强激光与粒子束
2023, 35(6): 065002
中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室, 北京 100083
土壤粒度是对土壤近红外光谱造成严重干扰的主要因素之一。 通常在样本前处理阶段采用研磨和过筛土壤来降低土壤粒度干扰, 在数据处理阶段通过对连续光谱微分法等数学方法消除土壤粒度干扰。 但是对于近红外波段离散波长的建模, 至今没有有效的方法消除土壤粒度干扰。 为此, 提出了土壤粒度修正法以解决土壤粒度干扰消除难题。 首先建立土壤粒度修正模型, 将农田采集的标准土壤在实验室烘干消除水分后, 进行土样配置, 得到4个土壤粒度(2.0, 0.9, 0.45, 0.2 mm)和6个全氮浓度等级(0, 0.04, 0.08, 0.12, 0.16, 0.2 g·kg-1)的96个土壤样本。 采用MATRIX-Ⅰ型傅里叶变换近红外光谱仪采集土壤样本近红外光谱, 计算四个不同粒度(每个粒度包含24个土壤样本)和全部土壤样本在每个波长处(850~2 500 nm)所有样本间吸光度的光谱标准偏差, 分析得到土壤粒度的特征波段为1 361和1 870 nm。 采用特征波段吸光度比值作为单一输入变量建立SVM土壤粒度分类模型, 土壤粒度整体分类准确率为93.8%, 表明对土壤粒度进行分类是可行的。 选择本研究团队开发的基于近红外波段离散波长(1 070, 1 130, 1 245, 1 375, 1 550, 1 680 nm)吸光度的车载土壤全氮检测仪对提出的土壤粒度修正模型进行验证。 结果表明修正后粒度为2.0, 0.9和0.45 mm的吸光度和原始土壤吸光度分别降低了62%, 74%, 111%和61%。 表明土壤粒度修正法可以显著减小土壤粒度干扰。 最后采用BPNN建立不同吸光度的全氮模型, 相较于原始吸光度模型, 修正后的土壤吸光度模型Rv2提高了25%。 表明提出的土壤粒度修正法可以显著减小土壤粒度对近红外光谱离散波长吸光度的干扰, 提高车载土壤全氮检测仪的测量精度。
土壤粒度干扰 近红外离散波长 光谱标准偏差 土壤粒度修正法 Soil particle size disturbance NIR discrete wavelength Standard deviation Soil particle size correction method SVM SVM 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3682
连铸过程中会不可避免地出现中心偏析, 中心偏析影响钢材均匀性, 严重的中心偏析会对钢材的组织、 质量和性能产生很大的影响。 准确、 快速、 方便地对钢中元素含量分布进行分析, 将有助于指导冶金工作者进行质量控制和工艺改进。 原位统计分布分析是在较大尺度范围内(cm2)各化学组成及其形态的定量统计分布规律的分析技术, 在钢铁、 高温合金等的元素偏析、 疏松、 夹杂物分析上已有成功的应用。 采用原位统计分布分析方法对18CrNiMo7-6中低合金钢连铸圆坯从中心到边缘的各元素分布进行了分析, 得到不同位置各试样的统计符合度、 统计偏析度, 同时采用火花光谱法分析各试样得到相对标准偏差, 研究元素分布与统计符合度、 统计偏析度、 相对标准偏差的相关规律。 结果表明, 各试样P, Nb和S存在明显的偏析, 整体的统计符合度较低, 统计偏析度、 相对标准偏差较大; 各试样Cr, Ni, Mn, Mo和Si分布较均匀, 整体的统计符合度较高, 统计偏析度、 相对标准偏差较小。 圆坯中心部位的6#样品在10块样品中各元素偏析最明显, 统计符合度最低, 统计偏析度、 相对标准偏差最大; 靠近中心部位的3#, 7#, 4#样品各元素偏析较明显, 各元素统计符合度较低, 统计偏析度、 相对标准偏差较大; 圆坯边缘部位的9#和10#样品偏析程度最轻, 各元素统计符合度最高, 统计偏析度、 相对标准偏差最小。 各元素整体上按照从中心到边缘统计符合度逐渐增大, 统计偏析度、 相对标准偏差逐渐减小的规律分布。 原位统计分布分析的统计符合度、 统计偏析度结果与火花光谱分析的相对标准偏差结果在各试样的元素偏析上呈现出相同的规律。 由原位统计分布分析得到各试样的元素含量等高图趋势与统计符合度、 统计偏析度、 相对标准偏差结果也呈现出相同的规律。 因此, 原位统计分布分析技术可对材料元素分布提供准确、 快速的表征, 为材料及工艺研究提供反映材料内在质量的判据方法。
原位统计分布分析 中心偏析 统计符合度 统计偏析度 相对标准偏差 Original position statistic distribution analysis Central segregation Statistic conformity Statistic segregation Relative standard deviation 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3906
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
提出一种基于扫频光学相干层析术(SSOCT)的重建人体皮下微血管三维结构的新算法。该方法利用搭建的手持式人体皮肤微血管扫频光学相干层析系统,采用多帧B扫描对数强度血流图像微分标准偏差计算,获取人体皮肤在体截面图像和微血管正面图(en face image)。实验结果证明,与现有的对数强度微分标准偏差算法(DSDLI)相比,本文算法能够更好地恢复出血流图像信息,在重建图像中可以明显看到原算法的处理结果中看不出的血流细节,更有利于光学相干层析术(OCT)系统在癌症、糖尿病、酒色斑等疾病在医学诊断方面的现实应用。
成像系统 扫频光学相干断层成像 人体皮下微血管 微分标准偏差算法 对数强度血流图像 多帧B扫描 激光与光电子学进展
2019, 56(23): 231101
华北电力大学 电气与电子工程学院， 河北 保定 071003
针对紫外成像仪中紫外光图像与可见光图像的灰度值特点及传统的图像融合方法在图像融合时存在紫外光斑信息丢失的问题，提出一种基于非下采样剪切波变换(NSST)和自适应稀疏表示的紫外光与可见光图像融合方法。首先用NSST变换分解源图像，得到低频子带系数和高频子带系数；然后采用邻域标准偏差取大的融合规则融合低频子带系数，生成近似融合图像；根据自适应稀疏思想指导高频子带系数的融合；最后通过逆NSST变换重构得到融合图像。实验结果表明，该方法在保留可见光背景信息的基础上，很好地融合了紫外光斑信息，改善了图像的主观视觉质量，在客观评价指标上也有所提高。
NSST变换 自适应稀疏表示 紫外光与可见光图像融合 邻域标准偏差取大 NSST transform adaptive sparse representation ultraviolet and visible image fusion maximum neighborhood standard deviation
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京国科世纪激光技术有限公司, 北京 102211
内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)最常用的定量分析方法之一。 为了提高定量分析精度, 研究了谱线强度比的相对波动特性随分析线和内标线之间激发能级差(ΔE)和波长差(Δλ)变化的规律。 在局部热力学平衡条件下, 建立了考虑等离子体中某元素电子上能级跃迁到下能级产生原子发射谱线的激发能级差、 等离子体温度、 配分函数和离子密度等强度影响因素的数学模型, 对模型中激发能级差对谱线强度相对波动的影响进行了研究。 得到在-2 eV<ΔE<2 eV和等离子体温度范围在3 000～15 000 K条件下, 谱线强度随着ΔE和T变化的趋势: 随着ΔE变大, 谱线强度比呈上升, 在ΔE=2 eV, T=3 000 K时谱线强度比最大; 并且谱线强度比相对波动对ΔE和T敏感, ΔE趋近于零时相对波动变小, T对谱线强度比相对波动影响变化不大, 整体趋势平稳。 在T=10 000 K时, ΔE<0相对波动比ΔE>0时小, 因此理论上优先选择ΔE<0的谱线对。 通过理论分析得出|ΔE|越接近于零, 谱线强度比相对波动越小。 实验装置中采用工作波长1 064 nm, 脉冲能量85 mJ, 重复频率1 Hz, 脉冲宽度13 ns的Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿样品; 采用工作波长200～975 nm, 光学分辨率优于0.05 nm的Andor公司Mechelle 5000光谱仪, 配合Andor New iStar型号ICCD采集光谱; 利用激光诱导铁基合金等离子体光谱进行验证。 实验中, 以Fe为内标元素, Cr和Mn为分析元素。 筛选NIST谱线库中跃迁概率在106以上的谱线, 并优先选择共振线能级差相近的非共振线进行对比分析。 结果表明, 选择激发能级相近或波长相近的谱线作为分析谱线的原则有一定的局限性。 对于Cr和Fe, |ΔE|在0.14和1.51 eV时得到的谱线强度相对标准偏差(RSD)分别为6.7%和4.6%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.14和0.59; |Δλ|在11.7和50.8 nm时得到的RSD分别为6.3%和4.4%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.69和0.62。 分析表明, 相比于波长差, 激发能级差对Cr/Mn相对波动影响较大。 分析元素Cr/Mn与内标元素Fe波长差绝对值不断增大, RSD反而不断减小; 在1.50 eV和90 nm较大约束范围内, |ΔE|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为2.06%; |Δλ|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为1.35%。 由以上实验结果得出, 在实际选择分析谱线时, 尽量选择激发能级和波长相近的谱线原则有一定的局限性。 |ΔE|或|Δλ|大的谱线得到的RSD较小, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线可以作为谱线选择依据。 另外, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线, 可以降低谱线强度比相对波动。
内标法 激光诱导击穿光谱 谱线强度比相对波动 相对标准偏差 谱线强度比 Internal standard method Laser induced breakdown spectroscopy Relativefluctuations of spectra intensity Relative standard deviation The intensity ratio of spectra lines
合肥学院电子信息与电气工程系, 安徽 合肥 230601
针对藻类叶绿素荧光信号微弱难以准确检测的问题,提出了基于m序列调制技术的叶绿素荧光检测系统。 分析了荧光检测电路的噪声特点,设计了基于T型电阻反馈网络的I/V转换电路和二级放大电路；根据m序列解调原理, 设计了双极性转换电路、移相电路和基于AD630的荧光信号解调电路。将系统应用于蛋白核小球藻叶绿素荧光检测, 结果表明,对于叶绿素浓度为10 μg/L的蛋白核小球藻,测量相对标准偏差为2.61%。在0～100 μg/L叶绿素 浓度范围内,检测系统输出直流电压值与蛋白核小球藻叶绿素浓度之间的线性相关系数达到0.998。
叶绿素荧光 m序列调制 相对标准偏差 线性响应 chlorophyll fluorescence m sequence modulation relative standard deviation linear response
采用长脉宽激光(500 μs)作为激发光源, 研究了长脉宽激光在低能量密度条件下诱导击穿土壤等离子体的光谱特性。 实验发现, 在长脉宽激光的激发下等离子体光谱特性与纳秒及超短脉宽激光相比存在较大的差异, 在402~409 nm波段和420~436 nm波段, 土壤等离子体光谱均没有出现强烈的连续背景辐射阶段, 所激发产生的等离子体发光寿命可持续220~270 μs。 特征谱线PbⅠ405.78 nm和CrⅠ425.43 nm分别在210和190 μs时出现, 且谱线强度均随时间延长而逐渐增加, 分别在延时320和350 μs时达到最大值。 研究结果表明, 采用长脉宽激光作为激发光源, 增加了激光与物质相互作用的时间, 有助于激发形成发光时间较长的“准稳态等离子体”; 应用内标法建立了Pb和Cr元素校准曲线, 8次重复实验得到分析线与内标线净信号强度比值的相对标准偏差为2.21~6.35%, 长脉宽激光激发产生的等离子体发光稳定; 计算得到土壤中Pb和Cr元素的检测限分别为34.7和40.0 mg·kg-1, 达到国家土壤环境质量标准规定的一级含量要求; 长脉宽激光激发产生等离子体的电子温度为6 612 K, 电子密度为3.7×1017 cm-3, 达到了局部热平衡状态。
长脉宽激光诱导击穿等离子体 发光寿命 相对标准偏差 检测限 Long-pulse laser induced plasmas Life-time of plasma Relative standard deviation Limit of detection 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3204
溶液阴极辉光放电-原子发射光谱是一种新颖的快速、 高效、 实时在线的元素分析方法, 它可用于水体金属元素的检测。 为提高其测量精确度和稳定性, 将内标法应用于溶液阴极辉光放电-原子发射光谱技术。 对K元素建立了标准定标曲线和以Hβ为内标元素的定标曲线, 内标法测得样品的相对误差和相对标准偏差分别为1.11%, 2.14%, 精确度和稳定性较之标准曲线法有一定的提高。 实验考察了元素谱线强度在同一时段的波动情况, 发现元素K和Hβ的谱线强度变化趋势稍有不同, 而同主族元素K和Rb, Ca和Mg的谱线强度有相同的变化趋势, 提出选择与待测元素同主族且谱线强度变化趋势较为一致的元素作为内标元素能更大化校正实验波动的观点。 同时探讨了K以Rb为内标元素、 Ca以Mg为内标元素以及Mg以Ca为内标元素时的内标法测量的精确度和稳定性, 得其相对误差分别为0.49%, 0.02%和0.30%, 相对标准偏差分别为1.11%, 1.13%和0.87%, 与标准曲线法和以Hβ为内标元素的内标法相比效果更佳。 测得自来水样品中Ca元素以Mg为内标的相对误差和相对标准偏差为0.58%, 1.03%, Mg元素以Ca为内标的相对误差和相对标准偏差为1.57%和1.10%。 研究结果表明, 将溶液阴极辉光放电-原子发射光谱技术应用于水体金属元素检测时, 内标法可以有效校正实验波动的影响, 提高测量的精确度和稳定性。
溶液阴极辉光放电-原子发射光谱 定量分析 内标法 相对误差 相对标准偏差 Solution cathode glow discharge-atomic emission sp Quantitative analysis Internal standard method Relative error Relative standard deviation 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2900
