一种基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法与流程

本发明涉及光谱分析，尤其涉及一种基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法。

背景技术：

1、铁矿石全铁含量是表征铁矿石品位及评价工业利用价值的重要指标，检测结果广泛应用于矿产资源评价、选矿工艺调控、矿产品质量分级以及冶炼原料配比等环节，随着矿山生产过程向自动化、数字化和智能化方向发展，全铁含量检测技术逐渐由以往实验室离线分析向快速化、现场化及在线化方向演进，目前，铁矿石全铁含量检测主要采用化学分析、x射线荧光分析及光谱分析等技术路线，其中光谱分析技术能够利用不同矿物成分对电磁辐射产生的特征吸收和反射响应，对矿石组成及含量进行表征，尤其是可见光—近红外光谱技术具有非接触、检测速度快、样品前处理需求较低、连续波长信息丰富以及便于与自动化设备集成等特点，随着光谱传感器性能、多变量统计分析及机器学习技术的发展，通过提取铁矿石光谱响应特征并建立其与全铁含量之间的定量关系，已成为实现铁矿石快速品位评价和智能检测的重要技术方向。

2、尽管如此，现有铁矿石全铁含量检测方法仍存在改进之处，首先，现有多数光谱检测机制采用固定入射角与探测几何构型，难以适应不同批次矿石样品在堆积状态、表面平整度等方面的动态变化，造成测量条件不一致，引入规律性偏差，此外，缺乏自适应质量控制机制，无法在检测过程中实时评估数据质量、识别异常样本或自动触发模型校正与参数优化，导致在原料波动或设备状态漂移时，检测结果的准确性与稳定性难以持续保障。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法解决检测结果的准确性与稳定性难以持续保障的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、本发明提供了一种基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法，其包括，

5、根据全铁含量已知的标定铁矿石建立全铁标定数据库，并基于全铁标定数据库识别基准入射角及入射角扰动量；

6、在待检测铁矿石多个采样位置采集基准吸收光谱，并根据基准入射角和入射角扰动量分别采集正、负扰动吸收光谱；

7、根据正、负扰动吸收光谱和基准吸收光谱计算各采样位置的一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱，并组合形成散射扰动矩阵；

8、分解散射扰动矩阵获得散射扰动子空间，将基准吸收光谱投影至散射扰动子空间的正交补空间，得到各采样位置的全铁固有光谱；

9、根据全铁标定数据库筛取全铁固有响应波段后，从全铁固有光谱提取铁响应特征并计算各采样位置的局部全铁含量；

10、根据一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱重构正、负扰动吸收光谱，并计算各采样位置的扰动闭合残差；

11、当任一采样位置的扰动闭合残差超限时调整入射角扰动量并执行复测，直至各采样位置的扰动闭合残差均满足要求后，融合各采样位置的局部全铁含量，得到待检测铁矿石的最终全铁含量。

12、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述全铁标定数据库是通过选取全铁含量已知的标定铁矿石，将各标定铁矿石表面划分为面积相同的采样区域，并在各采样区域设置采样位置，在预设入射角范围内按照固定角度间隔分别重复采集各采样位置在不同入射角下的吸收光谱，并将全铁含量、采样位置、入射角及对应吸收光谱关联存储形成的。

13、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述识别基准入射角及入射角扰动量，具体为：

14、基于全铁标定数据库统计各入射角下吸收光谱随全铁含量变化的响应程度及同一采样位置重复采集吸收光谱的稳定程度，根据全铁含量响应程度及重复采集稳定程度计算各入射角的评价值，将评价值最大的入射角识别为基准入射角；

15、以基准入射角为中心，将全铁标定数据库中位于基准入射角两侧且与基准入射角角度差相同的吸收光谱进行成对比较，将不同角度差作为候选入射角扰动量，分别计算各候选入射角扰动量对应的正方向平均光谱响应差异、负方向平均光谱响应差异及光谱形态一致程度；

16、基于正、负方向光谱响应差异及光谱形态一致程度计算候选入射角扰动量的评价值，将评价值最大的候选入射角扰动量识别为入射角扰动量。

17、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述采集正、负扰动吸收光谱，具体为：

18、将待检测铁矿石表面划分为面积相同的采样区域，并在各采样区域设置采样位置，固定各采样位置对应的光谱采集位置、探测方向和探测距离；

19、在每个采样位置将可调入射光源的入射角调节至基准入射角，利用可见光-近红外光谱仪采集反射光谱，并对反射光谱进行吸收变换，得到基准吸收光谱；

20、保持对应采样位置的光谱采集位置、探测方向和探测距离不变，将可调入射光源的入射角调节为基准入射角与入射角扰动量之和，利用可见光-近红外光谱仪采集反射光谱并进行吸收变换，得到正扰动吸收光谱；

21、将可调入射光源的入射角调节为基准入射角与入射角扰动量之差，利用可见光-近红外光谱仪采集反射光谱并进行吸收变换，得到负扰动吸收光谱。

22、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述形成散射扰动矩阵，具体为：

23、将每个采样位置对应的正扰动吸收光谱、负扰动吸收光谱和基准吸收光谱按照相同波长位置进行对齐，根据正扰动吸收光谱和负扰动吸收光谱之间的对称变化计算一阶扰动响应谱；

24、根据正扰动吸收光谱和负扰动吸收光谱相对于基准吸收光谱的联合变化计算二阶扰动响应谱；

25、按照采样位置顺序依次排列各采样位置的一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱，并保持各一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱的波长位置一致，组合形成散射扰动矩阵。

26、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述得到各采样位置的全铁固有光谱，具体为：

27、对散射扰动矩阵进行奇异值分解，按照奇异值由大到小排列对应波长维度的光谱方向，依次计算相邻非零奇异值中前一奇异值与后一奇异值的比值，将比值最大的相邻非零奇异值中前一奇异值对应的位置确定为截断位置，将排列至截断位置的光谱方向作为散射扰动子空间的正交基向量，组合形成散射扰动子空间；

28、针对每个采样位置，将基准吸收光谱按照与散射扰动矩阵相同的波长位置顺序进行排列，获取基准吸收光谱沿散射扰动子空间各正交基向量的投影分量；

29、从基准吸收光谱中去除各投影分量，获得基准吸收光谱在散射扰动子空间正交补空间中的投影结果，将投影结果按照原波长位置顺序排列，得到对应采样位置的全铁固有光谱。

30、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述筛取全铁固有响应波段，具体为：

31、读取全铁标定数据库中各标定铁矿石对应的吸收光谱及全铁含量，同时提取各标定铁矿石对应的全铁固有光谱，逐波长统计全铁固有光谱与全铁含量之间的相关程度，并统计同一标定铁矿石不同采样位置对应全铁固有光谱的响应稳定程度；

32、根据相关程度和响应稳定程度计算各波长的全铁固有响应评价值，按照全铁固有响应评价值由大到小排列各波长，从全铁固有响应评价值最大的波长开始按照排列顺序逐个纳入波长，每纳入一个波长后，利用当前纳入的全部波长对应的全铁固有光谱和全铁含量执行交叉验证，获得当前纳入的全部波长对应的全铁含量交叉验证误差；

33、比较各次交叉验证获得的全铁含量交叉验证误差，将获得最小全铁含量交叉验证误差时已纳入的全部波长确定为保留波长，将波长位置连续的保留波长合并形成全铁固有响应波段。

34、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述计算各采样位置的局部全铁含量，具体为：

35、分别从各采样位置的全铁固有光谱中提取各全铁固有响应波段对应的吸收强度、吸收斜率及积分吸收量；

36、按照全铁固有响应波段的波长顺序，依次排列各全铁固有响应波段对应的吸收强度、吸收斜率及积分吸收量，形成各采样位置对应的铁响应特征；

37、将各采样位置对应的铁响应特征输入预先建立的全铁含量检测模型进行联合回归处理，输出各采样位置对应的局部全铁含量。

38、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述计算各采样位置的扰动闭合残差，具体为：

39、针对每个采样位置，将一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱分别投影至散射扰动子空间，保留一阶扰动响应谱和二阶扰动响应谱在散射扰动子空间内的投影结果；

40、按照入射角扰动量，将基准吸收光谱与一阶扰动响应谱、二阶扰动响应谱在散射扰动子空间内的投影结果进行组合，分别重构正扰动吸收光谱和负扰动吸收光谱；

41、将重构得到的正扰动吸收光谱与采集得到的正扰动吸收光谱按照波长位置逐点比较，将重构得到的负扰动吸收光谱与采集得到的负扰动吸收光谱按照波长位置逐点比较，汇总正、负方向各波长位置的光谱差异，得到每个采样位置的扰动闭合残差。

42、作为本发明所述基于光谱数据的铁矿石全铁含量检测方法的一种优选方案，其中：所述得到待检测铁矿石的最终全铁含量，具体为：

43、读取全铁标定数据库中各标定铁矿石在基准入射角及入射角扰动量下对应的基准吸收光谱、正扰动吸收光谱和负扰动吸收光谱，按照与待检测铁矿石相同的重构过程计算各标定铁矿石的扰动闭合残差，将各标定铁矿石各采样位置对应的扰动闭合残差中的最大值设为扰动闭合残差上限；

44、当任一采样位置的扰动闭合残差大于扰动闭合残差上限时，调整对应采样位置的入射角扰动量并执行复测，直至各采样位置的扰动闭合残差均不大于扰动闭合残差上限后，融合各采样位置的局部全铁含量，得到待检测铁矿石的最终全铁含量。

45、本发明有益效果为：对正、负扰动吸收光谱进行一阶、二阶响应分析，使入射角变化带来的散射影响能够从原始光谱变化中被单独表征，进一步利用散射扰动子空间对基准吸收光谱进行投影分离，削弱矿石表面粗糙度及局部形态差异造成的干扰，使获得的全铁固有光谱更接近全铁成分本身的响应特征，在此基础上筛取与全铁含量相关性高且不同采样位置响应稳定的波段，并提取铁响应特征进行局部全铁含量计算，提高了有效光谱信息的利用程度和定量结果的准确性，同时通过扰动闭合残差检验当前扰动条件下的光谱重构效果，对超限位置调整入射角扰动量并重新测量，使异常检测结果能够在输出前得到识别和修正。