實(shí)驗(yàn)樣品采用尺寸100mm×50mm×5mm的黃銅，其主要成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)前對(duì)所用樣品進(jìn)行預(yù)處理，將樣品打磨處理并用酒精清洗后，用激光預(yù)處理黃銅樣品5次，以去除黃銅表面的氧化層和雜質(zhì)。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的黃銅樣品放置在恒溫控制臺(tái)上，使用熱電偶表測(cè)量黃銅樣品的表面溫度，當(dāng)加熱至特定溫度后，用功率約為7×10?Ｗ／cm2的激光燒蝕，記錄其等離子光譜。每采集30次光譜后，調(diào)節(jié)激光束方向，避免對(duì)相同部分反復(fù)燒蝕。在20～300℃溫度范圍內(nèi)，每隔20℃采集一組光譜數(shù)據(jù)，每個(gè)溫度采集30次，最后獲得450組光譜數(shù)據(jù)。

光譜數(shù)據(jù)的采集和處理中，原始光譜信號(hào)易受背景噪聲干擾，導(dǎo)致信噪比降低，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為更有效地提取出樣品表面的溫度信息，對(duì)數(shù)據(jù)中的噪聲和異常值進(jìn)行檢測(cè)和剔除，減弱干擾信息對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響。與原始譜線相比，降噪處理后譜線的光譜信噪比顯著提升，改善了定量分析的可靠性。為了減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的誤差，要進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量以提高數(shù)據(jù)的可靠性。然而多變量重復(fù)組導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐大，且包含大量冗余信息，易造成后續(xù)擬合困難。故在去噪處理后進(jìn)行主成分分析進(jìn)一步提升正確率，將數(shù)據(jù)壓縮、降維，從而減少維度和冗余信息，并提取出更有用的特征，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析和擬合。圖2展示了不同數(shù)量主成分的保留效果。通過(guò)線性變換，將原有216維光譜數(shù)據(jù)降至6維，數(shù)據(jù)維度僅為原來(lái)的1／36，并且主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了99％，這表明前6個(gè)主成分已經(jīng)涵蓋黃銅光譜數(shù)據(jù)的大部分信息，大幅提高建模的效率。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)中選擇波長(zhǎng)范圍509-524nm的Cu元素的譜線作為對(duì)象，圖3展示了在不同表面溫度下Cu元素的光譜強(qiáng)度變化。表2給出了CuI 510.55nm、CuI 515.32nm和CuI 521.82nm三種特征譜線的光譜數(shù)據(jù)表。隨著表面溫度升高，譜線整體的光譜強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)。在激光誘導(dǎo)等離子體過(guò)程中，發(fā)射光譜的強(qiáng)度與等離子體的電子溫度密切相關(guān)。激光誘導(dǎo)等。離子體在局部符合熱力學(xué)平衡條件，Cu元素的數(shù)條特征譜線都處于相同的激發(fā)態(tài)，采用Boltzmann斜線法對(duì)等離子體溫度T進(jìn)行定量地計(jì)算。聯(lián)合CuI 515.32nm和CuI 521.82nm兩條不同能級(jí)的

特征譜線，代入Boltzmann推導(dǎo)式（１）：

式中：λi?為元素在原子躍遷能級(jí)i和原子激發(fā)態(tài)j間的特征譜線波長(zhǎng)；Ii?為特征譜線的強(qiáng)度；k為Boltzmann常數(shù)，其值為8.625×10??eV／K；gi為統(tǒng)計(jì)權(quán)重；Ai為躍遷幾率；Ｅ?為上能級(jí)的能量；N?為原子總密度；h為普朗克常數(shù)；U?為碰撞時(shí)的平均能量損失。從表2中獲取參數(shù)代入方程，即可求得Ｔ。

圖4為不同表面溫度下等離子體的電子溫度。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，等離子體的電子溫度也隨著表面溫度的增加而增加。隨著樣品表面溫度升高，材料表面的電子和分子振動(dòng)增加，使表面吸收激光部分能量。同時(shí)高溫導(dǎo)致熱能快速?gòu)募す饩劢箙^(qū)域擴(kuò)散到周圍，降低了燒蝕閾值，這更易激發(fā)等離子體繼而增強(qiáng)光譜信號(hào)強(qiáng)度。

激光燒蝕樣品表面后產(chǎn)生的等離子體存在時(shí)間極為短暫，因此脈沖觸發(fā)延遲時(shí)間和曝光門寬對(duì)特征光譜的分析及樣品元素的檢測(cè)至關(guān)重要。為討論實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)光譜信號(hào)的影響規(guī)律，文中分別采集了不同曝光門寬和不同脈沖觸發(fā)延遲時(shí)間下的光譜信號(hào)，并計(jì)算其信噪比。圖５展示了曝光門寬分別為1μs、2μs、3μs時(shí)，CuI 515.32nm的特征譜線強(qiáng)度和信噪比隨溫度變化的趨勢(shì)。在表面溫度為20℃的實(shí)驗(yàn)條件下，門寬為１μs時(shí)SNR為3.46、門寬為3μs時(shí)SNR為6.53。故隨曝光門寬增加，光譜強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)，且光譜強(qiáng)度和信噪比的變化規(guī)律基本一致。當(dāng)SNR較低時(shí)，噪聲可能會(huì)掩蓋或降低信號(hào)的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的誤差和不確定性增大，相對(duì)較高的SNR更有利于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。等離子體產(chǎn)生的初始階段以韌致輻射為主，致使光譜背景噪聲強(qiáng)，使得譜線信噪比相對(duì)較小。圖６展示了延遲時(shí)間分別為0.8μs、1.2μs和1.6 μs下CuI515.32nm特征譜線強(qiáng)度與信噪比隨溫度的變化趨勢(shì)。在相同溫度下，延遲時(shí)間由1μs逐漸增加，譜線強(qiáng)度也隨之呈增強(qiáng)趨勢(shì)。同時(shí)隨著樣品表面溫度升高，信噪比逐漸增強(qiáng)，光譜信號(hào)表現(xiàn)得更為清晰。為有效展示譜線強(qiáng)度隨溫度變化的靈敏程度，選取CuI515.32nm處的特征譜線強(qiáng)度作不同溫度范圍的靈敏度分析。選取20～100℃、100～200℃和200～300℃三個(gè)溫度范圍，分析對(duì)應(yīng)光譜強(qiáng)度變化率。結(jié)果如圖7所示，在20～100℃溫度范圍中，與門寬１μs時(shí)相比，在門寬2μs和3μs時(shí)，光譜強(qiáng)度分別提高了2.44倍和3.23倍。對(duì)比100～200℃和200～300℃兩個(gè)溫度范圍，光譜強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。相同實(shí)驗(yàn)條件下，門寬的增加使光譜強(qiáng)度變化率增大，光譜變化更靈敏。當(dāng)門寬相同時(shí)，隨著溫度持續(xù)升高，高溫區(qū)域的光譜強(qiáng)度變化率明顯減小。

由于光譜強(qiáng)度和信噪比對(duì)樣品的表面溫度較敏感，因此開(kāi)發(fā)一種表面溫度測(cè)量法。實(shí)驗(yàn)采集的光譜數(shù)據(jù)去噪處理后采用PCA對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維。將光譜數(shù)據(jù)按照4:1隨機(jī)分組，用于建立訓(xùn)練集模型和預(yù)測(cè)集模型。文中分別采用BP?ANN和PLS對(duì)光譜強(qiáng)度和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合。以線性相關(guān)性擬合度RR2、均方根誤差RRMSE和分類正確率Rc等3個(gè)指標(biāo)對(duì)模型性能評(píng)估。其中，RR2表示擬合結(jié)果中預(yù)測(cè)值和真實(shí)值間的RRMSE表示真實(shí)值與預(yù)測(cè)值之間的偏差程度，其值越小說(shuō)明偏差越小。BP?ANN通過(guò)多層次的神經(jīng)元連接來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入和輸出變量之間的映射關(guān)系建模。將預(yù)處理的光譜強(qiáng)度歸一化處理后，隨機(jī)選取其中360組光譜數(shù)據(jù)作為模型的訓(xùn)練集，建立3層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1000次，精度為0.001，學(xué)習(xí)率為0.01。剩余90組數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)集，對(duì)比模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果評(píng)估模型的準(zhǔn)確度。利用建立的溫度模型對(duì)預(yù)測(cè)集進(jìn)行擬合，圖8（a）展示了測(cè)試集的擬合結(jié)果，測(cè)試集RR2為0.999，RRMSE為2.582，Rc達(dá)到98.3％，表明ＢＰ模型具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。文中實(shí)驗(yàn)還采用PLS對(duì)多變量之間的復(fù)雜關(guān)系建模，利用全部組光譜數(shù)據(jù)作為自變量，溫度作為因變量，擬合光譜強(qiáng)度和溫度之間的關(guān)系。圖8（b）為PLS模型的擬合結(jié)果，預(yù)測(cè)集RR2為0.991，RRMSE為8.165，Rc達(dá)到83.3％。從兩種模型的擬合結(jié)果可以得出光譜強(qiáng)度和樣品表面溫度有著強(qiáng)相關(guān)性。相較于PLS模型，BP模型更適合處理非線性多變量的光譜數(shù)據(jù)，其正確率更高，擬合偏差更小。

文中基于物體表面溫度與激光誘導(dǎo)等離子體光譜的相關(guān)性，提出了一種微秒量級(jí)時(shí)間分辨的物體表面瞬態(tài)溫度測(cè)量方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到如下結(jié)論。

（１）光譜強(qiáng)度和信噪比隨著樣品表面溫度升高而升高。當(dāng)物體表面溫度升高時(shí)，表面材料燒蝕閾值降低，更易激發(fā)等離子體，且產(chǎn)生等離子體的電子溫度更高，導(dǎo)致光譜信號(hào)得到增強(qiáng)。

（２）延長(zhǎng)光譜采集時(shí)間和門寬可以一定程度提高光譜強(qiáng)度與信噪比，可以通過(guò)優(yōu)化延時(shí)和門寬優(yōu)化光譜信號(hào)質(zhì)量。

（３）對(duì)比BP?ANN與PLS校準(zhǔn)模型可知，通過(guò)BP?ANN法得到的校準(zhǔn)模型更好，其R??＞0.99，R????為2.582，Rc為98.3％。

可以通過(guò)上海如海光電HGS2048激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀對(duì)溫度增強(qiáng)光譜效應(yīng)進(jìn)行研究，探明不同延時(shí)與門寬對(duì)光譜強(qiáng)度和信噪比的影響規(guī)律。