红外光谱分析技术已被液体、 固体和气体混合物各组分的定量检测广泛应用。 针对红外光谱定量检测过程中存在的计算过程复杂、 受背景及噪声干扰、 多组分谱线混叠的问题, 一方面, 通过获取谱线二阶导数去除背景及噪声干扰, 并一定程度上区分混叠谱峰。 在获取二阶导数谱线过程中运用Savitzky-Golay滤波器进行平滑滤波处理, 并根据谱线频率特征选取Savitzky-Golay滤波器最佳滤波参数, 解决了滤波参数缺乏标准化选取方法的问题。 另一方面, 根据被测组分的吸收分布情况生成特征吸收窗分别对待测原始吸收谱线以及二阶导数谱线加以处理, 提取出在浓度计算过程中占据重要性更大的特征吸收的区域, 从而排除非吸收区域中背景、 噪声及其他组分对计算结果的干扰。 以一组丙烷、 丙烯和甲苯混合气体为例, 运用二阶导数方法以及特征吸收窗方法进行定量检测, 并与直接利用原始谱线的检测结果进行比较分析。 实验结果表明采用二阶导数谱与特征吸收窗的定量检测方法精度更高, 相对误差基本在5%以内。

对傅里叶变换中红外光谱数据的平滑预处理中, 通常采用Savitzky-Golay滤波器的方法进行光谱数据的平滑预处理, 然而Savitzky-Golay滤波器的多项式拟合阶次和窗宽等参数的合理选则始终是一个难题, 并无统一的选择依据, 通常在一定数值范围内, 采用多组数据进行遍历尝试, 最终选择一组相对较优的数据作为Savitzky-Golay滤波器的多项式拟合阶次和窗宽参数。 文中探索了Savitzky-Golay滤波器的多项式拟合阶次和窗宽等参数的优化选取这一问题, 并对其主要频率指标参数与多项式拟合阶次和窗宽等参数进行了定性定量分析, 得出了截至频率、 阻带起始点频率、 第一旁瓣峰值频率及第一旁瓣峰值幅度与窗宽和阶次之间具体的计算方程表达式。 随后, 根据采集的中红外气体组分的光谱数据特征, 依据上述计算方程式, 优化计算选取多项式拟合阶次和窗宽分别为8和11时, 其Savitzky-Golay滤波器的中红外气体组分的光谱数据平滑效果最优。 最后通过实际采集的0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%, 5%浓度的CH4光谱数据进行平滑预处理, 在次吸收峰区域, 原始光谱的折算吸光率相对最大误差和最小误差分别为17.230 5%和0.243 0%, 平滑处理后的光谱的折算吸光率相对最大误差和最小误差分别为0.088 0%和0.020 6%。 可见经过Savitzky-Golay滤波器进行所探索的光谱数据预处理之后其相对误差基本稳定, 并且相对较低, 为后期光谱数据的准确定性和定量分析奠定了基础。

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)谱因共振强度、共振位置等不同而呈现不同的幅度和峰宽,需要发展自适应的分析方法才能保证SPR共振峰的精确定位.提出了一种基于Savitzky-Golay滤波器最优参数的SPR谱滤波方法,可根据实时SPR谱的特点优化滤波器参数(拟合阶数和窗宽),使滤波后光谱的均方误差(mean squared error,MSE)的Stein’s无偏风险估计(Stein’s unbiased risk estimate,SURE)最小,采用Monte-Carlo算法实现了SURE的快速求解.经验证,在不同的噪声水平下,SURE都可以准确反映实际MSE趋势及结果.采用搭建的SPR系统,实验测量了不同浓度、不同积分时间下蔗糖溶液的SPR信号,用提出的最优参数对SPR信号进行滤波,结果表明,与固定参数相比,该方法确定的SPR共振峰位置重复性误差较小,且不随噪声的增大而增大.

针对红外成像探测器单元响应不一致等因素导致的图像非均匀性条带问题, 提出了基于直方图加权和Savitzky-Golay拟合的非均匀性条带校正方法。首先, 计算每列的归一化直方图函数并将其作为权值对图像进行加权运算;然后, 利用Savitzky-Golay滤波器对加权后的图像列均值和列方差进行拟合, 并将结果带入校正公式, 通过可调参数的迭代完成校正。实验结果表明: 该方法能有效地去除非均匀性条带, 保留图像的光谱辐射信息和纹理细节, 各项评价指标均提高10%。

二极管激光吸收光谱以温度扫描实现快速宽谱调谐，其原始数据不便于传统的处理及运算，适当的预处理是进行后续数据处理的基础。在分析了温度调谐数据特征的基础上，利用Savitzky-Golay滤波器去除了波长序列中温度检测噪声的干扰，选择单调的波长区间对信号幅值进行三次样条插值，以固定的波长点对应采样点，得到一组位置固定的幅值序列用于后期处理。此方法将两列检测数据合并为一列，相同的起始点和固定的波长位置不仅将多周期平均后的信噪比提升为原始数据的6倍，也使多组数据的比较及评价成为可能，一致的波长分辨率保证了线形检测的精确度，减小了吸收峰的频带宽度，有助于后续的处理、运算以及评价。

为了解决散斑干涉计量中亚波长位移测量的困难，相移技术被广泛使用，但相移技术有其固有缺点，应用非常麻烦。这里提出一种不同于已往相移技术的全新微小位移测量方法。即把灰度等级法和散斑干涉计量相结合以实现对亚波长位移或变形的测量。克服了散斑干涉计量中变形或位移小于半个波长不产生完整条纹时计量困难的缺点，论述了其测量原理并进行了实验。实验结果很好地证明了上述方法的可行性。为精密散斑干涉计量提供了一种更简单有效的方法。