主要基于紫外可见（UV-Vis）漫反射光谱首次对比研究了经过热处理、 有机或无机染料改色或钴-60产生的γ射线辐照三种不同处理工艺对同为珍珠质的淡水与海水珍珠及贝壳珍珠层的漫反射光谱的影响机制。 结果表明: （1）在不同颜色、 淡海水属性的珍珠与贝壳珍珠层的UV-Vis反射光谱的紫外区皆存在约280 nm 处的吸收峰, 上述吸收峰位归属于珍珠层中自身存在的有机质所致, 而非珍珠的致色色素。 （2）以上三种不同的处理工艺对上述280 nm处的吸收峰位存在一致的影响行为, 即随着不同的处理工艺强度的增大, 处理样品对应的反射谱图中约280 nm处吸收峰的强度逐渐降低直至消失。 与此同时, 珍珠的反射谱图中紫外区的反射主波长的反射强度也随之减弱, 且反射主波长的峰位向可见光区发生显著红移。 研究工作可为珍珠及珍珠的优化处理的鉴定筛选及其珍珠颜色的形成属性判定提供检测依据与理论支撑。

皮肤的漫反射光谱中包含丰富的组织信息,已被广泛应用于生理参数的检测,但由于人体生理参数变化复杂、多种情况下光学数据采集困难等因素,其在无创外周血液生理参数检测技术的发展及应用中受到了限制。鉴于此,使用蒙特卡罗模拟方法仿真了不同总血红蛋白、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、高铁血红蛋白等多种外周血液成分浓度对皮肤的漫反射光谱及肤色的影响,提出了基于色谱融合的发绀成因分析方法。结果表明,皮肤的颜色特征可区分健康、黄疸病以及发绀,而分析方法解决了仅使用肤色很难对发绀现象的成因进行准确区分的难题。

岩矿反射光谱的决定因素是其成分及含量, 变异因素主要为颗粒度、 粗糙度、 观测角度、 表面形态等。 为明确颗粒度与鞍山式铁矿反射光谱之间的关系, 采用SVC HR-1024便携式地物光谱仪对鞍山式铁矿的两种主要铁矿石(赤铁矿、 磁铁矿)进行不同颗粒度下的可见光-近红外光谱测试, 分析颗粒度对赤铁矿、 磁铁矿反射光谱的影响规律, 并明确颗粒度的敏感波段与稳定波段, 为以后的定量反演工作提供参考。 结果表明, 颗粒度对赤铁矿、 磁铁矿反射光谱的影响规律具有显著差异。 当赤铁矿试样粒径由0.03 mm增加到1 mm时, 光谱反射率随颗粒度增加而逐渐减小, 二者呈现显著负相关关系。 但是在不同的波段处, 赤铁矿反射光谱受颗粒度的影响程度不同, 在350~550 nm波段, 反射光谱受颗粒度影响非常微弱, 为赤铁矿反射光谱对颗粒度的稳定波段; 在550~950 nm波段, 反射光谱受颗粒度影响较微弱; 在950~1 250 nm波段, 反射光谱受颗粒度影响较显著; 在1 250~2 500 nm波段, 反射光谱受颗粒度影响非常显著, 为赤铁矿反射光谱对颗粒度的敏感波段。 当赤铁矿试样粒径大于1 mm之后, 赤铁矿反射光谱多重叠, 受颗粒度影响显著减弱, 且二者无明显相关性。 当磁铁矿试样粒径由0.03 mm增加到4 mm时, 磁铁矿反射光谱对颗粒度的响应非常微弱, 颗粒度引起的光谱反射率变化不超过3%, 且颗粒度与磁铁矿反射光谱间无相关性, 二者间联系微弱。 该研究揭示了颗粒度对鞍山式铁矿反射光谱的影响规律, 定量分析了颗粒度对赤铁矿、 磁铁矿反射光谱的影响程度, 并确定了颗粒度与试样反射率符合的函数分布关系, 为提高鞍山式铁矿的品位反演精度奠定了良好基础。

文物壁画在自然环境下产生褪色现象具有复杂性, 严格意义上讲, 人们无法重现自然环境下这种褪色发生的条件, 但这并不妨碍人们研究其褪色原因的可能性和途径。 通过实验来验证所提出机制的合理性, 这也符合自然科学普遍采用的研究方法。 提出颜料层微观形貌变化是引起壁画褪色的一种重要原因。 胶料作为颜料层的连续相, 当胶料分解时, 颜料层微观形貌必然产生变化, 为证明这种变化会引起颜料层褪色, 而非颜料变化所致。 建立了以具有较高热稳定性的赭石为颜料, 以明胶作为粘接剂制成模拟的壁画颜料层。 然后通过加热处理使胶料发生氧化分解, 从而造成颜料层微观形貌发生变化, 但赭石颜料依然稳定, 期望证明在颜料赭石不发生变化时, 由于颜料层微观形貌变化也可引起颜料褪色。 实验通过煅烧壁画颜料层模拟样获得胶料降解的壁画模型, 分别以SEM及多角度反射率光谱等技术, 考察模拟样胶料降解前后表面微观形貌和光学性质变化。 结果表明: 壁画模拟样煅烧后, 颜料层表面产生空隙结构, 样品表面多角度反射率光谱表明煅烧后样品颜料层对可见光的反射增加而吸收降低, 并观察到模拟样颜色淡化。 以无色, 难挥发, 且不与颜料层发生化学反应的离子液体涂覆褪色样品表面, 以上述技术表征涂覆处理前后颜料层表面微观形貌和表面光学性质变化, 结果表明: 离子液体填充了褪色样品表面颗粒间空隙, 检测到样品表面对可见光的反射降低而吸收增加, 观察到褪色样品的颜色加深。 以上实验结果证明了推测合理性, 即微观形貌变化确实会引起颜色变化。 依据此原理以唐代墓室褪色壁画为例, 进行了显现修复应用研究, 其颜色显现效果显著。

为了精密检测靶丸壳层折射率参数, 基于白光垂直扫描干涉和白光反射光谱的基本原理, 建立了二者联用的靶丸壳层折射率测量方法。数据处理利用曲线拟合测定极值点波长、并由干涉级次连续性判定干涉级次, 解决了白光反射光谱波峰位置难以精确确定和单极值点判读可能存在干涉级次误差等难题。对玻璃靶丸折射率进行了测量、实验验证和不确定度分析, 研究结果表明, 白光干涉技术能够实现靶丸壳层折射率的精确测量, 其测量不确定度约为 0.86%。

采用紫外-可见(ultraviolet-visible, UV-Vis)反射光谱并结合405 nm为激发光源的光致发光(photoluminescence, PL)光谱对海水养殖的黑色系珍珠进行较系统的光谱采集、 比对, 以期探究天然色黑色珍珠在上述光谱中的异同特性。 结果表明: (1)基于UV-Vis反射光谱中250~800 nm区间的谱图特征, 首次将黑色系珍珠的UV-Vis反射特性归类为四大类, 即①在约400, 500和700 nm处均存在吸收峰; ②在约400和500 nm两处存在吸收峰; ③在约400和700 nm两处存在吸收峰; ④在约500和700 nm两处存在吸收峰; (2)在405 nm激发光源下, 黑色珍珠的PL光谱在约620, 653和677 nm处皆出现特征吸收, 上述各吸收峰位在其他类别的淡海水珍珠的PL光谱中未曾见有具体报道。 且有趣的是, 首次发现黑色珍珠的PL光谱中约677 nm处的特征吸收峰表现出较强的光敏特征, 即随着激发光源辐照时间的延长, 该处吸收峰的强度渐弱甚至消失。 研究结果可为黑色系珍珠其颜色形成属性的鉴定、 判断提供理论与技术支撑。

为了研究长白落叶松光谱对土壤Cu胁迫的响应特征和变化规律, 在辽东树基沟矿区的3条勘测线上布置采样点, 进行表层土壤的多种重金属元素含量和长白落叶松针叶的反射光谱测定, 并提取了7个特征波段, 计算了多个波段区间的光谱角, 将其与土壤主要重金属铜的含量进行相关分析, 建立了回归模型。结果表明: 7个光谱特征波段中, “红谷”参数与表层土壤铜含量的相关系数最大, 基于“红谷”反射率建立的回归模型的R2达到0865。光谱角对铜胁迫长白落叶松针叶波段区间[400, 716] nm、[400, 2 500] nm的光谱变化十分敏感。“红边”位置和反射率与土壤铜含量不相关, 不适合区分矿区表层土壤重金属含量间的细微差别。对可见光敏感的“红谷”参数和光谱角均表明反射光谱的差异主要由叶绿素含量控制, 小部分受到针叶中水分含量的影响。本研究利用长白落叶松“红谷”和光谱角的“指纹效应”, 为快速有效反演大面积高植被覆盖区的土壤重金属含量、圈定隐伏矿(化)体提供了理论依据。

土壤含水量的变化情况与时空分布对热量平衡、 农业墒情等具有显著的影响。 利用反射率光谱信息反演土壤含水量的研究, 可为实现土壤含水量速测、 揭示土壤含水量时空变异规律提供科学依据。 构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型, 深入探究土壤重量含水量与反射率光谱的关系。 制备了12种不同湿度的土壤样品。 采用ASD Field Spec Pro 3地物波谱仪对制备的不同湿度梯度的黑土土壤进行反射率光谱测量。 利用菲涅耳反射率建立土壤表面反射模型; 在以往的研究中, Kubelka-Munk (KM)模型中的漫反射率R∞通常被视为对于给定材料和照明波长的常数或需要反演的参数。 通过研究发现, 漫反射率R∞不仅与材料和波长有关, 还与土壤含水量相关。 利用与土壤含水量相关的吸收系数及散射系数描述了土壤含水量与漫反射率R∞的关系, 并基于KM理论对体散射分量进行建模; 进而构建不同含水量黑土土壤反射率光谱半经验模型。 根据实际测量数据选用最小二乘算法对模型参数进行反演, 并通过分析反演参数简化模型。 最后, 将未参与建模的不同含水量梯度的数据代入模型中, 验证模型的有效性。 结果表明: 对比不同含水量土壤反射率光谱的模拟值与实测值在400～2 400 nm波段范围内的模拟精度发现, 含水量为200 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最大, 为0.008, 含水量为40 g·kg-1的土壤反射率光谱的均方根误差最小, 为0.000 6, 不同含水量下土壤样品反射率光谱的均方根误差的均值是0.005 1。 在400～2 400 nm波段范围内, 不同波长下黑土土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.008, 1 920 nm波长处的预测均方根误差最小, 为0.002 062。 采集长春地区的土壤检验模型的可靠性, 配制15个不同含水量样品并对其进行反射率光谱测量。 选取9个样品数据用于建模, 6个样品数据用于验证。 结果表明: 在400～2 400 nm波段范围内, 不同波长下的长春土壤反射率光谱的预测均方根误差基本低于0.015, 525 nm波长处的预测均方根误差最小, 为0.000 922 5。 综上所述, 所建立的模型具有很高的预测精度, 可很好地适用于不同含水量黑土土壤反射率光谱的模拟。

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法: 透射法和反射法。 其中, 根据光纤测头与生物组织接触与否, 反射法分为接触和非接触两种形式。 接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、 温度等变化会导致测量条件的变化, 进而影响光谱数据的稳定性; 非接触测量时, 虽然克服了接触压力、 测头温度等对测量的干扰, 却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头, 由于表面反射光强度高且集中, 将会影响检测器的动态范围。 因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。 针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。 首先, 以不同被测物为对象, 研究了表面反射光的偏振态, 结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关, 表面粗糙程度越小, 偏振度越高, 由此推断出, 经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性; 然后, 以Intralipid-20%溶液为被测对象, 对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究, 实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光; 最后, 比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线, 二者高度重合, 这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。 该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力, 旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响, 以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。