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激光诱导击穿光谱(Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术作为一种新兴的原子发射光谱技术,是近年来光谱分析领域的研究热点之一。LIBS具有原位检测、准无损检测、对样品要求低等诸多优势,但同时也存在许多亟待解决的问题,一方面,由于采用脉冲激光激发方式,等离子体存在时间极短,光谱采集具有显著的时间分辨特性,另一方面,在复杂样品成分检测,特别是对金属元素的检测中,原子谱线数量众多且涵盖波段范围宽广,这些要求对LIBS系统前端测量仪器和后端数据处理提出了挑战。本文依托国家高技术研究发展计划(863计划)项目“作物数字化技术研究”课题“生物环境信息的数字化获取与智能诊断技术”,以LIBS技术在土壤金属元素检测中的应用为需求,分别从LIBS中阶梯光栅光谱仪的设计及优化方法和LIBS光谱数据处理算法两方面开展研究,提出时间分辨LIBS中阶梯光栅光谱仪实现方法、宽波段像散校正方法以及LIBS特征波长选择新算法,主要研究内容归纳如下:(1)针对LIBS光谱采集问题,提出了时间分辨LIBS中阶梯光栅光谱仪实现方案,结构上基于中阶梯光栅衍射和棱镜色散理论,设计了紧凑型、宽波段、高分辨的交叉色散光路模型,电路上基于FPGA和ARM平台,构建了时间分辨微光成像系统拓扑结构,算法上结合理论成像模型和质心提取算法,提出了基于最小二乘法和多项式拟合的谱图还原优化算法。(2)针对中阶梯光栅光谱仪像质优化问题,提出了一种基于柱透镜的中阶梯光栅光谱仪宽波段像散校正方法,建立了中阶梯光栅光谱仪的像散数学模型,在光路中引入柱透镜,基于色散模型和测量波段范围优化解算柱透镜位姿参数,实现宽波段范围内像散的有效校正,仿真结果表明,校正后中阶梯光栅光谱仪成像质量显著提高,光斑RMS半径缩小近10倍。(3)针对传统光谱特征波长选择算法在LIBS中无法适用的问题,提出了一种融合间隔偏最小二乘(interval Partial Least Square,iPLS)和迭代预测权重偏最小二乘(modified Iterative Predictor Weighting-PLS,mIPW-PLS)的LIBS快速光谱特征波长选择算法,将整体光谱等分为若干区间,分别基于iPLS和全谱PLS回归系数构建校正因子并对光谱矩阵进行修正,利用mIPW-PLS实现LIBS光谱特征波长的快速选择,有效降低光谱数据维度。(4)针对传统光谱特征波长选择算法效率低下的问题,提出了一种基于全谱变量校正的自动光谱特征波长选择算法(Full Spectral Correction–mIPW-PLS,FSC-mIPW-PLS),在mIPW-PLS基础上,分别利用波长强度与目标含量之间的相关系数、PLS回归系数建立全谱校正因子,同时构建基于特征波长数量和RMSECV(Root Mean Square Error of Cross Validation)值的选择判据,实现特征波长的自动、高效选择,与经典的遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和连续投影算法(Successive Projections Algorithm,SPA)相比,FSC-mIPW-PLS在运行时间方面具有显著的优越性,其单次选择时长仅为GA的1/100、SPA的1/600。(5)搭建了LIBS中阶梯光栅光谱仪样机与LIBS系统实验平台,开展了标准汞灯校准实验,结果表明所研制的LIBS中阶梯光栅光谱仪满足课题指标要求,对土壤中Cu、Ba、Cr等金属元素含量开展了定量分析实验,结果表明提出的LIBS光谱特征波长选择算法可明显改善定量分析模型的预测性能,显著提高计算效率。