一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法與流程

文檔序號:17181294發布日期:2019-03-22 20:55
一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法與流程

本公開屬于掃描式勞厄衍射技術領域,特別涉及一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法。



背景技術:

材料的力學性能、物理性能等都直接受到材料微觀組織結構的影響。因此對材料的微觀組織結構進行表征是材料研究中不可或缺的要素?,F有的材料微觀結構表征方法有透射電子顯微鏡(TEM)、電子背散射衍射(EBSD)、傳統的X射線衍射(XRD)和中子衍射等。而掃描式勞厄衍射技術(Scanning Laue Diffraction)是將同步輻射光源作為X射線衍射光源,具有空間分辨率高(亞微米級別)、角分辨率高(~0.01°)、穿透力能力強、樣品制備簡單等優點。掃描式勞厄衍射技術的這些優點,彌補了上述諸多材料微觀結構表征方法在對材料微觀結構分析方面的不足。

由于材料中的統計存儲位錯、幾何必需位錯等缺陷會對掃描式勞厄衍射技術所得的衍射圖譜中的衍射峰峰形產生顯著影響,故通過對衍射峰峰形進行分析就可以判斷或計算出包括材料中位錯類型、位錯密度和幾何必需位錯滑移系等信息。

進行衍射峰峰形分析時,一般分為三個步驟:首先,去除衍射圖譜中的X射線熒光背景;其次,尋找衍射圖譜中所有的衍射峰,并通過二維高斯擬合的方式得到各衍射峰的峰中心(簡稱尋峰操作);最后,求得各衍射峰拉長程度最大的方向即長軸方向和與之垂直的短軸方向并計算這兩個方向上衍射峰在衍射峰倒易空間內的峰寬。

現有的較為成熟的掃描式勞厄衍射圖譜分析軟件(如XMAS),僅可實現前兩步的自動化運行,在尋找衍射峰長軸方向時,僅支持人工肉眼判斷。其在第二步尋峰操作中只能獲得衍射峰的中心,無法得到其邊界,這使其第三步也難以通過簡單改動實現自動化?,F有的進行掃描式勞厄圖譜中衍射峰峰形分析方法為使用XMAS軟件得出的衍射峰位置信息,將衍射圖譜二值化后重新求衍射峰的邊界,并使用二值化的圖譜計算衍射峰的長軸。使用該技術時,需要先使用XMAS對衍射圖譜進行分析,且在包括XMAS軟件的分析過程在內,兩次讀取衍射圖譜并進行分析,會付出較高的時間成本,且在分析衍射峰長短軸時,使用的是二值化衍射圖譜,未考慮普遍存在的衍射峰強度的不對稱性,在實際使用時會出現較大偏差。



技術實現要素:

針對以上不足,本公開的目的在于提供一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法,本方法在運行時計算量小,計算速度快,在分析勞厄衍射圖譜量巨大的數據時,具有極大優勢。

為了實現以上目的,對本公開技術方案的描述如下:

一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法,包括如下步驟:

S100:從來自同一實驗的所有掃描式勞厄衍射圖譜中任選一張衍射圖譜I進行二維中值濾波,獲得X射線熒光分布圖譜If并計算所述X射線熒光分布圖譜If上所有像素點的強度平均值Ifave;

S200:讀取所述實驗中的一張衍射圖譜,計算所述衍射圖譜I上各像素點Iij的強度平均值Iave和所述衍射圖譜I去除熒光背景后的各像素點Iij的強度值(Ire)ij,獲得去除熒光背景后的衍射圖譜Ire;

S300:尋找所述去除熒光背景后的衍射圖譜Ire上的衍射峰p;

S400:分析步驟S300中尋找的衍射峰p的峰形;

S500:判斷所有需要分析的衍射圖譜是否已經分析完成,若完成,則分析結束,否則重復執行步驟S200至步驟S400。

優選的,步驟S100中,對所述衍射圖譜I進行二維中值濾波時,確定取中值的鄰域的大小。

優選的,步驟S200中,所述衍射圖譜I去除熒光背景后的各像素點Iij的強度值(Ire)ij通過下式獲得:

優選的,所述步驟S300包括如下步驟:

S301:計算所述衍射圖譜I的二值化圖譜Ib,方法如下:

其中,Ireave表示去除熒光背景后的衍射圖譜Ire上所有像素點的強度平均值;(Ib)ij表示二值化圖譜Ib中各點的強度值;α表示二值化閾值;

S302:標記并框取所述二值化圖譜Ib中所有衍射峰p,對框取的衍射峰p使用二維高斯擬合法擬合出衍射峰p的中心位置。

優選的,步驟S302中,使用二值圖像連通域標記算法在二值圖像上標記所述衍射峰p。

優選的,步驟S302中,通過提取目標正外接矩形的算法取得標記后的所述衍射峰p的正外接矩形以框取所述衍射峰p。

優選的,所述步驟S400包括如下步驟:

S401:通過坐標變換將被框取的衍射峰p中所有像素點轉移至所述衍射峰p的倒易空間q;

S402:在所述倒易空間q內以衍射峰p的中心位置為坐標原點定義坐標系,計算衍射峰p在所述坐標系x軸方向上的積分拉長值Sp,方法如下:

其中,n表示轉化到倒易空間中所有像素點的個數,Ii表示第i個像素點的強度值,ri表示第i個像素點到x軸的距離;

S403:不斷旋轉步驟S402中所定義的坐標系,并計算Sp值,直到Sp值取到最??;

S404:通過高斯擬合求得衍射峰p在倒易空間q中x軸方向和y軸方向上的半高寬,并計算廣義峰寬,方法如下:

其中,Wlong表示衍射峰p在x軸上的半高寬,Wshort表示衍射峰p在y軸上的半高寬,hlong表示高斯擬合求得的衍射峰p在x軸方向上的峰高,hshort表示高斯擬合求得的衍射峰p在y軸方向上的峰高,Ilong表示x軸上各像素點的強度,Ishort表示y軸上各像素點的強度。

優選的,步驟S401中,所述將被框取的衍射峰p中所有像素點轉移至所述衍射峰p的倒易空間q的方法為:

讀取探測器的空間轉角α(pitch)、β(roll)、γ(yaw),則矩陣

得到矩陣A后,讀取在獲得所分析圖譜時X射線在樣品上的照射點到探測器平面的距離d,計算矩形框內各像素點在對應的在探測器坐標系下的衍射信號的方向向量kx,y;定義已知的衍射峰中心坐標對應的方向向量k0,且其作為三維向量的三個項分別為xk,yk,zk,則

定義旋轉矩陣R,為計算方便,首先計算向量r1和向量r2;

r2=k0×r1

R=[r1 r2 k0]-1

對矩形框中所有的像素點,使用如下公式計算方向向量k′x,y:

k′x,y作為三維向量,其三個項為x′,y′,z′,則各像素點在所述倒易空間q中的位置坐標為(x′,y′),強度即為對應的矩形框中的點上的強度Ix,y。

優選的,步驟S403中,使Sp取得最小值的坐標系中的x軸為衍射峰p在倒易空間q中的長軸方向,使Sp取得最小值的坐標系中的y軸為衍射峰p在倒易空間q中的短軸方向。

與現有技術相比,本公開帶來的有益效果為:

1、揭示了衍射圖譜去除X射線熒光背景方法和尋峰操作方法,并基于該尋峰方法,揭示了新的衍射峰長軸計算方法;

2、本公開在計算衍射峰的長軸時,考慮了衍射峰的強度信息,使計算精度更高、普適性更強,在質量較差的衍射峰上也可應用;

3、本公開在運行時計算量小,計算速度快,適用于對數量巨大的衍射圖譜進行分析。

附圖說明

圖1是一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法流程圖;

圖2是DZ17G鎳基高溫合金的掃描式勞厄衍射圖譜;

圖3是X射線熒光分布圖譜;

圖4去除熒光背景后的的衍射圖譜;

圖5二值化處理后的衍射圖譜。

具體實施方式

下面結合附圖1至附圖5和實施例對本公開的技術方案進行詳細描述。

參見圖1,一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法,包括如下步驟:

S100:從來自同一實驗的所有掃描式勞厄衍射圖譜中任選一張衍射圖譜I進行二維中值濾波,獲得X射線熒光分布圖譜If并計算所述X射線熒光分布圖譜If上所有像素點的強度平均值Ifave;

S200:讀取所述實驗中的一張衍射圖譜,計算所述衍射圖譜I上各像素點Iij的強度平均值Iave和去除熒光背景后所述衍射圖譜I上各像素點Iij的強度值(Ire)ij,獲得去除熒光背景的衍射圖譜Ire;

S300:尋找所述去除熒光背景的衍射圖譜Ire上的衍射峰P;

S400:分析步驟S300中尋找的衍射峰P的峰形;

S500:判斷所有需要分析的衍射圖譜是否已經分析完成,若完成,則分析結束,否則重復執行步驟S200至步驟S400。

至此,本實施例完整的公開了一種自動分析掃描式勞厄衍射圖譜中衍射峰峰形的方法,揭示了去除衍射圖譜X射線熒光背景尋找衍射圖譜上的衍射峰的方法,并基于該尋峰方法揭示了新的衍射峰長軸計算方法;另外,在計算衍射峰的長軸時,考慮了衍射峰的強度信息,使計算精度更高、普適性更強,在質量較差的衍射峰上也可應用。

在另一個實施例中,步驟S100中,對所述衍射圖譜I進行二維中值濾波時,確定取中值的鄰域的大小。

就步驟S100而言,對衍射圖譜I進行二維中值濾波時,需要確定取中值的鄰域的大小,優選的,本實施例以DZ17G鎳基高溫合金的掃描式勞厄衍射圖譜作為本公開實施例的分析對象,圖2所示,其中,取中值的鄰域大小為100*100個像素點,所獲得的X射線熒光分布圖譜如圖3所示。

在另一個實施例中,步驟S200中,所述衍射圖譜I去除熒光背景后的各像素點Iij的強度值(Ire)ij通過下式獲得:

就步驟S200而言,去除熒光背景的衍射圖譜Ire如圖4所示。

在另一個實施例中,所述步驟S300包括如下步驟:

S301:計算所述衍射圖譜I的二值化圖譜Ib,方法如下:

其中,Ireave表示去除熒光背景后的衍射圖譜Ire上所有像素點的強度平均值;(Ib)ij表示二值化圖譜Ib中各點的強度值;α表示二值化閾值;

就步驟S301而言,二值化閾值α優選取4,獲得的二值化圖譜Ib如圖5所示。

S302:標記并框取所述二值化圖譜Ib中所有衍射峰p,對框取的衍射峰p使用二維高斯擬合法擬合出衍射峰p的中心位置;

在另一個實施例中,步驟S302中,使用二值圖像連通域標記算法在二值圖像上標記所述衍射峰p。

在另一個實施例中,步驟S302中,通過提取目標正外接矩形的算法取得標記后的所述衍射峰p的正外接矩形以框取所述衍射峰p。

就步驟S302而言,通過在衍射峰內部隨機取點,并不斷向外擴展矩形的四條邊,若矩形的某條邊與衍射峰不相交后,停止向外擴展該條邊,最終四條邊停止都擴展后,即得到該衍射峰的正外接矩形。得到所有衍射峰的正外接矩形后,在各矩形框中使用二維高斯擬合法擬合出各衍射峰的中心位置。

在另一個實施例中,所述步驟S400包括如下步驟:

S401:通過坐標變換將被框取的衍射峰p中所有像素點轉移至所述衍射峰p的倒易空間q;

S402:在所述倒易空間q內以衍射峰p的中心位置為坐標原點定義坐標系,計算衍射峰p在所述坐標系x軸方向上的積分拉長值Sp,方法如下:

其中,n表示轉化到倒易空間中所有像素點的個數,Ii表示第i個像素點的強度值,ri表示第i個像素點到x軸的距離;

S403:不斷旋轉步驟S402中所定義的坐標系,并計算Sp值,直到Sp值取到最??;

S404:通過高斯擬合求得衍射峰p在倒易空間q中x軸方向和y軸方向上的半高寬,并計算廣義峰寬,方法如下:

其中,Wlong表示衍射峰p在x軸上的半高寬,Wshort表示衍射峰p在y軸上的半高寬,hlong表示高斯擬合求得的衍射峰p在x軸方向上的峰高,hshort表示高斯擬合求得的衍射峰p在y軸方向上的峰高,Ilong表示x軸上各像素點的強度,Ishort表示y軸上各像素點的強度。

在另一個實施例中,步驟S401中,所述將被框取的衍射峰p中所有像素點轉移至所述衍射峰p的倒易空間q的方法為:

讀取探測器的空間轉角α(pitch)、β(roll)、γ(yaw),則矩陣

得到矩陣A后,讀取在獲得所分析圖譜時X射線在樣品上的照射點到探測器平面的距離d,計算矩形框內各像素點在對應的在探測器坐標系下的衍射信號的方向向量kx,y;定義已知的衍射峰中心坐標對應的方向向量k0,且其作為三維向量的三個項分別為xk,yk,zk,則

定義旋轉矩陣R,為計算方便,首先計算向量r1和向量r2;

r2=k0×r1

R=[r1 r2 k0]-1

對矩形框中所有的像素點,使用如下公式計算方向向量k′x,y:

k′x,y作為三維向量,其三個項為x′,y′,z′,則各像素點在所述倒易空間q中的位置坐標為(x′,y′),強度即為對應的矩形框中的點上的強度Ix,y。

在另一個實施例中,步驟S403中,使Sp取得最小值的坐標系中的x軸為衍射峰p在倒易空間q中的長軸方向,使Sp取得最小值的坐標系中的y軸為衍射峰p在倒易空間q中的短軸方向。

本公開揭示了衍射圖譜去除X射線熒光背景方法和尋峰操作方法,并基于該尋峰方法,揭示了新的衍射峰長軸計算方法;在計算衍射峰的長軸時,考慮了衍射峰的強度信息,使計算精度更高、普適性更強,在質量較差的衍射峰上也可應用;本公開在運行時計算量小,計算速度快,適用于對數量巨大的衍射圖譜進行分析。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本公開及其核心思想。應當指出,對于本技術領域的技術人員來說,在不脫離本公開原理的前提下,還可以對本公開進行若干改進和修飾,這些改進和修飾也落入本公開權利要求的保護范圍內。

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