1 上海大学物理系，上海 200444
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
应用纳秒脉冲激光烧蚀铝的动力学模型分析了激光诱导等离子体的演化过程。通过设置有无空腔的不同情况，研究和讨论了空间约束对等离子体和光谱信号的影响，并得到了等离子体演化过程中的电子温度和电子数密度。基于局域热平衡的假设，计算了铝在396.15 nm波长处的谱线强度。与无空腔条件下产生的等离子体相比，有空腔时等离子体的电子温度和电子数密度都明显提高。随着空腔宽度的增加，增强效果减弱，光谱信号强度先升后降，在空腔宽度为1.4 cm处获得最大值。建立了实验装置，实验结果与仿真结果吻合得较好，在同一宽度下得到了最大的信号强度值。模拟和实验结果提供了膨胀过程中等离子体空间和时间分布的数值信息，并解释了空腔存在对等离子体演化产生影响的机制。
光谱学 激光诱导击穿光谱 仿真分析 等离子体演化 空间约束 光谱信号强度
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
等离子体发射光谱是研究托卡马克等离子体物理过程的重要诊断手段之一。边界等离子体中存在着复杂的原子分子物理过程, 部分较弱的粒子光谱信号混杂着大量噪声, 能否有效去除噪声、提高信号质量对后续利用其分析理解实验中相关物理过程具有重要意义。以仿真信号和真实托卡马克实验中钨原子光谱数据作为研究对象, 采用信噪比(SNR) 和均方根误差(RMSE) 作为滤波效果的评价依据, 对小波阈值去噪处理方法的去噪效果进行了研究。仿真实验对比分析表明: 选取 sym8 小波基、4 层小波分解、启发式阈值计算以及渐进半软阈值函数进行小波去噪时, 可获得最大信噪比 19.2166，最小均方根误差 0.0290。进而将这些最佳匹配参数应用于实测偏滤器钨原子光谱信号处理中, 也取得较好的去噪效果。结果表明: 小波阈值去噪能够有效地消除偏滤器钨原子光谱信号中的噪声, 同时较好地保留有用信号, 避免信号失真, 显著提高了信号质量。
光谱学 偏滤器钨原子光谱信号 小波变换 阈值去噪 信噪比 均方根误差 spectroscopy spectral signal of tungsten atom in divertor wavelet transform threshold denoising signal-to-noise ratio root mean square error
1 新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047
2 西安交通大学能源动力工程学院, 陕西 西安 710049
为提高全血血红蛋白浓度预测模型的预测精度, 基于近红外光谱分析, 首先对原始全血透射光谱数据分别进行均值中心化、 标准化、 标准正态变量变换(SNV)、 多元散射校正(MSC)以及Savitzky-Golay(SG)卷积平滑结合MSC的预处理操作, 最终选择预处理效果最好的SG-MSC方法作为数据预处理方法, 其最大相关系数达到0.944 1。 对SG平滑的平滑窗口宽度进行讨论, 找出平滑效果最好的窗口宽度为27。 数据预处理消除了全血吸收光谱的基线失真, 提高了全血吸收光谱数据的信噪比。 将190个样本(190个血红蛋白浓度对应的透射光谱数据)分为具有相近血红蛋白浓度分布的校正集和测试集, 其中校正集为143个样本(对应血红蛋白浓度分布为10.6~17.3 g·dL-1), 测试集为47个样本(对应血红蛋白浓度分布为10.3~17.3 g·dL-1), 确保建立模型的适用性。 对校正集数据预处理后利用蒙特卡洛无信息变量消除(MC-UVE)方法对其进行波长变量选择, 剔除含信息量少的波长点, 提高含信息量多的波长占比。 设置蒙特卡洛迭代次数为1 000, 最终从全血吸收光谱的700个波长变量中筛选出191个波长变量用于建立全血血红蛋白浓度偏最小二乘(PLS)回归模型。 对比分析原始全血透射光谱全谱PLS模型、 原始全血吸收光谱全谱PLS模型、 预处理全血吸收光谱全谱PLS模型、 SG-MSC-MC-UVE-PLS模型以及已有二阶导数PLS模型的模型效果, 表明基于SG-MSC-MC-UVE-PLS算法的全血血红蛋白浓度预测模型效果较其他模型效果更优, 预测相关系数由0.676 3提高到0.979 1, 预测集均方根误差由0.898 1减小到0.220 3, 最大绝对误差由2.426 1减小到0.411 2。 同时, 利用MC-UVE方法进行波长变量选择, 在保证预测精度的前提下, 筛选出建模的波长个数更少, 有利于提高模型计算效率。 研究结果表明, SG-MSC-MC-UVE-PLS方法能够提高全血吸收光谱信号的信噪比, 简化模型结构, 提高模型的预测精度和计算效率, 对推动血红蛋白浓度检测技术的发展具有进步意义。
近红外光谱 全血血红蛋白浓度预测 光谱信号预处理 无信息变量消除 Near-infrared spectroscopy Whole blood hemoglobin concentration detection Spectral signals preprocessing Uninformed variable elimination 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2754
天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室, 天津 300384
各类光谱信号都会受到噪声和基线畸变的影响, 在提取光谱信号过程中若不考虑基线畸变和噪声的影响, 将会严重影响信号提取的精度和准确性, 所以需要在信号提取前消除噪声和基线畸变的影响。 大多数信号提取算法的步骤是先提取整体基线, 再提取信号, 这样难以保证基线的提取精度。 为了降低信号提取过程中背景噪声、 基线畸变等不利因素的影响, 根据信号的存在总是会导致该区域的统计特征不同于背景的特点, 提出了一种基于显著度和统计特征的光谱信号检测与提取算法(SSD算法)。 首先, 在待测数据的不同尺度空间中计算出信号在各尺度下的显著度, 将检测出的显著信号点作为候选信号点; 其次, 利用信号特征去除候选信号点中的伪信号点; 最后, 对候选信号点所在区域采用二次多项式进行基线拟合以剔除伪信号区域并实现最终的信号提取。 为验证SSD算法的综合性能, 首先, 通过仿真的方法对高斯信号和矩形信号在不同基线类型、 不同信噪比下进行实验; 然后将该算法与AirPLS算法、 Wavelet算法以及DoG算法对两种信号在不同信噪比, 不同基线类型下的提取结果进行比较。 仿真实验结果表明: 与其他算法相比, SSD算法信号提取结果基本不受信号类型和基线畸变类型的影响, 且当信噪比大于40时基本不受信噪比的影响; 在不同基线畸变类型下, SSD算法对两种信号提取结果的准确度、 稳定性、 离散度均较好, 其他算法则只适用于某种基线畸变类型。 从总体提取结果上看, SSD算法提取结果的绝对误差的均值仅为AirPLS算法的8.71%、 Wavelet算法的3.52%、 DoG算法的2.01%; 绝对误差的均方根也仅为AirPLS算法的13.08%、 Wavelet算法的5.45%、 DoG算法的3.11%。 因此, 所提出的SSD算法在提取信号时具有良好的综合性能, 能够在不同的信噪比及基线畸变情况下准确的提取出信号。
光谱信号 信号提取 信号检测 基线畸变 显著度 统计特征 Spectrum signal Signal extraction Signal detection Baseline distortion Saliency Statistical features 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2294
1 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室, 江西 南昌 330013
2 南昌工程学院机械与电气工程学院, 江西 南昌 330099
水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用, 但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。 首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台, 同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、 电压及光谱信号, 对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定, 高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、 气泡等水下动态变化。 在此基础上, 设置光谱仪延时, 分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号; 改变水深条件, 得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。 根据谱线选取原则综合分析, 选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。 引弧不同时刻均选取了五组数据, 运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理, 以保证计算结果的准确性和可靠性。 从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线, 再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。 结果表明: 在相同水深条件下, 引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的, 但其变化趋势并不是简单的线性增加, 而是分别在引弧的不同时刻出现峰值; 随着水深的增加, 水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升, 但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢, 40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。 伴随着水深的增加, 水下环境压力增大造成电弧进一步压缩, 但压缩量有限。 由于电弧被压缩, 弧光的强度也增大。 通过光谱分析的方法, 从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质, 对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。
水下湿法焊接 光谱信号 引弧过程 等离子体温度 弧光强度 Underwater wet welding Spectral signal Arc process Plasma temperature Arc intensity 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1586
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
对温室气体进行全球范围的高精度监测, 获取高可靠有效数据, 是实现对温室气体排放进行监控的基础。为了实现温室气体的亚纳米高光谱分辨率光谱探测, 需要保证高光谱温室气体监测仪探测系统具有高信噪比。围绕仪器信号链路的关键模块——InGaAs面阵探测器的信息获取与处理模块, 开展了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理技术的研究。设计了微弱光谱信号低噪声信息获取和处理系统, 并深入研究了影响光谱探测系统噪声的重要因素。通过构建谱段信噪比模型, 并采用小带宽运放电路和AD多次采样方法降低电路噪声, 系统在1.61μm谱段0.07nm光谱分辨率下, 典型能量值为1.91W/(μm·m2·sr), 信噪比(SNR)达340。实验结果表明, 系统噪声均方差(RMS)值为8.1LSB, 优于10LSB(4.9mV噪声), 实现了高光谱温室气体监测仪对亚纳米微弱光谱信号探测的高信噪比需求。该低噪声信号获取与处理技术为InGaAs面阵探测器在温室气体监测应用领域的微弱光谱信号探测打下了基础。
微弱光谱信号 亚纳米高光谱分辨率 信息获取电路 低噪声 面阵探测器 weak spectrum signal sub-nm hyperspectral resolution information acquisition circuit low noise area array detector
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
搭建了一套集成微区成像的激光诱导击穿光谱系统,运用描述性统计分析方法分析了激光器的能量稳定性、光谱仪的噪声水平,重点分析、对比了气体样品和固体样品激光诱导击穿光谱信号的稳定性特征。结果表明:空气样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的随机波动特性和正态分布特征,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号具有明显的位置敏感特性和非随机波动特性;与空气样品相比,铝合金样品激光诱导击穿光谱信号的不稳定性主要源于光与物质相互作用区域的变化;对具有正态分布特征的激光诱导击穿光谱信号,可通过多脉冲平均来有效提高其稳定性。
光谱学 光谱信号的稳定性 多脉冲平均 激光诱导击穿光谱 精密度 正态分布
1 中国科学院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
将基于图像清晰度评价函数的自动聚焦算法应用于共线双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS),基于LabVIEW编写的控制软件对共线DP-LIBS实验系统与CCD相机、三维移动平台进行有效控制,将图像清晰度评价、自动聚焦算法和三维移动平台相结合,实现了样品的自动聚焦功能。实验结果表明:两激光脉冲间隔的最优位置为0.55 μs;原子谱线的稳定性高于离子谱线;采用自动聚焦系统后,光谱强度的相对标准偏差(RSD)从16.7%降低到6.7%,钢样中Cr元素和Mn元素定量分析的相关系数分别从0.851和0.639提高到0.947和0.923。自动聚焦系统能够提高信号的稳定性和测量精度。
光谱学 激光诱导击穿光谱 光谱信号稳定性 自动聚焦 清晰度评价函数
本文主要综述了国内外便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)系统的研究进展和应用情况。目前该系统主要针对金属元素进行检测，对非金属等轻元素的定量分析需要较大能量的激光激发，但受限于激光器和光谱仪等组件体积的影响，研发便携式、高精度LIBS系统有较高难度。本文针对全元素检测便携设备的研发，利用限域和高压放电脉冲得到了增强的LIBS信号，降低了激光能量，从物理机理上给出了便携式LIBS设备研发的新方向。
激光诱导击穿光谱 便携式 等离子体 光谱分析 光谱信号增强 laser-induced breakdown spectroscopy portable system plasma spectral analysis spectrum signal enhancement
