红外与激光工程
2022, 51(12): 20220156
内蒙古科技大学材料与冶金学院, 白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
高能球磨法是材料制备过程中常用的方法, 通过物料在高速运转的过程中进行磨合而产生晶体空位缺陷, 实现元素的掺杂, 进而发生化学吸附或化学反应, 合成产生新的物相, 对于后续合成材料的性能有很大影响。 钡铁氧体具有良好的磁性能, 被用于功能材料制备的诸多领域。 采用高能球磨法制备钡铁氧体前驱体, 利用XRD, SEM和FTIR检测方法考察不同高能球磨时间下钡铁氧体前驱体物相、 微观形貌及官能团的变化规律, 并通过红外二阶导数光谱、 拟合平滑光谱计算法, 定量分析高能球磨过程中物相的变化规律。 XRD及SEM检测结果表明, 随球磨时间增加, 钡铁氧体前驱体各物相的衍射峰宽度变宽, 粉末细化, 晶格逐渐发生畸变, 产生晶体空位缺陷, 从而使Ba溶入Fe2O3晶格中生成BaxFe2-xO3的固溶体, 且产生吸附“团聚”现象; 当球磨时间大于40 h时, 发生“纳米尺寸效应”, 生成有磁性的Fe3O4及BaxFe3-xO4固溶体。 红外光谱分析结果显示, 随着球磨时间的增加, BaCO3和α-Fe2O3的特征峰均存在峰强减小、 峰位发生明显移动的规律, 表明随着球磨时间增加, BaCO3和α-Fe2O3颗粒粒度变小, 且发生化学吸附。 通过红外光谱的平滑拟合光谱和二阶导数光谱计算可知, 随球磨时间的增加, 各吸收峰面积均明显减小。 相对于球磨0 h, 在球磨10, 20和40 h后, 波数473 cm-1的Fe—O键振动吸收峰的峰面积分别减少48.84%, 65.97%和93.54%; 而在波数540 cm-1处的Fe—O键吸收峰的峰面积则分别减少37.11%, 51.76%和82.85%; 同理, 在波数856 cm-1处的O—C—O键的面内弯曲振动吸收峰的峰面积分别减少30.62%, 44.71%和67.10%; 在波数1 446 cm-1处的C—O键不对称伸缩振动峰的峰面积则分别减少0.03%, 27.63%和57.90%。 从定量分析的角度考察了钡铁氧体前驱体高能球磨过程中物相的变化规律并精准确定反应产物含量变化的百分比, 对于后续材料的合成与性能随钡铁氧体前驱体物相不同而发生变化的研究有重要的指导意义。
钡铁氧体前驱体 高能球磨 光谱拟合 二阶导数光谱 Barium ferrite precursors High energy ball milling Spectral fitting Second derivative spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1634
1 湖南警察学院刑事科学技术系，湖南 长沙 410138
2 湖南省长沙市公安局岳麓分局物证鉴定室，湖南 长沙 410006
镇静类药物的无损快速检验分析在法庭科学理化检验中具有重要意义。为了实现对苯二氮卓类镇静药物种类的准确区分，本实验室对8类共计81份样本进行了检验；借助衰减全反射-表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）分析技术获取各样本的光谱数据，基于原始光谱数据集、一阶导数光谱数据集、光谱融合数据集分别构建Fisher判别分析（FDA）和多层感知器神经网络（MLPNN）分类模型。结果表明：不同样本的理化信息存在一定差异，ATR-SEIRAS谱图可以将这些差异反映出来，从而为实现不同苯二氮卓类镇静药物的有效分类奠定基础；基于光谱融合数据集构建的FDA模型的识别准确率最高，为100%，基于一阶导数光谱数据集和原始光谱数据集构建的FDA模型的识别准确率分别为96.3%和92.6%；基于上述三种数据集构建的MLPNN模型的识别准确率分别为97.5%、96.3%和88.9%。ATR-SEIRAS分析技术结合Fisher判别分析和多层感知器神经网络可以实现8类苯二氮卓类镇静药物的无损准确识别。
光谱学 光谱融合 导数光谱 苯二氮卓类镇静药物 无损分类 激光与光电子学进展
2022, 59(2): 0230001
内蒙古科技大学, 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
目前浮选提高重晶石品位的方法通常采用新型浮选药剂从低品位重晶石矿中进行分选, 采用微波加热预处理矿物可提高浮选回收率, 但微波对浮选药剂与矿物的作用机理还不清楚。 微波加热技术近年来用于矿物加工、 冶金与材料制备等领域, 具有反应速度快、 产品指标高等优点。 以油酸钠为捕收剂, 对微波预处理后的重晶石纯矿物进行浮选, 并对不同微波作用时间下的重晶石浮选样品进行红外光谱检测, 通过红外拟合平滑光谱和二阶导数光谱计算分析, 研究微波对重晶石浮选的影响机理。 浮选试验结果表明, 未经微波预处理的重晶石, 在油酸钠用量为55 mg·L-1、 pH值为8.0的条件下, 浮选指标最佳, 回收率为91.41%; 而对比之下, 经微波作用后的重晶石进行浮选, 随着微波处理时间的增加浮选指标逐渐提高, 且在微波作用60s时的回收率最高, 达95.27%。 基于浮选试验的红外光谱分析表明, 重晶石未经微波预处理进行浮选, 与油酸钠作用, 在波数为3 004 cm-1处—CH2—的对称伸缩振动峰、 2 953 cm-1处—CH3的反对称伸缩振动峰、 1 119和1 077 cm-1处$SO^{2}_{4}$的非对称伸缩振动峰均发生了红移, 说明油酸钠在重晶石表面发生化学吸附; 而经微波预处理后的重晶石浮选时, 在波数为2 853 cm-1处—CH2—对称伸缩振动峰、 2 923 cm-1处—CH2—反对称伸缩振动峰、 2 958 cm-1处—CH3反对称伸缩振动峰、 1 181, 1 122和1 086 cm-1处$SO^{2}_{4}$非对称伸缩振动峰、 982 cm-1处$SO^{2}_{4}$对称伸缩振动峰、 635和610 cm-1处$SO^{2}_{4}$弯曲振动峰, 其峰位并未发生红移, 但峰强随着微波作用时间的增加明显加强, 且微波作用60 s时其峰强增加最明显; 对微波处理后的红外光谱进行拟合平滑光谱和二阶导数光谱计算发现, 在波数为2 958, 2 923, 2 853, 1 181, 1 122, 1 086, 982, 635和610 cm-1处峰面积均有不同程度的增加, 且在微波作用60s时峰面积分别增加了1.84%, 259.12%, 761.15%, 235.72%, 145.61%, 198.50%, 641.16%, 549.67%和744.97%, 表明微波预处理并未诱发重晶石表面发生化学反应, 但强化了捕收剂油酸钠与重晶石矿之间的化学吸附, 使其与重晶石表面的化学吸附更加致密, 吸附量增加, 因此重晶石回收率增加, 浮选指标提高。
傅里叶变换红外光谱 微波 重晶石 拟合平滑光谱 二阶导数光谱 FTIR Microwave Barite Fit smooth spectrum Second derivative spectrum 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3083
对艾比湖湿地自然保护区的芦苇叶片进行了采样、含水量测定，利用FieldSpec3便携式光谱仪现场进行了芦苇叶片的光谱测量，并对芦苇叶片原始光谱进行了平滑处理、导数变换，分析在不同微分窗口尺度下芦苇叶片一阶导数对含水量变化的响应特征，同时提取特征参数表征芦苇叶片含水量。研究表明：当w=1~15时，一阶光谱曲线噪声难以有效降低，致使光谱曲线的轮廓不易辨别，叶片含水量变化引起的光谱响应特征不易判断。当w=16~30时，微分窗口尺度的增大较好地消除了芦苇叶片一阶导数光谱值中的噪声，芦苇叶片一阶导数光谱与含水量之间的相关系数在1460~1500 nm波段与1374~1534 nm 波段相比，相关系数波动小，标准差小，表现较稳定，1460~1500 nm波段一阶导数光谱对含水量的响应呈现比较一致、显著的特征；将1460~1500 nm波段内一阶导数光谱值的平均值作为特征参数，在微分窗口尺度1~30下，该特征参数与其他窗口尺度相比，更适合指示芦苇叶片含水量变化，为干旱区湿地芦苇水分遥感监测中采用短波红外反射光谱分析技术定量检验芦苇叶片水分提供新的途径。
光谱学 短波红外 芦苇叶片含水量 一阶导数光谱 特征参数 激光与光电子学进展
2021, 58(3): 0330005
西藏光信息处理与可视化技术重点实验室, 西藏民族大学, 陕西 咸阳 712082
对比3种类型高光谱数据以及2种分类算法, 从那曲地区HSI高光谱图像上识别4个草种。 结合实地踏勘从HSI高光谱图像上采集藏北嵩草、 紫花针茅、 高山蒿草和小嵩草这4个草种的原始光谱反射率数据, 并分别进行导数变换、 对数变换, 得到4个草种的原始光谱、 一阶导数光谱、 对数变换光谱。 对这3种光谱数据进行谱线波形分异特征比较、 单因素方差分析以及相关分析, 从这3种光谱数据中提取出各自适用的敏感谱段, 然后将3种光谱数据的敏感谱段分别导入KICA-NFCM算法, 通过对HSI图像分类识别出4个草种。 对比3种光谱数据各自分类图的识别精度, 评价3种光谱数据敏感谱段的适用性； 再将3种光谱数据的敏感谱段分别导入ICA-FCM算法, 与KICA-NFCM算法分类结果比较对4个草种的识别精度。 结果显示谱线波形分异特征比较、 单因素方差分析以及相关分析表明, 原始光谱、 一阶导数光谱、 对数变换光谱的敏感谱段分别为788～925, 711～742, 669～682与788～925 nm； 使用这3种光谱数据进行KICA-NFCM分类, 总体精度、 Kappa系数分别为75.38%, 0.685, 81.26%, 0.752, 87.65%, 0.823； 使用3种光谱数据进行ICA-FCM分类, 总体精度、 Kappa系数分别为64.39%, 0.569, 67.74%, 0.604, 73.14%, 0.662。 比较结果表明对数变换能够增强多组相似光谱数据之问的峰谷特征差异, 为通过谱线波形分异特征比较选取敏感谱段创造条件； KICA-NFCM算法可以优化输入特征、 并引入加权邻域空间信息计算隶属度函数, 针对性解决了标准FCM算法在处理高光谱图像时, 目标识别过程受邻域噪声影响, 分类图像“椒盐效应”显著、 同质区域连通性差的问题。 结果表明: 应用“对数变换光谱/KICA-NFCM算法”组合能够最准确的从HSI图像上识别4个草种, 有效减少混分误判现象, 为精准开展高寒草地成像高光谱观测提供技术基础。
成像高光谱 对数变换光谱 导数变换光谱 峰谷特征 敏感谱段 隶属度函数 Hyper-spectral imaging observation Logarithmic transform spectrum First-derivative spectrum Peak-valley characteristics Sensitivity bands Membership function 光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2200
Xizang Key Laboratory of Optical Information Processing and Visualization Technology， Xizang Minzu University，Xianyang72082， China
提出协同分层波谱识别法，分别从兰州、榆林市Hyperion高光谱图像上识别9种目标地类，并与SVM监督分类对比。针对Hyperion图像波谱识别的4个难点：光谱信息高保真融合、敏感谱段提取、“椒盐效应”去除、 消除“同物异谱” 现象导致的误判，协同应用WP-GS融合、导数变换、4尺度面向对象分割和多谱段SAM解决上述难点，并基于Hyperion导数变换图像分析波谱变化特征、提取敏感谱段、从4个尺度层依次识别9种目标地类，然后根据目视评判和定量评价，与综合使用Gram-Schmidt光谱锐化融合/Savitzky-Golay卷积滤波/PCA变换的SVM监督分类结果比较识别精度。实验结果表明WP-GS融合的光谱保真效果优于Gram-Schmidt光谱锐化；4尺度面向对象分割抑制“椒盐效应”的效果优于Savitzky-Golay卷积滤波、移动均值滤波；多谱段SAM利用导数波谱特征能够消除因照度不同对同一类别地物的误判。采用协同分层波谱识别法，兰州市Hyperion图像波谱识别的总体精度、Kappa系数分别为89.52%、0.852，较SVM分类分别提高18.68%和17.52%；榆林市Hyperion图像识别地物的总体精度、Kappa系数分别为91.12%、0.873，较SVM分类分别提高17.80%和16.89%。协同分层波谱识别法应用多种技术一体化解决Hyperion图像应用难点，有效利用导数波谱变化特征提取目标敏感谱段，在复杂环境下识别目标地类的能力优于SVM监督分类。
星载高光谱图像 导数波谱特征 敏感谱段 同物异谱 多尺度 多谱段SAM satellite-borne hyper-spectral image derivative spectrum feature sensitive bands same body with different spectrum multi-scale multispectral SAM
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对傅里叶变换红外光谱仪检测污染气体时红外光谱信号出现的基线漂移现象,提出一种采用改进迭代多项式拟合的红外光谱基线校正方法,该方法可以自动识别光谱信号的特征峰,从光谱中截断完整的特征峰后,采用双边阈值对红外光谱迭代得到最优的拟合基线。利用仿真光谱以及三氯乙烷、氨气的实测光谱对该方法进行验证,并将其与常见的3种多项式拟合方法进行对比,结果表明:采用所提方法对光谱进行校正后,特征峰更明显,基线更平缓。仿真和实测数据表明,所提方法提高了现有多项式拟合基线校正方法的准确性,是一种具有良好性能的基线校正方法。
光谱学 基线校正 最小二乘法 导数光谱 激光与光电子学进展
2020, 57(3): 033001
1 山东师范大学地理与环境学院, 山东 济南 250014
2 中国环境科学研究院, 北京 100012
三维荧光光谱技术（3DEEM）因其方便迅速、 灵敏度高等一系列优点, 广泛应用于表征DOM。 在实际应用中, 3DEEM步骤较为繁琐, PARAFAC等方法相较于寻峰法虽然更加直观可靠, 但是往往需要借助MATLAB等数学软件, 因此该研究希望借助一种新的方法能够更加简便迅速地表征DOM。 以蘑菇湖水体DOM为例, 基于累积性发射光谱（AFEs）, 结合多元统计及二阶导数等方法, 对DOM各类荧光组分及含量进行表征。 利用主成分分析（PCA）对AFEs进行因子载荷分析, 并确定荧光峰的类型及其含量的差异; 通过二阶导数转换, 得到二阶导数AFEs; 通过对所有采样点二阶导数AFEs各荧光峰进行绝对面积积分, 分析DOM中各组分的含量及变化; 通过聚类分析, 分析不同点位组分的差异性或相似性。 研究表明, 通过AFEs得到5类荧光峰, 分别为类蛋白峰、 类富里酸峰、 陆源类腐殖酸峰以及腐殖酸峰。 基于AFEs及其对荧光强度之和的分析, 可以看出蘑菇湖水体中的DOM主要以不稳定、 易被降解的、 相对分子质量较小的类蛋白及富里酸为主, 腐殖化程度由滨湖区向深湖区递减。 基于AFEs得分图, 得到5类荧光峰, 且荧光峰中类蛋白及类富里酸峰占主导; 基于点位得分矩阵, 可以说明各点位之间的荧光组分存在差异。 二阶导数AFEs被分为5个荧光波段, DOM以相对质量较小的有机质为主, 腐殖化程度、 芳香度较小, 空间差异上不显著。 通过对荧光峰面积以及采样点进行聚类分析, 荧光峰被分为3类, 其中富里酸含量占比较大, 且岸边采样点和位于湖心区域的采样点之间存在差异。 综上研究显示, AFEs相对简单迅速, 能够代替3DEEM对DOM进行表征。 蘑菇湖水体DOM是以相对分子质量较小、 不稳定、 易被降解的类蛋白、 类富里酸物质为主, 总体上腐殖化程度及相对分子质量具有由滨湖区向深湖区递减的趋势, 但空间上差异性较小。
溶解性有机质（DOM） 累积性发射光谱 二阶导数光谱 多元统计 蘑菇湖 Dissolved organic matter (DOM) Accumulative fluorescence emission spectra Second derivative spectrum Multivariate statistical analysis Moguhu Lake 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2873
1 南京航空航天大学航空宇航学院, 江苏 南京 210016
2 淮阴工学院电子信息工程学院, 江苏 淮安 223003
除草剂可以快速、 有效地进行除草, 已被广泛应用, 但是在除草剂使用同时也会对周围环境和农作物带来一定程度的污染, 例如农业生产过程中经常发现由于除草剂使用不当而使果树中毒的现象。 异丙甲草胺是一种酰胺类选择性除草剂, 被广泛应用于旱地作物、 蔬菜和果园、 苗圃。 根据相关文献报道, 基于气相色谱法、 气相色谱-质谱联用法和固相萃取等方法可以实现异丙甲草胺残留检测, 而基于吸收光谱法对异丙甲草胺的分析未见相关文献报道, 提出直接利用吸收光谱及其导数光谱分析法实现异丙甲草胺农药及其在苹果汁中的农药残留检测。 首先利用分光光度计对不同浓度异丙甲草胺药液进行吸收光谱实验研究, 发现在266 nm处有明显吸收光谱特征峰。 对农药吸收光谱进行拟合分析, 得到异丙甲草胺药液浓度和吸光度之间预测模型函数方程, 函数方程为y=2.147 09x+0.031 98, 相关系数为0.998 5。 然后利用分光光度计对苹果汁-异丙甲草胺混合溶液进行吸收光谱实验研究, 相对于纯苹果汁吸收光谱, 在混合溶液吸收光谱中发现266 nm处为异丙甲草胺所对应的特征峰。 对苹果汁中药物浓度和吸光度进行建模, 模型函数为: y=0.704 9+0.826 8x, 其相关系数为0.991 1。 可以看出, 当苹果汁中异丙甲草胺残留量很低时, 其农药吸收光谱特征峰并不明显。 为进一步提高检测效果, 对混合溶液吸收光谱进行一阶导数处理, 得到其一阶导数吸收光谱。 与苹果汁吸收导数光谱相比较, 苹果汁-农药混合溶液导数光谱有两个明显特征光谱峰, 分别位于269和276 nm处。 进一步分析苹果汁-异丙甲草胺混合溶液的导数吸收光谱峰值与农药含量之间的关系, 对异丙甲草胺含量与导数光谱吸光度进行函数拟合。 其中269 nm对应预测模型函数关系式: y=0.005 3-0.090 6x, 相关系数r=0.992 5; 276 nm对应预测模型函数关系式为y=-0.000 769-0.302 8x, 相关系数r=0.990 6。 为验证由吸收光谱和其一阶导数光谱所得苹果汁中农药残留预测模型的准确性, 另外配置五种浓度苹果汁－异丙甲草胺混合溶液。 然后在同等条件下对其进行吸收光谱实验, 将266, 269和276 nm处的吸光度分别代入对应模型函数可求得浓度预测值, 结合已知浓度值可计算其平均回收率, 其中吸收光谱266 nm对应平均回收率为104.68%, 导数光谱269 nm对应平均回收率为104.59%, 276 nm对应平均回收率为105.18%。 对苹果汁中异丙甲草胺检测模型进行分析, 计算得到检出限(LOD)和定量限（LOQ）参数值, 其中原始吸收光谱对应LOD和LOQ分别为0.014 8和0.049 2 mg·mL-1, 一阶导数光谱对应LOD和LOQ最小值分别为0.001 5和0.004 9 mg·mL-1。 研究结果表明, 采用吸收光谱方法对苹果汁中异丙甲草胺进行直接检测与分析是快速和可行有效的, 而且对吸收光谱进行导数运算处理后, 检测效果更优。
农药残留 异丙甲草胺 吸收光谱 导数光谱 Pesticide residue Metolachlor Absorption spectrum Derivative spectrum
