吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
岩石是由多种矿物组成, 其反射率光谱吸收特征与矿物含量之间存在紧密联系, 矿物光谱在特定波段处的光谱吸收特征是定量估算含量的重要指标之一。 为提升岩石光谱吸收特征定量反演矿物含量的准确度与精度, 以白云母为研究对象, 分析岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征及其白云母含量, 采用Savitzky-Golay平滑滤波和连续统去除法对岩石光谱反射率进行处理, 进而提取光谱吸收特征参数(吸收深度、 吸收宽度、 吸收面积), 分析岩石光谱在2.2 μm附近吸收特征与白云母含量之间的相关性。 研究中采用单一吸收特征建立统计模型、 多维吸收特征建立偏最小二乘法(PLS)和多层感知器(MLP)模型, 对岩石中白云母含量与光谱吸收特征参数进行分析, 进而提出一种非线性预测岩石中矿物含量的方法。 研究结果表明, 岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征中, 吸收深度与白云母含量之间的相关性最高。 基于单一吸收特征的统计模型中, 二次曲线模型对吸收深度拟合的效果最佳, R2为0.935 0, RMSE为0.063 0, 岩石光谱的吸收深度随白云母丰度满足二次曲线变化, 岩石中白云母的含量越高, 岩石光谱吸收深度值越大; 基于多维光谱吸收特征的PLS模型相较于MLP模型拟合的效果更佳, 其R2为0.947 7高于MLP的0.901 2, RMSE为0.002 7低于MLP的0.005 1; 整体上, 多维模型优于单一维度模型, PLS模型反演能力最佳, 该模型在预测白云母含量上具有运算量小、 精度高的特点。 通过分析岩石在诊断特征处的光谱吸收特征, 为其矿物组分的含量等进行定量反演提供理论参考, 为矿产资源监测与评估提供快速高效便捷的方法。
岩石光谱 矿物含量 光谱吸收特征 统计分析 偏最小二乘法 Rock spectrum Mineral content Spectral absorption characteristic Statistic analysis PLS
光子学报
2022, 51(11): 1106006
1 浙大城市学院计算机与计算科学学院, 浙江 杭州 310015
2 浙江大学控制科学与工程学院, 工业控制技术国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间, 具有指纹特性、 安全无损、 强穿透性等特点, 因此太赫兹光谱技术在药品成分和组成检测领域具有广泛应用价值。 针对高纯度物质识别研究中存在部分弱吸收峰不易识别, 以及混合物的太赫兹光谱中吸收峰强度降低而导致吸收峰位信息模糊化的问题, 提出了一种基于离散极大值法的光谱吸收峰位识别方法, 即伴随拐点法。 伴随拐点法首先利用目标检测物太赫兹吸收系数谱图的一阶和二阶导数确定吸收峰位的伴随拐点和基线谱, 其次将原始吸收光谱与基线谱进行差分运算得到差谱, 最后根据离散极大值法确定吸收峰位, 从而实现特征吸收峰的识别。 为验证伴随拐点法的有效性, 采用伴随拐点法对四种硝基呋喃类样品光谱进行吸收峰提取, 并将吸收峰位识别结果与仿真结果进行比较。 实验结果证明, 伴随拐点法能有效识别目标检测物的强吸收峰和弱吸收峰。 该方法不仅在含峰目标物的太赫兹特征吸收峰识别问题中具有广泛的应用前景, 还适用于其他光谱的谱峰峰位检测。
太赫兹时域光谱 特征吸收峰识别 光谱吸收峰 光谱特征信息 Terahertz absorption coefficient spectrum Absorption peak recognition Discrete local maximum method Adjoint inflection point method 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3058
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭)，浙江 杭州 310023
无自旋交换弛豫(SERF)原子惯性测量仪表因具有超高的理论精度和易于集成等优势，成为超高精度惯性测量仪表的重要发展方向。均匀且稳定的温度场是SERF惯性测量仪表实现超高精度测量的重要基础，提出了一种基于光谱吸收的碱金属气室全域温度梯度测量方法，通过在线获取气室不同位置激光入射前后的强度，根据光强比与温度的函数关系可获得气室内部相应位置的温度信息。较为全面地分析了光谱吸收法实现在线碱金属气室温度测量的可行性以及线偏振检测光频率对测温结果的影响，并通过有限元仿真与实验测试结果的对比，验证了所提方法的有效性。所提温度梯度测量方法是基于仪表原有设备实现的，不引入额外干扰，简单可靠且可操作性强。此方法的提出为SERF惯性测量仪表的加热系统设计与性能提升提供了重要的技术支撑。
中国激光
2022, 49(19): 1904005
红外与激光工程
2022, 51(5): 20210374
1 东北大学 信息科学与工程学院，辽宁沈阳089
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林长春130033
3 河北省微纳精密光学传感与测量技术重点实验室，河北秦皇岛066004
为了研制结构紧凑、低功耗和本质安全的激光吸收光谱气体检测系统，光子晶体光纤气体检测技术受到广泛关注。通过对光子晶体光纤结构参数的优化，可将90%以上的光场模式束缚在纤芯附近，从而将气体检测的相对灵敏度提升到60%以上，限制损耗降低到10-8 dB/m。对光学模式的调控依赖于纤芯微结构参数和包层光子晶体空气孔的阵列排布的优化，以期获得更高的相对检测灵敏度和更低的光学损耗；接着，针对端头反射式、光纤光栅波长调制型和不同光纤复合型的气体检测技术进行了分析。端头反射式结构最为简单，然而难以保证气体分子的高效交换。结合Bragg光栅和长周期光栅等特种光纤结构可以构建光学谐振腔，有效增强光信号与气体分子的吸收光程。结合不同类型光纤和气体敏感材料的复合光纤结构气体探头的设计，极大地优化了气体传感的选择性和灵敏度等特性。延长光纤至1 m以上，或采用环形嵌入方式可有效增加光程，获得10-12量级的检测限。掺铒光纤的引入可有效补偿光纤环内的光学损耗。最后，分析了多孔环形和柚子型等大空芯直径光子晶体光纤的气体检测性能和未来研究方向。针对光子晶体光纤气体激光光谱吸收检测技术，未来需要在性能优化、系统集成和环境适应性方面开展研究，从而为冶金化工等行业中危险气体实时监测仪器的研制提供技术保障。
光子晶体光纤 气体检测 激光光谱吸收 光纤传感 空芯光纤 photonic crystal fiber gas detection laser spectrum absorption fiber sensing hollow fiber 光学 精密工程
2021, 29(10): 2316
1 华南理工大学电力学院，广东 广州 510640
2 广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州 510640
3 广东省能源高效低污染转化与工程技术研究中心，广东 广州 510640
可调谐二极管激光吸收光谱技术由于选择性强、 灵敏度高、 精确度高、 非侵入式测量等优点, 被广泛应用于大气环境监测、 燃烧流场诊断、 工业过程控制、 人体呼吸探测等领域。 直接吸收技术和波长调制技术是可调谐二极管激光吸收光谱技术两种不同的测量手段, 其中直接吸收技术测量系统结构简单、 信号处理相对容易、 成本较低、 避免提前标定, 在测量气体为常量组分时广泛使用。 直接吸收技术测量气体浓度时, 首先需要从光谱吸收信号中得到一条表示未吸收的基线信号, 这一过程被称为基线拟合。 基线拟合不准确会给测量结果带来较大误差, 这也是直接吸收技术难以达到低探测限的原因之一。 针对上述问题, 基于梯度下降法, 将基线、 气体浓度、 吸收线型等作为未知量, 通过建立激光吸收光谱信号的数学模型, 对透射信号直接拟合, 最终得到气体的浓度信息。 这种方法同步拟合了线型和基线, 相比传统的积分面积法, 增强了拟合的整体一致性。 在近红外激光吸收光谱气体浓度检测系统上, 利用中心波长在1 580 nm处的分布反馈式激光器, 通过该方法对实际浓度为10%, 12%, 14%, 16%, 18%和20%的CO2进行了测量, 并将测量结果与积分面积法测量结果进行对比。 研究结果显示, 六种浓度下直接拟合法的曲线拟合方差均小于1×10-4, 测量浓度的最小相对误差仅为0.90%, 最大相对误差为4.40%, 此时迭代时间在4 s以内, 计算检测限为0.39%; 直接拟合法和积分面积法得到的浓度平均相对误差分别为2.63%和5.74%, 直接拟合法优于积分面积法。 实验研究验证了基于梯度下降法直接拟合光谱吸收信号的气体浓度测量方法的可行性与准确性, 为直接吸收技术提供了一个新的思路。
可调谐二极管激光吸收光谱 直接吸收 梯度下降法 光谱吸收信号拟合 Tunable diode laser absorption spectroscopy Direct absorption Gradient descent method Spectral absorption signal fitting 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3256
1 江苏省气象台, 江苏 南京 210008
2 中国气象局交通气象重点开放实验室, 江苏 南京 210008
3 中国气象局数值预报中心, 北京 100081
4 国家卫星气象中心, 北京 100081
为分析我国未来拟发展的高轨静止卫星毫米波大气辐射特征, 选择最佳模拟其毫米波辐射的光谱吸收线库方案, 选取了三种基于典型光谱吸收线库逐线吸收模型（毫米波传播模型(MPM)、 罗氏模型(ROS)和高分辨率分子吸收传输模型(HITRAN)）, 针对拟新增的静止轨道毫米波探测频率424 GHz, 分析了三种大气吸收模型模拟该频率大气吸收系数随大气温度、 大气压强和大气湿度的变化差异。 构建了一种多层毫米波辐射传输模型, 利用上海探空站加密观测数据, 模拟风云三号B星微波湿度探测仪(FY3B/MWHS) 183.31 GHz三个毫米波通道辐射值, 并与真实观测值对比, 分析三种光谱吸收线库在模拟海陆边界地区毫米波辐射时的性能差异。 分析结果表明, 对于424 GHz通道三种大气吸收模型对大气温度、 大气压强和大气湿度的敏感变化趋势一致, 数值上MPM模型与ROS模型更接近, HITRAN模型要显著低于其他模型。 对于183.31 GHz, 在海陆交界地区MPM模型模拟误差相比ROS和HITRAN模型最小, 所有模型的第五通道模拟误差比第三通道和第四通道要小。
多层毫米波辐射传输模型 微波毫米波光谱吸收线库 逐线大气吸收模型 静止毫米波遥感 共振与非共振吸收 Multi-layer millimeter wave radiative transfer mod Microwave and millimeter-wave spectral absorption Line-by-line absorption model Geostationary millimeter wave remote sensing Resonant and non-resonant absorption 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1858
1 上海理工大学环境与建筑学院, 上海 200093
2 复旦大学信息科学与工程学院, 上海 200433
介质/金属膜空芯波导作为光谱吸收式气体传感的柔性吸收池,得到广泛关注。空芯波导具有损耗低、与光传输系统耦合稳定、抗外界干扰能力强和所需样品量微小等优点。利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和空芯波导搭建了气体传感系统,实验研究了各类波导对碱性气体、酸性气体以及有机溶剂挥发物等的耐久特性。通过对比波导注入腐蚀性气液体前后的损耗特性变化,评估波导的受损情况,讨论了劣化机理。系统总结了多种常用波导的适用传感波段和抗腐蚀特性,为波导式吸收池的工程应用提供了设计和制作参考。
光谱学 光谱吸收 气体传感 吸收池 红外波导 耐久性 光学学报
2020, 40(19): 1906002
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。
光谱吸收率 光栅 红外微测辐射热计 等离激元 Spectral absorptivity Grating Infrared Microbolometer SPP 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2647
