1 华北理工大学人工智能学院, 河北 唐山 063210
2 华北理工大学河北省工业智能感知重点实验室, 河北 唐山 063210
3 河钢集团钢研总院, 河北 石家庄 050000
4 华北理工大学电气工程学院, 河北 唐山 063210
我国每年的钢铁生产与出口量位居世界前列, 而在钢铁生产过程中产生的废钢是一种重要的资源。 废钢的精准分类是电炉炼钢的关键环节, 对于环境能源的可持续发展也具有重要意义。 为了提高废钢回收利用的效率, 提出了一种利用激光诱导击穿光谱结合XGBSFS特征优选的废钢牌号智能识别方法, 与k最邻近算法（kNN）、 支持向量机（SVM）分类算法联合建立了XGBSFS-SVM、 XGBSFS-kNN两种优化模型。 首先通过Lapa-80型固体脉冲激光器采集3类共18种不同的废钢样品在170~400 nm范围内的激光诱导击穿光谱数据, 通过k值校验剔除光谱数据中的粗大误差, 并对剔除后剩余的数据进行平均, 每个样品28组共得到504组平均光谱数据; 然后对光谱数据进行基线校正、 归一化等预处理, 降低基体波动影响; 最后将处理后的光谱数据从每类钢种中提取一个样品的数据作为模型的测试集, 剩余数据作为模型的训练集, 并提取光谱数据中Si, Cu和C等元素的16条特征谱线作为分类特征, 用于模型的输入, 经过基于XGBoost的XGBSFS特征选择算法对变量进行优化后, 应用kNN、 SVM建立废钢智能识别模型。 XGBSFS-SVM、 XGBSFS-kNN算法模型在测试集上的准确率分别为100%和98.8%, 输入维数也均由16维降至2维, 且两种模型的建模时间分别由3.1下降至2.79 s, 3.26 s下降至1.64 s, 相较于单独使用SVM和kNN的算法模型, 提出的优化模型预测精度和建模效率较高, 且泛化能力较好。 经过对比建模时间和准确率综合效果, 选取XGBSFS-SVM模型用于不同废钢的智能快速识别。 实验结果表明, 该研究提出的LIBS与XGBSFS特征优选方法能够有效的对特征变量进行优化建模, 为工业生产中废钢种类的快速智能识别和钢铁的回收提供了一种新技术。
激光诱导击穿光谱 牌号识别 特征选择 废钢 Laser induced breakdown spectroscopy Grade identification Feature selection Scrap steel
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
为了提高铝合金定量分析的精度, 将激光诱导击穿光谱技术与多变量线性回归、 中值高斯核支持向量机回归及标准化偏最小二乘回归等方法相结合, 建立铝合金中 Cu元素定量分析模型。 对采集的LIBS光谱进行三阶极小值去背景和小波阈值降噪处理, 从而提高LIBS光谱的信背比。 将处理后数据筛选最佳训练集、 预测集并用多变量线性回归、 中值高斯核支持向量机回归法和标准化偏最小二乘拟合回归等建立定标模型。 选用 Cu Ⅰ 324.80 nm, Cu Ⅰ 327.43 nm两条特征谱线以及323~329 nm范围内的LIBS光谱数据进行定量分析, 对比分析三种LIBS定量分析模型的拟合系数(R2)、 定标均方根误差(RMSEC)、 预测均方根误差(RMSEP)和平均相对误差(ARE)等。 结果表明, 相对于多变量线性回归和中值高斯核支持向量机回归法两种LIBS定量分析模型, 对于铝合金中的Cu元素定量分析, 标准化PLSR模型的精度和准确度都有明显的提高, 并且LIBS定标曲线的R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.997, 0.014 Wt%, 0.129 Wt%和3.053%。 研究结果表明在提高定标模型精确度与泛化性方面, 标准化PLSR方法更具有优势, 能够有效地减小参数波动和自吸收效应对铝合金定量分析的影响。
激光诱导击穿光谱 标准化偏最小二乘回归 中值高斯核支持向量机回归 多变量回归 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Standardized partial least squares regression Medium Gaussian kernel support vector machine regression Multivariate regression Aluminum alloy
1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
铝合金中Fe元素的浓度会影响铝合金的软硬程度, 从而影响铝合金器件的工作使用寿命, 因此铝合金中Fe的含量检测精度非常重要, 开展了空间约束结合支持向量机提高毫秒激光诱导击穿光谱的铝合金中的Fe元素成分检测精度研究。 在平板空间约束条件下, 毫秒激光诱导铝等离子体光谱出现了光谱增强, 并且提高了等离子体辐射光谱稳定性, 光谱辐射中的Fe Ⅰ 345.99 nm, Fe Ⅰ 369.51 nm, Al Ⅰ 394.40 nm, Al Ⅰ 396.15 nm四条特征谱线的增强因子分别为2.20, 2.14, 2.28, 2.41。 建立了基于外标法和支持向量机(SVM)的铝合金中Fe元素定量分析定标模型, 采用外标法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.893, 0.261 Wt%, 0.156 Wt%, 40.977%和0.852, 0.337 Wt%, 0.274 Wt%, 42.947%。 在约束条件下SVM模型的RMSEC为0.086 2 Wt%, RMSEP为0.043 1 Wt%; 采用SVM方法得到有无平板空间约束下ms-LIBS对Fe元素的定标曲线的拟合相关系数R2, RMSEC, RMSEP和ARE分别为0.984, 0.086 Wt%, 0.043 Wt%, 3.715%和0.941, 0.134 Wt%, 0.051 Wt%, 12.353%。 结果表明, 在空间约束条件下, 采用ms-LIBS结合SVM方法能够大幅度提高ms-LIBs的定量分析精度和实验重复性, 且有效降低了铝合金的基体效应, 能够满足铝合金的痕量元素快速检测。
激光诱导击穿光谱 支持向量机 空间约束 毫秒激光 铝合金 Laser-induced breakdown spectroscopy Support Vector Machine Spatial constraint Millisecond laser Aluminum alloy
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
3 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
联苯菊酯是一种Ⅰ型拟除虫菊酯农药, 因药效好, 作用迅速, 易降解等优点而被广泛地应用于农业生产中。 但联苯菊酯农药残留对有益昆虫, 水生动物有致死毒性, 对人类具有内分泌干扰作用, 雌激素效应, 并能存留于肝脏等多种器官, 对人体健康有严重危害。 密度泛函理论是一种量子力学从头计算方法, 可以用来计算分子轨道和拉曼光谱。 结合密度泛函理论和拉曼光谱研究物质是当前最为常用的拉曼光谱研究方法。 采用密度泛函理论的B3LYP/6-31G基组, 对联苯菊酯分子构型进行优化并计算了其理论拉曼光谱。 在实验中采用波长为785 nm激光作为激发光, 获得了联苯菊酯分析纯固体的自发拉曼光谱。 将联苯菊酯理论拉曼光谱和实验拉曼光谱对比分析, 对联苯菊酯分子的振动模式进行分析和归属, 联苯菊酯分子结构相对复杂, 振动模式较多, 拉曼峰复杂繁多, 找到了位于659, 948, 993和1 292 cm-1处拉曼活性相对较强的峰作为鉴别联苯菊酯的特征峰, 并可以根据这些特征峰对联苯菊酯分子进行定性定量分析。 研究结果表明, 联苯菊酯的理论拉曼光谱和实验拉曼光谱具有较好的匹配性, 但二者在特征峰的波数上存在一定程度的偏移。 这是由于理论计算考察的对象为联苯菊酯的气态单分子, 而联苯菊酯固体中存在复杂的分子间作用和基团间相互作用。 当前对联苯菊酯的分子振动模式和拉曼光谱研究相对较少, 且联苯菊酯农药残留也是近年来备受关注的问题, 研究结果将为联苯菊酯农药残留的定性定量分析提供了一种新的可行方法, 并为作物表面农药残留快速检测奠定基础。
I型拟除虫菊脂 农药残留 联苯菊酯 密度泛函理论 拉曼光谱 Type I pyrethroid Pesticide residue Density functional theory Raman spectroscopy Bifenthrin 光谱学与光谱分析
2020, 40(6): 1952
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
3 西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065
人参作为东北地区重要的经济作物, 是著名的“东北三宝”之一。 随着社会经济的快速发展, 人们对于养生保健产品的重视度和需求量也随之提高。 目前, 市场所售人参存在农残超标、 品质较差和种类混乱的现象, 而且含有重金属元素的人参对于食用者会造成极大的危害。 传统人参识别方法主要是根据人参基源、 性状、 显微和理化特性对人参进行生药研究, 但是这些方法存在人为因素影响、 繁琐复杂的样品预处理和二次污染的问题, 不能实现可靠快速检测。 基于激光诱导击穿光谱技术（LIBS）结合主成分分析法（PCA）对人参产地和人参部位进行聚类分析, 以及对人参重金属元素进行定量分析。 采集吉林省5个产地6种人参的LIBS光谱数据（200~975 nm）, 通过对光谱进行平均值预处理, 利用PCA算法对光谱数据进行降维、 聚类分析, 实现人参产地快速聚类识别、 同一产地的园参与林下参的聚类识别以及同一株人参的不同部位聚类识别。 实验结果发现, 由于同株人参不同部位的元素含量区别不大, 造成人参主干和参须部位聚类效果不佳, 对于6种人参可实现较好的分类效果。 最后对人参样品中重金属元素Pb和Cr进行了定量分析, 计算得到人参中Pb和Cr元素的检测限（LOD）分别为9.55和10.86 mg·kg-1, 去一交互均方根误差（RMSECV）分别为0.011和0.023 Wt.%。 结果表明LIBS结合PCA算法对于人参分类和重金属检测具有较好的应用前景。
激光诱导击穿光谱 主成分分析 聚类分析 检测限 Laser-induced breakdown spectroscopy Principal component analysis Classification analysis Limits of detection 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2629
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
果糖是一种常见于蜂蜜和多种植物中的简单酮糖, 属于三种可食用单糖之一, 可与葡萄糖结合形成双糖蔗糖。 纯净的果糖常温呈白色晶体状, 具有甜度高、 升糖指数低等优点, 广泛应用于食品行业。 截止目前, 由于针对固相果糖的太赫兹和红外特征吸收谱研究大多局限于单纯的实验测试或者基于单分子理论计算, 缺乏较为系统完善的研究, 因此从理论和实验上系统研究了固相果糖的太赫兹特征吸收谱及红外特征吸收谱, 首次报道了固相果糖在频谱大于3.0 THz以外的特征吸收峰的实验值, 采用基于单分子的MP2和B3LYP泛函以及基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算获得了固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱, 并与实验获得的固相果糖太赫兹及红外特征吸收谱进行了比对分析, 发现基于晶胞的PBE和PW91交换相关泛函计算结果与实验获得的果糖太赫兹特征吸收峰更相符, 表明固相果糖在0.1～4.0 THz的大多数太赫兹特征吸收峰源自分子间相互作用而非分子内相互作用, 揭示了果糖分子周围环境对果糖振动模式的显著影响。
太赫兹波谱 红外光谱 果糖 固相 振动模式 Terahertz spectra Infrared spectra Fructose Solid-state Vibration mode 光谱学与光谱分析
2018, 38(9): 2700
1 长春理工大学 理学院, 长春 130022
2 长春理工大学 化学与环境工程学院, 长春 130022
建立磁约束飞秒激光诱导铜等离子体辐射光谱采集系统, 通过发射光谱法分析磁约束效应对飞秒激光诱导铜等离子体特性的影响.在强度为0.67 T的稳磁场约束下, 等离子体辐射连续谱和分立谱均有增强, 分立谱线增强更显著; 铜原子上能级越高, 其辐射的原子谱线增强因子越大, 具有最高上能级的Cu I 507.6 nm增强因子最大, 为2.8; 等离子体铜原子谱线持续时间明显延长, 在等离子体演化初期, 谱线增强显著, 在较大延时, 谱线增强迅速减弱; 等离子体电子温度和电子密度均有提高.
飞秒激光诱导击穿光谱 磁约束 光谱增强 电子温度 电子密度 Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy Magnetic confinement Spectral enhancement Electron temperature Electron density
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
研究了脉冲能量对飞秒激光等离子体丝形成的影响, 基于荧光光谱法和照相图像法得到脉冲能量对飞秒激光等离子体丝长度和成丝起点的影响规律。实验结果表明：飞秒激光在大气中传输时, 经透镜聚焦后形成较长的等离子体丝; 随着脉冲能量的增大, 等离子体丝的成丝起点位置向聚焦透镜位置移动, 同时等离子体丝的长度增加; 等离子体丝辐射的N2 337 nm荧光谱线强度峰值位置靠近聚焦透镜, 并且整体荧光光谱强度得到增强; 相比于照相图像法, 荧光光谱法测量得到的等离子体丝长度更加可靠。最后对脉冲能量对等离子体丝起点位置的影响进行了理论解释。
非线性光学 飞秒激光等离子体丝 等离子体丝长度 荧光光谱 克尔自聚焦效应 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 121901
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于瞬态光电流模型研究了激光波长对双色激光等离子体产生太赫兹波的影响.通过理论计算证明: 太赫兹信号随激光波长的增大而增强, 其变化趋势不会因为双色激光强度、脉宽、相位差、强度比的变化而改变; 太赫兹波的频谱不会因为激光波长的改变发生变化.分析了双色激光波长影响太赫兹辐射强度的原因, 并利用自由电子密度和漂移电流密度阐明了该影响的内在物理机制.
太赫兹波 等离子体 光电流模型 激光波长 自由电子 漂移电流 Terahertz waves Plasma Transient photocurrent model Laser wavelength Free electron Drift current 光子学报
2017, 46(12): 1214003
