针对爬山算法在自动聚焦中出现的诸如准确率差、速度慢等问题，提出了一种结合自适应步长和两步搜索法的分区搜索算法。方法根据聚焦评价函数值大小和曲线线形将聚焦评价曲线分为平缓和陡峭两个区域，平缓区域使用自适应步长进行搜索，提高自动聚焦搜索速度；陡峭区域使用两步搜索法，避免假峰值干扰所导致的聚焦错误，提高自动聚焦准确率。实验结果表明，分区搜索算法相较于爬山算法聚焦速度提升了11.25%，且具有更好的准确性和抗干扰能力。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种元素快速分析手段, 具有无需样品预处理、 实时在线、 非接触、 多元素同时探测等诸多优点, 已在多个领域获得应用。 搭建了一套可实现环形扫描探测的LIBS光谱探测系统, 通过探测结果获得元素分布情况, 进而实现元素高浓度区域反演, 为环境异常情况监测、 污染源追踪甚至矿藏勘察提供一种有效的快速实时分析方法。 该系统运行过程中不需要整体移动, 只通过旋转部分光学器件即可完成360°全方位的快速扫描与探测, 进而以所采集到的光谱强度获知不同扫描角度下的元素分布情况, 用于反演元素高浓度区域的具体方位, 达到源头位置判定的目的。 为验证所提出的LIBS环形扫描设想, 评估所搭建系统的探测能力, 实验中以海水为探测样品制备富含K, Ca, Na和Mg的喷雾模拟污染源喷发情况, 通过标志性元素Na的LIBS光谱强度增长作为目标寻源的主要依据, 以每10°为间隔对360°范围内的元素情况进行了扫描探测。 实验结果显示该系统能够较为准确地反演出目标源头的具体方位, 但需要进行必要的探测结果校正。 校正过程具体包括“信号浮动校正”和“探测效率校正”两个方面, 前者用于降低LIBS探测过程中信号的不稳定性, 主要通过选用内标元素进行信号波动的校正; 后者则是减小探测过程中安装调试误差, 以环境中均匀分布元素的探测结果完成各扫描位置的光谱采集效率修正。 经过校正后的环形扫描数据显示, 搭建的系统不仅在大扫描半径(250, 300 mm)下能够准确获得“喷发源”位置外, 还能够在离喷发位置较远、 短扫描半径下(100 mm)明确元素高浓度区域的具体方位。 因此, 提出的这种适用于LIBS技术的环形扫描探测的硬件结构, 实验验证了该结构能够实现近似“雷达”的扫描分析, 通过元素光谱信号强度反馈用以实现目标具体方位的判断, 进而达到目标寻源的分析目的。

海洋微藻研究对海洋环境监测以及生物资源利用有着重要意义, 显微共焦拉曼光谱作为一种非标记、 快速检测技术已在生命领域获得广泛应用。现阶段, 商业化显微共焦拉曼仪器在微生物研究领域占据主导, 但由于体积庞大、工作环境要求严格等因素, 很难开展微藻细胞的现场检测与分析。因此, 将微型 光纤光谱仪引入微藻“单细胞”的检测, 自主研发了一套小型显微共焦拉曼系统, 尝试低成本开发微 生物分析设备。整个系统基于微型光纤光谱仪实现了硬件的一体化小型设计(L750 mm×W350 mm×H410 mm), 具备光谱探测、显微成像、光镊捕获功能。通过四种典型微藻(中肋骨条藻、微拟球藻、东海原甲藻及小藻)的检测验证, 成功识别了“单个活体细胞”内的蛋白质、脂类、糖原、核酸等多种细胞组分, 相应的结果经过主成分分析 (Principal component analysis, PCA)后, 很好地实现了四种微藻的种类归属, 证明了光纤光谱仪应用于单细胞量级 海洋微生物分析的可行性, 并有望在将来发展成为船基设备, 用于微藻的甲板在线检测。

作为一种分析技术, 激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy, LIBS)近年来在各个领域有着快速的发展, 在水下的应用也逐渐受到关注。对LIBS水下研究从实验室模拟到现场试验、从机理研究到技术发展都进行了回顾, 并以 中国海洋大学研制的深海LIBS原位探测系统LIBSea为例, 给出了LIBS系统在海洋探测中获得的典型结果, 最后对未 来5～10年LIBS水下研究方向进行了展望。

向量空间模型最初用于文献检索, 该模型是通过对文献内容进行特征文本提取后, 将文献转换到文本向量空间, 然后在文本向量空间中通过计算文献的特征文本向量与检索文本的特征文本向量的相似度, 实现文献的检索, 该方法基于模式识别中模板匹配的最近邻原则。 针对光谱数据的特点和模式识别中模板匹配的基本原则, 将向量空间模型引入基于样品光谱的分类识别。 通过训练集中光谱数据获得各样品的光谱数据模板, 提取训练集中各样品光谱数据模板特征峰的波长和相对强度信息, 构建特征峰信息数据库, 计算获得特征峰信息权值, 将光谱数据转换到特征峰向量空间, 获得各样品光谱数据模板的特征峰向量, 构建样品特征峰向量数据库。 同理获得预测集样品光谱的特征峰向量, 在特征峰向量空间中通过计算预测集样品特征峰向量与样品特征峰向量数据库中各样品模板特征峰向量的余弦值, 完成对预测集样品的分类识别。 以岩屑样品的LIBS光谱为研究对象, 将向量空间模型应用于LIBS光谱的分类识别。 分类结果表明, 该方法能够实现对岩屑样品LIBS全谱的快速分类识别, 且在对预测集光谱数据进行平均处理后, 分类准确率为100%。 提出的基于向量空间模型的LIBS光谱分类方法可以拓展应用于其他光谱数据的分类识别。

贝类生物作为海洋生态系统监测的理想标识, 以Ca为内标进行元素比例变化的分析, 将有可能获知气候演化及贝类生长等有用信息。 区别于其他技术, 微区激光诱导击穿光谱技术(Micro-LIBS: micro-probe laser induced breakdown spectroscopy)应用于贝类贝壳探测时, Ca的特征发射谱线将分布于整个光谱探测区间, 如何选择合适谱线作为内标是Ca内标法用于贝壳成分元素分析的关键。 以Ca元素为内标进行贝壳成分元素的Micro-LIBS探测, 通过归一化Ca元素全谱谱线、 最强离子谱线Ca Ⅱ 393.3 nm和不同强度原子谱线(Ca Ⅰ 422.7 nm/Ca Ⅰ 487.9 nm)为内标情况下Sr/Ca元素比例变化的比较, 结果发现相较于Ca离子线Ca Ⅱ 393.3 nm和强度较弱原子线Ca Ⅰ 487.9 nm, 以Ca元素全谱强度或最强原子线Ca Ⅰ 422.7 nm为内标时, Sr/Ca分布在贝壳分析区域内变化较小, 其浮动分别小于7%和10%, 符合贝壳分析区域为同一生长周期的纹理特征, 较为准确地反映了贝壳的生长发展; 同时, 应用Ca全谱强度为内标对贝壳成分元素分析发现, 元素比例Li/Ca, K/Ca, Na/Ca相较于Mn/Ca, 具有明显的相似特征, 说明海水富含轻质元素在贝壳生长分布上具有明显的相似性。 研究结果表明, 较强Ca原子线或全谱强度比Ca离子线更适合作为内标用于贝壳成分元素的微区LIBS分析, 证明了Micro-LIBS用于贝壳分析的可行性。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术作为一项新兴的水下原位探测技术, 备受海洋探测技术领域的关注。 将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力, 因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。 为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性, 采用图像与光谱相结合的方法, 以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。 通过对1～20 mJ不同能量激发下的等离子体图像分析, 获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。 随激光脉冲能量增大, 等离子体长度增加, 从1 mJ时的0.49 mm增加到20 mJ时的1.83 mm, 同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79 mm。 结合光谱探测分析, 得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。 虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布, 但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化, 在5 mJ激发下获得最佳辐射强度。 实验结果表明, 为满足远程LIBS应用需求, 提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。 还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。

光谱技术应用于海底极端环境下多参数、 多相态、 无接触探测已成为深海化学传感器发展的一个重要方向, 尤其是水下激光拉曼光谱技术和水下激光诱导击穿光谱技术正成为目前研究开发的热点。 该工作旨在探索一项水下激光诱导击穿光谱与激光拉曼光谱(LIBS-LRS)联合探测技术, 以实现LIBS和拉曼两种检测技术在检测系统上的整合, 在信息获取上的互补。 在实验室搭建了一套LIBS-LRS联合探测装置, 该装置对于拉曼和LIBS采用同样的激发光源、 光谱仪和探测器, 前置光路分为两部分: 拉曼光路和LIBS光路, 分别收集Na2SO4溶液的拉曼信号和LIBS信号。 前置光路收集的拉曼和LIBS信号由Y型光纤导入光谱仪, 分别在面阵CCD不同区域进行探测。 利用该装置对配置的Na2SO4溶液进行探测, 同时获得了Na元素的LIBS信号和SO2-4拉曼信号。 另外, 随着激光能量的提高, 在532 nm脉冲激光能量超过3.6 mJ时, 在拉曼光路同时获得了Na元素的LIBS信号和SO2-4拉曼信号, 这样采用同一光路即可实现两种光谱技术的联合, 然而实验发现, 随着激光能量的增加, 激光在溶液中击穿产生的轫致辐射造成了光谱探测基线整体的抬升, 对拉曼光谱弱信号的探测是不利的。 实验结果初步证明了在拉曼和LIBS在水下联合探测的可行性。

为了发展一种实时、快速、非接触,能对金属氧化物纳米薄膜中元素成分进行分析的检测方法,搭建了一套基于LIBS技术的薄膜检测分析系统.该系统可同时实现样品平面的精确定位,样品烧蚀坑形貌实时观测,等离子体成像和光谱采集等功能.样品为在单晶硅基底上利用溶胶-凝胶法制备的约40 nm厚的氧化锆功能薄膜,实验中将其放置在一个位移精度为0.01 mm的三维平移台上.系统测试结果表明,在两束聚焦的连续激光辅助下,样品平面的定位精度达到了20 μm,LIBS单脉冲检测光谱信号的面积分强度的重复性的相对标准偏差(RSD)达到了1.6%.在室温和大气环境下,对等离子体空间分布、信号强度随激发能量、时间参数和LTSD(激光聚焦点到样品表面的距离)参数而变化的情况从光谱角度进行了实验研究,并优化了实验参数和探测参数.利用实验得到的光谱数据,用玻尔兹曼方计算了等离子体的电子温度,利用硅的原子线计算了电子密度,对定量检测所必须的局部热力学平衡(LTE)条件进行了评价.