齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266100
液体环境中激光诱导击穿光谱（LIBS）包含等离子体辐射和膨胀、冲击波传输及气泡演化等过程，对其进行全过程时间分辨观测有助于理解液相LIBS物-化过程，并提高LIBS分析性能。为此，采用激光透射探针（LBTP）测量方法，通过连续氦氖激光器和光电探测器相结合，实现对单次LIBS过程中激光/等离子体辐射与冲击波/气泡演化的全过程时间分辨诊断。在不同激光脉冲能量激发下，比较同步采集的LBTP信号与LIBS信号，证明了LBTP信号负峰面积与LIBS特征峰面积之间存在较强的相关性（R2>0.99）。在此基础上，对于不同浓度的碱金属离子水溶液，利用偏最小二乘回归（PLSR）法建立了LBTP信号对光谱特征峰面积相对偏差的回归模型，实现了LIBS信号波动校正。
光谱学 激光诱导击穿光谱 液体环境 激光透射探针 光谱校正 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0730006
表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、 无需标记、 可原位实时监测的特点, 被广泛应用在生物医学、 化学检测、 食品安全、 环境监测等领域。 对于波长调制型SPR传感器, 由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同, 从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰, 影响到实验检测结果。 为消除这种影响, 提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法, 并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。 通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线, 将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱, 进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。 相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱), 此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势, 从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。 随后基于拟合误差最小化的目标, 对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。 实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱, 使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm, 表明此方法的光谱峰形优势具备普适性; 连续采集了4 000组光谱并计算共振波长, 其相对标准偏差为0.007 8%, 处理速度为每个光谱12 ms, 表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性; 测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱, 其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5, 品质因数为传统校正方式的3倍, 表明此方法具备良好的可靠性, 并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能, 相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式, 处理简便, 效果更突出。 结果表明, 基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、 运算速度快、 分辨率高、 抗噪声、 品质因数高等特点, 能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。
SPR传感 基于辐射度的光谱校正 自适应拟合 共振波长 SPR sensing Radiation-based spectral correction Self-adaptive fitting algorithm Resonance wavelength determination
1 安徽农业大学信息与计算机学院, 安徽 合肥 230036
2 The Remote Sensing Laboratory, Jacob Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev, Sede Boger Campus 84990, Israel
土壤速效氮是影响作物生长发育的重要养分指标。 野外原位可见近红外光谱(VIS-NIR)分析技术具有快速无损等特点, 对速效氮的定量预测具有较好的应用前景。 野外条件下进行原位光谱采集更节省人力物力, 且为土壤养分实时传感器的开发提供了数据基础。 但由于野外原位光谱中通常存在大量的无关环境因子干扰信息, 易导致回归模型预测精度降低, 达不到实用要求。 针对位于以色列中部和北部的两个试验点共76个样本开展研究, 提出利用Y-梯度广义最小二乘加权算法(Y-GLSW)对样本的野外原位VIS-NIR反射率光谱(350～2 500 nm)进行滤波校正, 以提高回归模型的预测能力。 首先使用SG平滑、 一阶导数变换、 标准正态变换等常规方法对原始光谱进行预处理和变换; 在此基础上再使用Y-GLSW构建滤波模型对变换后的光谱进行滤波校正; 最后使用偏最小二乘回归算法(PLS-R)分别结合原始光谱RW、 预处理变换后的光谱PPT和滤波校正后的光谱Y-GLSW建立回归分析模型对速效氮进行定量预测。 结果表明: 利用RW光谱建立的回归预测模型是不可靠的; 利用PPT光谱建立的回归模型在测试集的相对分析误差(RPD)为1.41, 解释总方差占实际总方差之比(SSR/SST)为0.57, 模型具有一定的可靠性; Y-GLSW光谱建立的回归模型在测试集的RPD和SSR/SST分别为2.07和0.69, 相对于PPT模型分别提高了46.81%和21.05%。 因此, 利用Y-GLSW对野外原位VIS-NIR光谱进行滤波校正, 能够有效去除光谱中的无关信息数据, 提高模型的预测精度和解释能力。
土壤速效氮 野外检测 光谱校正 回归模型 Y-梯度广义最小二乘加权 Soil available nitrogen Field test Spectral correction Regression model Y-gradient general least square weighting
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围, 设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先, 对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析, 并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求, 然后设计了校正装置, 并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后, 对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明: 校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005 mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内, 从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。
中阶梯光栅光谱仪 自动光谱校正 波段范围 echelle spectrometer auto spectrum calibration band range
用多种荧光标记物进行STR检测时, 由于荧光光谱的谱带展宽特性, 各个荧光光谱之间有重叠部分, 如何实现将相互重叠的各个波长上的能量有效利用起来, 对提高荧光利用效率至关重要。本文给出了一种基于矩阵分析的数据处理方法, 该方法在进行荧光探测前首先要对荧光谱进行光谱校正, 即要得到每种所用标记染料受激发射荧光的光谱分布, 根据光谱分布建立染料组合荧光信号矩阵, 然后对矩阵进行归一, 利用归一后的矩阵对所探测的荧光谱进行解谱, 从而得到所期望的荧光谱图。理论分析和实验结果表明, 该方法可以有效的利用各个波长的荧光光谱能量, 并实现对不同荧光重叠谱的有效光谱解谱。
矩阵变换 光谱校正 荧光标记 光谱串扰 Transform matrix Spectral calibration Fluorescent labels Spectra cross-talk
1 长春理工大学光电工程分院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电信息学院, 吉林 长春 130022
3 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
为了解决在大范围、 多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、 维护成本高等问题, 研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。 利用光纤光栅衍射对波长的选择性, 建立了温度与波长的函数关系, 通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。 由于环境、 材料等因素, 光谱分布与温度变化并不满足线性变化, 所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合, 曲线拟合度大于99.7%。 实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、 LPT-200型二极管, 1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测, 实验结果显示, 当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时, 对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm, 与标准温度测试数据进行对比, 误差低于±0.3 ℃。 由于系统采用光纤传感网络, 所以具有很强的抗电磁干扰能力, 而光纤光栅衍射可实现精密测量, 动态响应范围大、 精度高。 系统的新颖之处在保证高精度测量的同时, 仍满足大范围、 多点位、 高抗干扰能力的快速铺设, 具有很强的实际应用价值。
温度测量 光谱校正算法 光纤布拉格光栅 光谱分辨率 Temperature measurement Spectrum correction algorithm Fiber Bragg Grating Spectrum resolution 光谱学与光谱分析
2014, 34(7): 1793
1 华侨大学工学院, 福建 泉州362000
2 中国科学院半导体研究所人工神经网络实验室, 北京100083
从校正的角度出发, 研究了近红外定性分析中模型稳定性问题。 以13个玉米品种为研究对象, 针对数据采集时间不同带来的模型失效问题, 借鉴近红外光谱定量分析中两台仪器间模型传递的思想, 将直接模型传递(Direct Standardization)算法用于校正同一仪器不同时间采集的光谱, 使得一次建立的品种鉴别模型, 能用于其余时间测试数据的鉴别。 首先采用Kennard/Stone算法在主光谱集中选取校正样品集, 按照对应的编号从从光谱集中取出对应的数据, 然后对校正样品集采用DS算法求取两组数据间的变换关系, 再对剩余的从光谱集进行相应的变换得到适用于模型的光谱。 实验中对比了校正样本数和模型校正位置对校正结果的影响, 分别从品种定性鉴别准确性和校正前后主光谱数据和从光谱数据分布距离两方面分析了实验结果。 结果表明, 该方法能有效地解决同一仪器随着采样时间推移产生的光谱偏移现象, 对采样时间不同的测试集均得到较高的识别率, 提高了模型的鲁棒性和适用范围, 由实验结果可见, 校正位置处于特征提取之后时, 校正效果最佳。
玉米 近红外光谱 品种鉴别 DS算法 光谱校正 Corn Near-infrared spectra Variety discrimination Direct standardization algorithm Spectral calibration 光谱学与光谱分析
2014, 34(6): 1533
合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥230009
荧光内滤效应以及样品池中荧光物质对激发光的吸收分布会直接影响荧光谱的强度和谱形, 共同制约荧光分析法的应用。 使用吸收谱及荧光谱存在交迭的双组分混合溶液, 研究一种新的基于物理吸收模型的校正方法, 以校正荧光内滤效应及吸收分布对荧光强度的影响。 对三聚噻吩和五聚噻吩混合液的光谱研究表明, 使用所述校正方法可以达到较为理想的校正效果, 误差小于5%。
荧光光谱 内滤效应 吸收分布 光谱校正 Fluorescence spectra Inner filter effect Absorption distribution Spectral correction
南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 210016
在谱域光学相干层析成像系统中，宽带光源的群速度色散会降低系统的轴向分辨率，导致成像分辨率和对比度的下降。分析了色散对谱域光学相干层析成像系统轴向分辨率的影响，提出了一种基于光谱校正的轴向分辨率提高方法，通过三步阈值迭代进行光谱坐标的二阶系数拟合，得到校正后的光谱数据并进行深度位置信息解调。以单层薄玻璃片和西红柿表皮组织为测量样品进行了谱域光学相干层析成像实验，结果表明，该方法与现有方法相比，能够有效补偿色散对系统轴向分辨率的影响，可将轴向分辨率有效提高10 μm，得到分辨率更高的二维扫描层析图像，该方法对于不同测量样品具有普遍适用性。
医用光学 生物光学 谱域光学相干层析成像 宽带光源 群速度色散 轴向分辨率 光谱校正
1 清华大学环境学院, 北京100084
2 桂林理工大学环境科学与工程学院, 广西 桂林541004
在三维荧光光谱（EEM）测定中, 由仪器直接记录的光谱（称为未校正光谱）由于受荧光光度计光源灯或探测器等波长特性的影响, 并不是荧光物质本身的真实光谱, 研究了光谱校正对腐殖酸和色氨酸EEM光谱特征以及传统寻峰法和新兴FRI分析法结果的影响, 结果表明: 校正后, Ex/Em=220～450/250～500 nm范围内荧光强度降低, Em<250 nm范围内荧光强度增大, 腐殖酸荧光峰明显“蓝移”。 基于寻峰法的荧光指数（FI）和腐殖化指数（HIX）明显减小, 自生源指数（BIX）略增; 基于FRI分析法的反映各区域标准体积百分比PⅠ, n, PⅡ, n和PⅢ, n明显上升, 而PⅣ, n和PⅤ, n显著下降。 因此, 进行光谱校正是获得真实光谱谱图及光谱特征不可或缺的一部分。
溶解性有机物 三维荧光光谱 光谱校正 荧光指数 FRI分析法 Dissolved organic matter Excitation-emission matrix (EEM) Spectra correction Fluorescence intensity Fluorescence regional integration (FRI) 光谱学与光谱分析
2012, 32(11): 3044
