检测方法包括获得已知特性指标的多个颗粒流样品的有效光谱数据集，构建基于偏最小二乘法的颗粒流特性定标模型；
[0060]
获得待测颗粒样品的有效光谱数据，输入颗粒流特性定标模型，实现待测颗粒样品特性的检测。
[0061]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。