一种铀矿石在线分选系统及方法

本技术涉及铀矿石在线检测，尤其涉及一种铀矿石在线分选系统及方法。

背景技术：

1、激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，libs）利用脉冲激光聚焦作用于样品表面，使样品局部烧蚀并形成等离子体，通过采集等离子体发射光谱获得元素组成信息。该技术具有样品前处理要求低、响应速度快、可同时获取多元素信息以及易与自动化平台集成等特点，可用于铀矿石在线检测和分选。

2、在铀矿石进入破碎、磨矿和浸出等后续处理环节前进行快速检测和分选，可使不同品位铀矿石分别进入相应处理流程，并提前剔除部分低品位铀矿石或废石，从而减少后续处理物料量，降低运输、磨矿和浸出等环节的资源与能源消耗。

3、铀多金属矿矿物组成复杂，铀与铁、硅、钙、铝以及伴生稀土、铌和锆等元素共同存在。不同矿物相的组成和物理性质会影响激光烧蚀及等离子体发射过程，使铀元素的光谱响应随矿石基体发生变化；同时，多元素共存造成谱线密集和局部谱峰干扰，增加了铀特征信息提取和品位判别的难度。因此，仅依据单条铀特征谱线强度和固定判别阈值，难以稳定表征复杂铀多金属矿中的铀含量。

4、除矿石基体复杂外，铀矿石通常以块状或破碎料形式随传送带连续运动，采用固定焦点进行libs检测时，铀矿石真实表面与预设焦平面之间的偏差会改变激光光斑尺寸、能量密度、烧蚀量和等离子体状态，引起特征谱线强度及背景信号波动。现有技术为在铀矿石到达激发位置后再进行大范围逐点找焦，占用了有限的在线检测时间，难以同时满足连续输送条件下的检测时限要求和检测稳定性要求，且铀矿石表面覆盖层与内部矿物成分可能不同，初始脉冲获得的光谱不一定能够反映待分选铀矿石的有效成分。

5、因此，如何在连续输送条件下稳定获得具有代表性的等离子体发射光谱，并降低复杂矿石基体对铀含量和品位判别的影响，以提高铀矿石的在线分选效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种铀矿石在线分选系统及方法，以提高铀矿石的在线分选效率。

2、为了实现上述目的，本技术实施例第一方面提供了一种铀矿石在线分选方法，应用于铀矿石在线分选系统，所述分选系统包括输送跟踪模块、上游测量模块、调焦模块、激发采集模块、同步触发模块和主控模块；

3、所述分选方法包括：

4、步骤s1，利用所述输送跟踪模块获取铀矿石的实时位置与速度；

5、步骤s2，在铀矿石到达预设激发位置前，所述上游测量模块获取铀矿石表面的高度信息，并在铀矿石的表面确定一个目标作用点；

6、步骤s3，所述主控模块根据所述输送跟踪模块提供的位置与速度信息和所述上游测量模块提供的高度信息，预测所述目标作用点到达预设激发位置时的目标焦点位置；

7、步骤s4，在所述目标作用点到达预设激发位置前，所述主控模块控制所述调焦模块的所述光学头到达所述目标焦点位置，并输出焦点到位信号；

8、步骤s5，当所述目标作用点到达预设激发位置时，所述输送跟踪模块输出所述到达信号，所述同步触发模块在同时接收到所述到达信号和所述焦点到位信号时，触发所述激发采集模块对所述目标作用点发射激光并采集等离子体发射光谱；

9、步骤s6，所述主控模块根据所述等离子体发射光谱中铀元素特征谱线和基体元素谱线的强度变化识别稳定分析阶段，对所述稳定分析阶段内的有效光谱进行预处理，识别铀矿石基体类型，预测铀含量，并根据预设品位阈值生成品位判别结果。

10、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述上游测量模块包括结构光投射器和至少一台第一面阵相机；

11、步骤s2中，所述上游测量模块获取铀矿石表面的高度信息包括：

12、触发所述结构光投射器向铀矿石表面投射编码条纹，同步触发所述第一面阵相机采集条纹图像，根据预先标定的相机参数进行三维重建，得到铀矿石的点云或高度图。

13、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述主控模块包括候选作用点确定单元；

14、步骤s2中，所述在铀矿石的表面确定一个目标作用点，包括：

15、所述候选作用点确定单元根据所述点云或高度图在铀矿石的表面生成多个候选位置，分别获取各所述候选位置的局部坡度、距边界距离和遮挡程度，并选取其中所述局部坡度小于预设坡度阈值、所述距边界距离大于预设距离阈值、且所述遮挡程度小于预设遮挡面积值的所述候选位置作为所述目标作用点，并保留至少一个所述候选位置作为备用作用点。

16、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述主控模块还包括运动预测单元；所述上游测量模块具有测量坐标系，所述预设激发位置具有激发坐标系，所述测量坐标系与所述激发坐标系之间具有预先标定的转换关系；

17、步骤s3中，所述主控模块根据所述位置与速度信息和所述高度信息，预测所述目标作用点到达预设激发位置时的目标焦点位置，包括：

18、所述运动预测单元根据所述转换关系，将所述目标作用点的坐标从所述测量坐标系转换至所述激发坐标系，结合所述输送跟踪模块提供的所述位置与速度信息得到所述目标作用点到达所述预设激发位置时的预测表面高度，再根据所述光学头的聚焦参数换算得到所述目标焦点位置。

19、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述光学头的内部集成有辅助光源和第二面阵相机；

20、步骤s4中，所述主控模块控制所述调焦模块将所述光学头驱动至所述目标焦点位置之后，与所述输出焦点到位信号之前，还包括：

21、所述主控模块触发所述辅助光源照明铀矿石的表面，控制所述第二面阵相机采集图像，并计算所述图像的清晰度；当所述清晰度与预设清晰度阈值之间的偏差超过补偿阈值时，所述主控模块控制所述调焦模块在所述目标焦点位置附近执行有限范围补偿；当所述偏差未超过所述补偿阈值时，所述主控模块输出所述焦点到位信号。

22、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述主控模块包括多脉冲状态识别单元和品位判别单元；所述激发采集模块包括脉冲激光器和光谱仪，所述分选系统还包括分选模块，用于根据品位判别的结果将铀矿石分入不同通道；

23、步骤s5中，所述触发所述激发采集模块对所述目标作用点发射激光并采集等离子体发射光谱，包括：

24、所述脉冲激光器在所述目标作用点连续发射多个激光脉冲，并由所述光谱仪对应获取与各次激光脉冲对应的逐脉冲等离子体发射光谱；所述多脉冲状态识别单元比较相邻激光脉冲对应的所述逐脉冲等离子体发射光谱中目标元素特征谱线和基体元素谱线的强度变化，识别出表面清洗阶段和稳定分析阶段，以从所述逐脉冲等离子体发射光谱中筛选出用于品位判别的有效光谱；

25、步骤s6中，所述主控模块对所述稳定分析阶段内的有效光谱进行预处理，识别铀矿石基体类型，预测铀含量，包括：

26、所述品位判别单元对所述稳定分析阶段内的有效光谱依次执行暗噪声扣除、局部背景扣除、波长校正和标准正态变量变换，提取铁、硅、钙和铝基体元素谱线特征并输入随机森林基体分类模型，得到当前铀矿石的基体类型；根据所述基体类型调用对应的偏最小二乘回归模型，将预处理后的铀特征谱线窗口和基体元素谱线窗口内的光谱变量输入所述偏最小二乘回归模型，得到铀含量预测值，并根据预设品位阈值生成所述品位判别结果；

27、所述分选方法的步骤s6之后还包括步骤s7：所述分选模块根据所述品位判别的结果对铀矿石进行分选。

28、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述主控模块还包括检测时限决策单元；当所述多脉冲状态识别单元在预设脉冲数内未识别出所述稳定分析阶段时，所述检测时限决策单元判断剩余检测时间是否足以完成由所述候选作用点确定单元将所述备用作用点确定为新的目标作用点以及由所述调焦模块进行的高度方向移动；若足以完成，则由所述候选作用点确定单元将所述备用作用点确定为新的目标作用点，并重新执行步骤s3至步骤s5。

29、可选地，在上述铀矿石在线分选方法中，所述分选系统还包括待复检通道；所述步骤s6与所述步骤s7之间还包括步骤s8：

30、所述品位判别单元根据所述焦点到位信号所表征的到位状态、所述多脉冲状态识别单元识别所述稳定分析阶段的过程中输出的连续脉冲稳定程度、所述高度信息所表征的表面状态、所述随机森林基体分类模型输出的分类置信度以及所述稳定分析阶段内各有效光谱对应铀含量预测值的离散程度，确定所述品位判别的结果的置信度，当所述置信度低于预设置信度阈值时，所述主控模块将铀矿石标记为待复检，所述步骤s7中，所述分选模块将标记为待复检的铀矿石分入所述待复检通道。

31、本发明提供的铀矿石在线分选方法，应用于包含输送跟踪模块、上游测量模块、调焦模块、激发采集模块、主控模块和同步触发模块的在线分选系统。在铀矿石到达预设激发位置前，利用上游测量模块提前获取铀矿石表面的高度信息并确定目标作用点；主控模块根据输送跟踪模块提供的铀矿石实时位置与速度信息以及该高度信息，预测目标作用点到达激发位置时的目标焦点位置；在目标作用点到达激发位置前，主控模块控制调焦模块将光学头提前驱动至该目标焦点位置完成预定位，并输出焦点到位信号；当目标作用点到达激发位置时，同步触发模块在同时接收到到达信号和焦点到位信号后触发激发采集模块工作。由此，将传统方案中铀矿石到位后搜索焦点的串行等待时间，转变为与铀矿石输送过程并行的提前预定位，使铀矿石到位时系统已处于焦点就绪状态，到位即可激发，消除了到位后的焦点搜索耗时，从而在连续输送条件下显著提高了单块铀矿石的有效检测效率和分选效率。

32、本技术实施例第二方面还提供了一种铀矿石在线分选系统，用于执行上述铀矿石在线分选方法，包括：

33、输送跟踪模块，用于输送铀矿石并提供铀矿石的位置与速度信息，以及输出铀矿石到达预设激发位置的到达信号；

34、上游测量模块，设置于激光诱导击穿光谱激发位置的上游的所述输送跟踪模块的上方，用于获取铀矿石表面的高度信息；

35、调焦模块，包括高度位移机构和安装于所述高度位移机构的光学头，所述高度位移机构设置于所述激发位置的上方，用于驱动所述光学头沿高度方向移动；

36、激发采集模块，包括脉冲激光器、光谱仪以及设置于所述光学头的内部的聚焦光学组件和发射光收集组件，所述脉冲激光器用于发射激光，激光经所述聚焦光学组件聚焦至铀矿石的表面，激光激发产生的等离子体发射光由所述发射光收集组件收集并耦合至所述光谱仪，以采集等离子体发射光谱；

37、主控模块，与所述上游测量模块、所述输送跟踪模块和所述调焦模块电连接，用于根据所述位置与速度信息和所述高度信息预测目标焦点位置，控制所述调焦模块到达所述目标焦点位置后输出焦点到位信号，并根据所述等离子体发射光谱识别稳定分析阶段，对所述稳定分析阶段内的有效光谱执行预处理、基体类型识别、铀含量预测和品位判别；

38、同步触发模块，与所述输送跟踪模块和所述主控模块电连接，用于在同时接收到所述到达信号和所述焦点到位信号时，触发所述激发采集模块工作。

39、可选地，在上述铀矿石在线分选系统中，所述上游测量模块包括结构光投射器和至少一台第一面阵相机，所述结构光投射器和所述第一面阵相机固定于所述输送跟踪模块上方的刚性支架，所述结构光投射器用于向铀矿石表面投射编码条纹，所述第一面阵相机用于同步采集条纹图像，以根据预先标定的相机参数进行三维重建得到铀矿石的点云或高度图；

40、所述聚焦光学组件包括反射镜、分光元件和聚焦镜头，所述反射镜、所述分光元件和所述聚焦镜头沿激光入射方向依次布置，所述脉冲激光器发出的激光依次经所述反射镜反射和所述分光元件透射后，由所述聚焦镜头聚焦至铀矿石的表面；

41、所述发射光收集组件用于收集激光激发产生的等离子体发射光，并通过光纤耦合至所述光谱仪；

42、所述光学头的内部设置有辅助光源和第二面阵相机，所述辅助光源经所述分光元件和所述聚焦镜头照明铀矿石表面，所述第二面阵相机接收铀矿石表面的反射光，用于在触发激光前通过图像清晰度校验铀矿石的表面聚焦状态。

43、由于第二方面提供的一种铀矿石在线分选系统能够实施上述第一方面提供的铀矿石在线分选方法对应的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。