Laser-induced breakdown spectroscopy is a preferred technique for fast and direct multi-elemental mapping of samples under ambient pressure, without any limitation on the targeted element. However, LIBS mapping data have two peculiarities: an intrinsically low signal-to-noise ratio due to single-shot measurements, and a high dimensionality due to the high number of spectra acquired for imaging. This is all the truer as lateral resolution gets higher: in this case, the ablation spot diameter is reduced, as well as the ablated mass and the emission signal, while the number of spectra for a given surface increases. Therefore, efficient extraction of physico-chemical information from a noisy and large dataset is a major issue. Multivariate approaches were introduced by several authors as a means to cope with such data, particularly Principal Component Analysis. Yet, PCA is known to present theoretical constraints for the consistent reconstruction of the dataset, and has therefore limitations to efficient interpretation of LIBS mapping data. In this paper, we introduce HyperPCA, a new analysis tool for hyperspectral images based on a sparse representation of the data using Discrete Wavelet Transform and kernel-based sparse PCA to reduce the impact of noise on the data and to consistently reconstruct the spectroscopic signal, with a particular emphasis on LIBS data. The method is first illustrated using simulated LIBS mapping datasets to emphasize its performances with highly noisy and/or highly interfered spectra. Comparisons to standard PCA and to traditional univariate data analyses are provided. Finally, it is used to process real data in two cases that clearly illustrate the potential of the proposed algorithm. We show that the method presents advantages both in quantity and quality of the information recovered, thus improving the physico-chemical characterisation of analysed surfaces.


翻译:激光诱发的分解光谱分析是环境压力下快速和直接多角度对样本进行多角度干涉性测绘的首选技术,对目标元素没有任何限制。然而,LIMB的绘图数据有两个特殊性:单发测量产生的信号到噪音的比例内在较低,以及由于为成像而获得的光谱数量之多而具有的高度维度。随着横向分辨率的提高,这都是最真实的:在此情况下,消化点直径被降低,以及放大的光谱质和排放信号,而给定表面的光谱则有所增加。因此,从噪音和大数据集中高效提取物理化学信息是一个重大问题。一些作者采用了多变方法来应对这类数据,特别是主要成分分析。然而,人们知道,由于对数据集的一致重建提出了理论限制,因此,对LIMBS的绘图数据高效解释数据。我们引入了超超频谱化图像的新分析工具,其基础是数据以低频度表示,使用Disrete-colate Storal 数据分析,从而用高清晰的图像分析法显示其高清晰度数据转换和高分辨率数据分析。

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在统计中,主成分分析(PCA)是一种通过最大化每个维度的方差来将较高维度空间中的数据投影到较低维度空间中的方法。给定二维,三维或更高维空间中的点集合,可以将“最佳拟合”线定义为最小化从点到线的平均平方距离的线。可以从垂直于第一条直线的方向类似地选择下一条最佳拟合线。重复此过程会产生一个正交的基础,其中数据的不同单个维度是不相关的。 这些基向量称为主成分。
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